BIM技術應用于管線綜合的方法探索

黃 浩

BIM技術應用于管線綜合的方法探索

黃 浩

為了更好地貫徹上海市規劃和國土資源管理局關于《上海建設工程三維審批規劃管理試行意見》的精神，探討了通過運用BIM技術，提高地下管線從探測到設計的精度的方法。在工程設計階段提早發現問題并及時解決，以更直觀的方式展現，為后續工程建設打好基礎。同時，將此技術精準化地運用于地下管線的規劃管理工作中。基于BIM技術可視化、可追溯、可繼承、可模擬等特點，在重大市政工程建設全過程開展BIM應用，建立BIM交付標準和實施標準，搭建基于BIM和GIS的可視化工程信息協同管理平臺，實現建設管理的可視化決策、信息的各方共享，可有效提升工程質量、進度和安全管理水平。竣工后交付一個包括設計、施工和設備信息的BIM模型和數據庫，亦可為重大工程運營維護的BIM可視化、信息化等提供數據基礎。

BIM | 碰撞檢測 | 可視化 | 數據模型

0 引言

傳統的市政管線綜合規劃是結合設計院提供的地下管線物探、道路排水設計等資料，綜合平衡各管線在道路平面中的位置。隨著城市的不斷發展，傳統的市政管線設計中存在的問題及困難具體包括：（1）二維圖紙空間中，市政管線只有平面x、y坐標，沒有豎向z坐標，無法全面清晰地反映地下管線的情況；（2）在管線密集交叉、地下通道、軌道交通、立交腹地等復雜的路段或節點，僅僅依靠相關設計與管理人員的經驗來推斷，實難進行全面的分析判斷，部分節點隱藏著的矛盾無法暴露，就難以完全避免疏漏或碰撞的發生；（3）面對復雜路段（節點）處的碰撞問題，設計人員采取的局部修正及最終解決方案很難在二維平面圖紙中得以完整體現；（4）傳統項目建設過程中，項目參建各方有時需要花費巨大費用來彌補管線碰撞引起的拆裝、返工及浪費等；（5）多模塊疊合的二維平面圖紙復雜散亂，難以直觀、整體地呈現；（6）現在的規劃管理工作中，也僅靠常規的二維方式來管理，其數據、文本和圖紙均無法滿足地下空間分層管理和豎向管理的要求[1]。

在做天山路管線綜合設計時，根據地下管線物探、設計圖紙、施工工藝及交通組織，在二維空間內平衡各管線在道路平面中的位置。通過召開專家評審會，各大管線單位都同意管線方案，并根據管線綜合方案進行施工圖設計，報規劃局取得了市政工程建設規劃許可證。

當施工單位進場時碰到了雨水管DN2400的標高與非開挖信息管60孔的標高沖突，雨水管的標高牽涉到整個排水系統，基本不能調整，非開挖信息管60孔必須搬遷，管線搬遷費用增加了一千多萬。上水管DN500、燃氣管DN300、電力排管21孔按常規1—1.2 m覆土施工完成后，全線的雨污水支管與上述已建管線標高又產生了沖突，經過現場開挖后，逐個解決排水支管的問題，工程中取消了6個排水口，還有300 m的雨水口通過非常規手段解決了排水問題。天山路、婁山關路路口有很多現狀管線，還有軌道交通2號線古北路車站存在，為了滿足規劃雨水管DN2700的標高要求，地鐵車站預留了一個凹槽。上水管DN500、燃氣管DN300在路口密密麻麻的現狀管線下勉強穿過，規劃電力排管21孔與規劃信息管60孔由于箱體較寬，施工難度較大，經過現場多次協調，開挖后，無空間敷設電力和信息管線，全線天山路通信和電力排管在這個路口管道不能溝通，只能通過周邊路網解決天山路的電力和信息管道溝通問題。最后道路竣工時間比預期晚了4個多月，管線工程造價超出了1 300萬。

隨著工程項目體量的增加、復雜程度的提高，對設計過程中各專業協調與配合的要求也隨之更高，這就使得二維市政管線綜合已經很難勝任新形勢下的要求，為了盡量減少施工中碰到的各種問題，提前在設計階段暴露問題，盡早解決，需要將三維技術（BIM）應用在管線綜合全生命周期中。

1 BIM技術的特點和作用

建筑信息模型（Building Information Modeling）或者建筑信息管理（Building Information Management）是以建筑工程項目的各項相關信息數據作為基礎，建立起三維的建筑模型，通過數字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息[2]。

