基于iS3的綜合管廊施工智慧管理系統(tǒng)應(yīng)用

楊黨鋒

（1.西安理工大學(xué)，陜西 西安 710048；2.中國電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065）

綜合管廊是指在城市道路下面建造一個(gè)將電力、通信、供水、燃?xì)獾榷喾N市政管線集中在一體的市政共用隧道，實(shí)行“統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一建設(shè)、統(tǒng)一管理”，以做到地下空間的綜合利用和資源的共享［1］。綜合管廊建設(shè)的推進(jìn)，能夠有效解決城市道路反復(fù)開挖的“馬路拉鏈”和市政管線損毀事故頻發(fā)等問題，同時(shí)可以保障地下管線的安全運(yùn)行，提升工程建設(shè)的管理水平，改善城市的整體環(huán)境［2］。近年來國務(wù)院高度重視推進(jìn)城市地下綜合管廊建設(shè)，在2014～2016年間，連續(xù)下發(fā)《關(guān)于加強(qiáng)城市地下管線建設(shè)管理的指導(dǎo)意見》和《關(guān)于推進(jìn)城市地下綜合管廊建設(shè)的指導(dǎo)意見》等多個(gè)文件，明確提出為適應(yīng)現(xiàn)代化城市建設(shè)需要，把地下綜合管廊建設(shè)作為完善城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要內(nèi)容，全面推動(dòng)地下綜合管廊建設(shè)［3］。

城市地下綜合管廊空間斷面設(shè)計(jì)復(fù)雜，納入管線種類多，在施工過程中具有施工組織復(fù)雜、工程量大、項(xiàng)目工程管理難度大等特點(diǎn)，在工程進(jìn)度、成本、安全、質(zhì)量等綜合管理方面均存在困難，傳統(tǒng)施工管理模式已無法滿足綜合管廊快速發(fā)展的需求。采用BIM技術(shù)，結(jié)合基礎(chǔ)設(shè)施智慧管理系統(tǒng)（iS3）理念［4］輔助綜合管廊施工，深層利用BIM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)施工過程的動(dòng)態(tài)可視化顯示和施工方案的比選，解決項(xiàng)目施工過程中系統(tǒng)間的“信息斷層”等問題，從而避免重復(fù)勞動(dòng)，提高施工效率，同時(shí)可對(duì)綜合管廊施工階段工程進(jìn)度、成本、安全、質(zhì)量等進(jìn)行集成管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程進(jìn)度、質(zhì)量、安全及資源配置的綜合管控。

1 BIM技術(shù)應(yīng)用

BIM應(yīng)用不僅局限于設(shè)計(jì)階段，而是貫穿整個(gè)項(xiàng)目的全生命周期，BIM研究的目標(biāo)是從根本上解決項(xiàng)目規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維管理各階段及應(yīng)用系統(tǒng)之間的信息斷層，實(shí)現(xiàn)全過程工程管理、信息管理乃至全生命周期管理［5］。

BIM技術(shù)具有三維可視化、可調(diào)整更新、可模擬分析等功能和優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用于地下基礎(chǔ)設(shè)施工程中會(huì)給工程建設(shè)帶來革命性的變化［6］。地下綜合管廊的服務(wù)目標(biāo)和對(duì)象是管廊中的各類專業(yè)管線，如何將這些紛繁復(fù)雜的分屬于不同權(quán)屬單位、不同使用要求的管線納入一個(gè)經(jīng)濟(jì)合理的有限空間，是設(shè)計(jì)、施工的難點(diǎn)，而BIM技術(shù)的應(yīng)用將有效的解決這些問題。但目前國內(nèi)BIM技術(shù)的應(yīng)用還僅停留在某一個(gè)或某幾個(gè)建設(shè)項(xiàng)目的局部建設(shè)過程中，沒有做到在工程建設(shè)的全生命周期連續(xù)應(yīng)用，BIM技術(shù)的研究和應(yīng)用也尚未形成一套完整的技術(shù)體系［7］。

2 基礎(chǔ)設(shè)施智慧管理系統(tǒng)“iS3”簡(jiǎn)介

近年來，國內(nèi)外眾多知名學(xué)者基于GIS技術(shù)在地下工程數(shù)字化和智慧化領(lǐng)域開展了一系列的研究工作。如2003年弗吉尼亞理工大學(xué)開展AMADEUS研究計(jì)劃，英國劍橋大學(xué)和帝國理工大學(xué)2008年聯(lián)合開展了一項(xiàng)智能基礎(chǔ)設(shè)施研究計(jì)劃，美國Bentley和Autodesk等著名軟件開發(fā)商借助成熟的商業(yè)平臺(tái)進(jìn)行的一系列智慧工程研究計(jì)劃等［8］，然而這一系列的研究?jī)H實(shí)現(xiàn)了對(duì)地理信息數(shù)據(jù)的采集、儲(chǔ)存、處理、管理等功能，并沒有與BIM技術(shù)結(jié)合，也沒有實(shí)現(xiàn)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而輔助業(yè)主對(duì)工程項(xiàng)目的建設(shè)、運(yùn)營狀態(tài)進(jìn)行決策的功能。同濟(jì)大學(xué)提出的基礎(chǔ)設(shè)施智慧管理系統(tǒng)“iS3”（infrastructure Smart Service System）［4］，是針對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施工程全生命周期數(shù)據(jù)的采集、處理、表達(dá)、分析于一體化的智慧管理系統(tǒng)，如圖1、2所示，可實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)、運(yùn)維期的一體化分析與管理，該系統(tǒng)可以深層次地采集、處理、表達(dá)、分析各類工程信息，支持動(dòng)態(tài)可視化的模型及施工方案表達(dá)［9］，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程進(jìn)度、質(zhì)量、安全及資源的綜合智慧管控。