1.1 BIM技術的特點[3]

在地下管線綜合規劃設計工作中，可提前利用BIM的可視化、全視角的功能進行管線碰撞檢測，將碰撞檢測信息反饋給設計人員并同步做出調整，可有效降低施工現場的管線碰撞及返工，降低工程成本。由于BIM技術的表達形式更加直觀、易讀，無論是地下管線建設方、設計方還是施工方都能很快地全面掌握項目信息，從而降低了項目參與各方，尤其是非專業人士對項目信息的理解難度和誤讀，減少了項目變更，提升不同專業間和不同參與方之間對項目的協同工作能力。

由于三維信息建模（BIM）在項目各個階段都能帶來巨大的優勢，因此，國內各大工程軟件開發公司加緊開發步伐，推出各自的BIM二次開發軟件來爭奪BIM高地。然而，在現有的客觀條件下，各設計院將長期面臨二維與三維共存的設計方式，想要讓已經從事了多年二維設計的工程師接受三維設計模式，必將是一個長期復雜的過程。那么如何將設計院現有的二維設計思想轉換到三維設計中，同時又盡可能地保留多年積累下來的二維設計經驗和習慣，是現階段設計院在項目中應用BIM必須要考慮的問題。因此，針對某一設計院或某一特定專業領域進行定向研發，提供既保留傳統二維設計的優點、又能兼顧三維設計優勢的工具，成為二維設計向三維設計平穩過渡的可行方案。目前，BIM技術在建筑行業內已得到了較為廣泛的應用，但在市政管線綜合規劃設計中尚未普及。

BIM技術優勢在于具有可視化、協調性、模擬性、優化性、可出圖性、一體化性、參數化性、信息完備性等8個特點。

1.2 BIM技術的作用[3]

（1）三維渲染，宣傳展示

三維渲染動畫，給人以真實感和直接的視覺沖擊。建好的BIM模型可以作為二次渲染開發的模型基礎，大大提高了三維渲染效果的精度與效率。

（2）快速算量，精確計劃

BIM數據庫的創建，通過建立5D關聯數據庫，可以準確快速地計算工程量，提升施工預算的精度與效率。BIM可以讓相關管理條線快速準確地獲得海量的工程基礎數據，為制定精確計劃提供有效支撐，有效提升施工管理效率。

（3）多算對比，有效管控

BIM數據庫可以實現任一時點上工程基礎信息的快速獲取，通過合同、計劃與實際施工的消耗量、分項單價、分項合價等數據的多算對比，可以有效地了解項目全過程，實現對項目成本風險的有效管控。

（4）虛擬施工，有效協同

三維可視化功能再加上時間維度，可以進行虛擬施工。隨時隨地直觀快速地將施工計劃與實際進展進行對比，同時進行有效協同，各方都能對工程項目的各種問題和情況了如指掌，大大減少建筑質量問題、安全問題，減少返工和整改。

（5）碰撞檢查，減少返工

利用BIM的三維可視化技術，可在工程前期進行碰撞檢查，優化工程設計，減少錯誤損失和返工的可能性，而且可以優化凈空，優化管線排布方案。利用碰撞優化后的三維管線方案進行施工交底、施工模擬，可以提高施工質量，也提高了與業主溝通的能力。

（6）沖突調用，決策支持

BIM中的項目基礎數據可以在各管理部門進行協同和共享，工程量信息可以根據時空維度、構件類型等進行匯總、拆分、對比分析等，以供決策。

2 BIM技術在管線綜合中的應用

目前，對于地下管線的規劃設計工作，由于在有限的地下空間里各種市政管線交互密布，后期運維過程中新增管線和待檢修管線都需要二次開挖，二維管線綜合圖紙所表現的內容在豎向空間上很容易出現碰撞和矛盾，從而造成在開挖過程中對非目標管道的損壞和影響。如果這些問題在管線綜合設計階段沒有被發現并修正，而直到施工階段才出現或暴露，勢必會造成市政道路的二次甚至多次開挖，并對工程質量、項目進度、工程造價等產生影響和制約。

在大型或重大的市政工程項目中，往往會出現管線和管線之間、管線與地下構筑之間的矛盾沖突，需要進行多專業、各層級、全角度的協調工作。面對此類情況，以往僅僅是由設計人員通過核對標高進行資料對接，單憑經驗或想象來解決。這種工作相對繁瑣復雜，并且難免出現紕漏。

通過BIM模型的建立，可對重大工程中的復雜節點或路段進行三維化展示，通過BIM自身的可視化功能，可以將地下空間的具體情況如實準確地三維展現。只要確保原始數據的準確性，利用BIM軟件的三維展示對設計方案進行碰撞檢測，可以非常簡便有效地發現問題。同時，可以對管線碰撞檢測所生成的碰撞點進行分析研究，及時與相關設計人員進行溝通展示，提出調整修正的設計方案。

一般情況下，解決管線碰撞的常規方法就是調整管線的標高，具體的做法有整體調整和局部調整兩種方式。整體調整可以確保方案的可實施性，但當有些情況不能滿足管線整體調整的時候，可以在BIM軟件中根據避讓原則對碰撞處的管線進行局部處理調整，調整方案更直觀地展現，便于多方參與研討，提高了工作效率和專業水平。

3 借助BIM技術的管線綜合技術流程

管線綜合技術流程包括規劃目標制定，數據建模，管線綜合BIM方案（圖1）。

圖1 技術流程圖

3.1 服務對象[3]

地下管線BIM軟件的應用主要有3類服務對象：專業設計單位、建設及代建單位、政府管理部門。

專業設計單位：借助BIM軟件，構建市政管線三維模型，并進行編輯修改，實現設計優化，使設計更合理、更具可實施性。

建設及代建單位：借助BIM模型的三維展示及編輯修改功能，實現對工程建設的總體協調和過程控制。

政府管理部門：借助BIM模型應用于項目審批、審查、跟測、入庫等各個環節，提高管理效率，使管理工作更精準有序。

3.2 軟件選擇

AutoCAD Civil 3D軟件是Autodesk面向土木工程行業的建筑信息模型（BIM）解決方案。它的三維動態工程模型有助于快速完成道路工程、場地、雨水/污水排放系統以及場地規劃設計。所有曲面、橫斷面、縱斷面、標注等均以動態方式鏈接，可更快、更輕松地評估多種設計方案，做出更明智的決策并生成最新的圖紙。借助Civil 3D軟件，所有項目團隊成員都使用同一個最新模型進行工作，因此，他們可以在所有項目階段保持同步。提高三維可視化能力的集成工具可以幫助工程師清楚地溝通設計意圖，創建成功的效果圖。

InfraWorks 360是Autodesk開發的基于云的建筑信息模型（BIM）的構建軟件，具有強大優越的三維展示、查看和修改功能。

BIM軟件雖然可以為各類地下管線進行預建模，并提供設計方案，但不能將探測的地下管線物探數據或者二維設計圖紙直接轉換為相應三維模型，因此需要對BIM軟件進行二次開發。

3.3 數據建模

地下管線三維信息模型（BIM）的一般建模方法：

（1）利用物探技術對地下管線進行探測及測繪，獲取地下管線所涉及的相關屬性數據，得到所要模擬的管線信息，由探測的地下管線數據直接創建出各專業管道系統的BIM模型。

（2）在管線綜合設計圖紙的基礎上，通過定制的參數化管道和井體模型來完成各專業管道BIM模型的批量建模，建立的BIM模型可以在三維下直接修改相關的參數。

（3）利用建（構）筑物的設計資料建立BIM模型，為管線建模提供相應的參考數據。

3.4 碰撞檢測

管線及構筑物進行碰撞檢測，在三維平臺上分析，制定優化方案。若檢測后無碰撞，則將成果直接提交給建設或管理單位；若檢測后有少量碰撞，對相應節點進行局部調整；若有較多碰撞，需對整個設計方案進行調整，直至無碰撞（圖1）。

4 BIM軟件的選擇分析[1]

目前，本市市政設計領域常用的BIM軟件大致有：三維GIS平臺、Revit、管立得等。

（1） 三 維GIS平 臺：地 理 信 息 系 統（Geographic Information System或 Geo－Information System，GIS）有時又稱為“地學信息系統”。它是一種特定的十分重要的空間信息系統。市測繪院利用其自身的優勢，在它自有的“天地圖?上海”的基礎上，進行二次開發，在他們獨有的展示平臺上做三維展示。但從嚴格意義上說，該三維GIS平臺并不是BIM模型，數據對接過程比較繁瑣，還會產生部分數據丟失，并且該平臺不具備設計和施工圖出圖功能。

（2）Revit軟件：Revit是Autodesk公司一套系列軟件的名稱，是市城建院和地下院BIM中心采用的BIM軟件。Revit系列軟件是專為建筑信息模型（BIM）構建的，可幫助建筑設計師設計、建造和維護質量更好、能效更高的建筑平臺。主要應用于民用建筑設計、MEP工程設計、暖通方面，它有著非常強大的優勢。Revit軟件應用于市政管線建模時，過程復雜繁瑣，不能與其他設計軟件靈活對接。

（3）管立得軟件：管立得軟件是在鴻業市政管線軟件基礎上開發的，平面視圖管線表現為二維方式，轉換視角的管線表現為三維方式，基礎文件為CAD文件。軟件基本涵蓋了市政管線設計的全部內容，具有專業覆蓋面廣、自動化程度高、符合設計人員思維習慣等特點。管立得軟件不能和其他BIM軟件兼容。

目前市場上應用的3類BIM軟件都在各自領域中有著卓越的表現，但是都在市政地下管線設計與管理領域的應用中存在著或多或少的問題。

不管是Revit軟件還是管立得軟件，其BIM技術在地理位置精確、空間地理信息分析和構筑物周邊環境的整體展示上，都有不完善的地方。而三維GIS可以完成構筑物的地理位置定位和其空間地理分析，更能完善大場景展示，確保信息的完整性，使得瀏覽信息更全面。

三維GIS對構筑物本身的模型精度不夠，無法實現建筑單體內部的碰撞和工程量分析。而BIM模型是三維空間信息和建筑性能的集成，有助于建設工程規劃、設計等全生命周期內的信息傳遞、信息共享和協同工作等。

綜上可見，BIM主要用于管線信息的分析和管理，對后期運維和資產管理提供基本的模型和信息資料。GIS主要用于管理區域空間，分析空間地理信息數據。BIM與GIS均存在優勢與不足，只有將兩者進行優勢互補、融合開發，才能滿足BIM技術在地下管線設計與管理中的應用要求。基于前期對市場上各大設計院BIM軟件的調研比選情況，針對市政管線綜合規劃設計的工作特點，選擇在Civil 3D基礎上進行二次開發，重點內容涉及二維繪圖、三維建模和成果展示等。

二維繪圖：更好、更快地創建符合出圖標準的管線綜合二維成果圖，提高工作效率。保留CAD原有的功能和習慣，并增加自動繪圖功能，對各專業的管道進行符合設計規范的標注。

三維建模：對市政管線進行三維批量建模，可在三維模式下直接修改，并可與二維圖形達到同步。碰撞檢測，提前發現錯、漏、碰、缺等問題，減少施工中的返工和浪費。能兼容市面上主流的BIM軟件，更好地應用于地下管線管理。

成果展示：在Infraworks中導入涵蓋了建筑、河流、道路等地物的數字化城市化模型，通過BIM模型對地下市政管線進行全生命周期的三維展示、查看和修改。

5 應用實例[4]

世博A片區規劃范圍：東至白蓮涇，南至雪野路，西至上南路，北至黃浦江，規劃面積85.5 hm2。世博A片將繼承世博理念，延續地區空間格局，營造生態和諧的公共環境，容納多樣性的公共活動，成為國際知名企業總部集聚區和具有國際影響力的世界級工作社區（圖2）。

圖2 世博會地區A片區土地使用規劃圖

世博A片區的BIM模型建立在一個統一的數據平臺上，主要包括以下階段和內容。

5.1 道路數據建模

以二維CAD圖紙（含豎向標高信息）為源數據，導入Civil 3D模型軟件中，完成地面標高信息的錄入，生成曲面及放坡，根據道路形式創建路面，再將道路路面的基礎模型導入Infraworks軟件中（圖3）。

圖3 世博A片項目的道路基礎模型

圖6 世博A片項目的BIM模型碰撞檢測

5.2 地下構筑物數據建模

根據世博A片范圍內的地下室頂板、地下構筑物等數據，建立地下室頂板數據模型，并在Infraworks中對項目范圍內的道路模塊的展示進行美化。

5.3 市政管線數據建模

以二維CAD圖紙（含豎向標高信息）為源數據，將雨污水管道設計資料，以及市政管線規劃資料等，導入Civil 3D模型軟件中批量建模，并將管線基礎模型導入Infraworks軟件（圖4-圖5）。

5.4 碰撞檢測與方案調整

在常規的管線綜合中，管線碰撞等問題一般在施工圖階段或施工階段才能突現，盡早暴露此類問題，可以為后續施工的順利進行提供設計依據。

圖4 世博A片項目的BIM模型展示一

主要存在的碰撞有兩類：地下室頂板結構和雨污水支管之間的碰撞，雨污水支管和其他市政管線之間的碰撞。在Infraworks中，對博青路谷亞路及博展路谷亞路等路口有碰撞的節點進行局部調整，并在適當的地方添加井體。根據《城市工程管線綜合規劃規范》(GB50289-2016)中對管線之間的最小間距和最小覆土的相關要求，對某些節點處無法通過局部調整或整體調整的碰撞點進行梳理，并對這些節點在三維展示平臺上進行研究分析，制定針對性的調整方案（圖6）。

目前世博A片區內各地塊正在加緊建設，有些地塊基本結構封頂，即將開始內部裝修。總體來說，各建設項目均能滿足世博園區后續開發利用的要求，但建設過程中經常發生地下建筑構筑物與相鄰建筑、地下建筑構筑物與市政道路、市政道路與市政管線在標高和節點等方面的矛盾，使世博集團、設計單位、施工單位等忙于應付、被動協調。應世博集團的要求，在世博A片區管線綜合中首次利用BIM技術，經過近1年的摸索和實踐，已取得了預期效果。

6 結語

市政管線綜合是一項專業性極強的規劃設計工作，它需要統籌考慮城市規劃、交通組織、管線設計、施工工藝、工程籌劃及經濟性等多方面因素，而且特定區域的管線綜合在平面上、豎向上均增加許多復雜性，因此充分發揮管線綜合的統籌協調作用，并在工程的前期籌劃、工程施工各個節點的配合直到工程的竣工貫穿始終，這樣才能達到減少影響、縮短工期和降低造價的效果。因此，將BIM技術應用于地下管線的設計和管理中，應用價值明顯，優勢突出，前景廣闊, 同時將BIM技術與GIS平臺進行優勢互補、融合開發，才能滿足BIM技術在地下管線設計與管理中的應用要求。由于面對的是地下管線設計和管理全生命周期的應用，下一步需要提出整合各類管線數據資源，建立開放的應用平臺以及流程管理機制等具體措施。

圖5 世博A片項目的BIM模型展示二

References

[1]徐崢，蔡維娜. BIM技術在地下管線設計與管理中的應用試點[R]. 2017.

XU Zheng, CAI Weina. Application pilot of BIM technology in underground pipeline design and management[R]. 2017.

[2]淺析BIM技術在建筑設計中的應用[EB/OL].https://wenku.baidu.com/view/4756adcfd1d233d4 b14e852458fb770bf68a3b58.html.

Analysis on the application of BIM technology in the design of building equipment[EB/OL].https://wenku.baidu.com/view/4756adcfd1d233d4b14e85 2458fb770bf68a3b58.html.

[3]BIM的特點和作用[EB/OL]. https://wenku.baidu.com/view/7141b68255270722192ef7df.html.

Characteristics and value of BIM[EB/OL].https://wenku.baidu.com/view/7141b68255270722192ef7df.html.

[4]黃浩，王一超. 世博A片區市政管線綜合及BIM研究[R]. 2017.

HUANG Hao, WANG Yichao. Study on comprehensive and BIM of municipal pipeline in Expo A District[R]. 2017.

Research on BIM Technology Application in Pipeline Synthesis

HUANG Hao

In order to better implement the Shanghai Construction Project 3D Approval and Approval Management by Shanghai Planning and Land Resources Administration Bureau, this paper discusses how to improve the accuracy of underground pipeline from detection to design with BIM technology. Early detection and timely solution in the project design stage and shown in a more intuitive way can lay the good foundation for the subsequent engineering construction, and can also be used in the planning and management of underground pipeline.Based on the technical features of visualization, traceability, inheritance and imitability, BIM is applied in the whole process of the major municipal engineering construction.The establishment and implementation of BIM delivery and implement standards, the construction of a visual engineering information collaborative management platform based on BIM and GIS, the realization of the visual decisionmaking of the construction management and information sharing, can contribute to enhance project quality, speed up the process and improve safety management level. When the project is completed, the delivery of BIM model and data base including the information of design, construction and equipment can provide the data basis for maintenance and operation of the major engineering project.

BIM | Collision detection | Visualization | Data model

1673-8985（2017）04-0128-05

TU981

A

黃 浩

上海營邑城市規劃設計股份有限公司工程師