圖1 基礎(chǔ)設(shè)施智慧管理系統(tǒng)（iS3）功能圖

圖2 基礎(chǔ)設(shè)施智慧管理系統(tǒng)（iS3）構(gòu)架圖

3 “iS3”在綜合管廊中的應(yīng)用思路

綜合管廊施工管理系統(tǒng)的研發(fā)以iS3數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，分為B／S架構(gòu)和C／S架構(gòu)，首先創(chuàng)建iS3技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，包括數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)傳遞標(biāo)準(zhǔn)及iS3標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫，該標(biāo)準(zhǔn)貫穿整個(gè)iS3應(yīng)用的項(xiàng)目流程，能有效地指導(dǎo)綜合管廊施工中的工程信息采集、處理、傳遞等iS3應(yīng)用流程；其次利用三維建模軟件對(duì)綜合管廊的施工模型進(jìn)行重構(gòu)，最后構(gòu)建工程項(xiàng)目管理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)管廊施工數(shù)據(jù)采集、施工安全與風(fēng)險(xiǎn)、進(jìn)度、質(zhì)量、計(jì)劃等技術(shù)與管理水平的提升，基于iS3的綜合管廊施工管理系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 基于iS3的綜合管廊施工管理系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

3.1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理標(biāo)準(zhǔn)化

通過對(duì)綜合管廊施工期各階段的數(shù)據(jù)進(jìn)行基本特征分析，提出標(biāo)準(zhǔn)化綜合管廊施工期的思路和模式，通過歸納數(shù)據(jù)信息結(jié)構(gòu)層次，建立統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，為綜合管廊施工期的數(shù)字化及智慧化提供依據(jù)。

3.2 基于iS3的可視化工程管理

在iS3的數(shù)據(jù)層內(nèi)建立圖形對(duì)象索引管理機(jī)制，對(duì)二維和三維圖形對(duì)象進(jìn)行索引管理。在系統(tǒng)中進(jìn)行施工組織管理的WBS創(chuàng)建時(shí)，可以將其與圖形進(jìn)行索引掛接，從而實(shí)現(xiàn)圖形對(duì)象和施工過程信息的關(guān)聯(lián)。通過錄入到系統(tǒng)內(nèi)的施工計(jì)劃、進(jìn)度等數(shù)據(jù)對(duì)圖形對(duì)象進(jìn)行管理和驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了4D模型（三維空間信息附加時(shí)間維度）的直觀、便捷的可視化過程管理。

3.3 信息管理和信息應(yīng)用相結(jié)合

系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、表現(xiàn)層分離的形式，實(shí)現(xiàn)了面向服務(wù)的系統(tǒng)架構(gòu)。由服務(wù)層提供系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理的應(yīng)用服務(wù)，進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型管理，在數(shù)據(jù)層采用分布式數(shù)據(jù)庫保證了海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理，表現(xiàn)層則采用桌面端、網(wǎng)頁端、移動(dòng)端等多種形式進(jìn)行數(shù)據(jù)表達(dá)。通過建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了信息的標(biāo)準(zhǔn)化的共享和集成，為工程的全生命周期管理提供了支持。

3.4 施工管理向運(yùn)維管理平滑過渡

iS3系統(tǒng)平臺(tái)是基于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的信息管理平臺(tái)，其服務(wù)的對(duì)象是基礎(chǔ)設(shè)施全生命周期的各個(gè)環(huán)節(jié)。系統(tǒng)提供了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)服務(wù)，將施工階段和運(yùn)維階段的工程數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)協(xié)議存儲(chǔ)為標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)模型，使用戶可以無損的存儲(chǔ)和調(diào)用各個(gè)階段的數(shù)據(jù)，從而使施工階段的數(shù)據(jù)可以無縫對(duì)接到運(yùn)維階段，實(shí)現(xiàn)了施工管理向運(yùn)維管理的平滑過渡，為運(yùn)維管理提供了數(shù)據(jù)保障。

4 “iS3”綜合管廊施工管理平臺(tái)建設(shè)

基于“iS3”的綜合管廊施工全過程管理系統(tǒng)具有基礎(chǔ)信息管理、施工進(jìn)度管理、施工質(zhì)量與安全管理三大模塊，可實(shí)現(xiàn)了綜合管廊施工全過程的一體化、可視化管理，提高工程建設(shè)的管理信息化水平，其功能構(gòu)架圖如圖4所示：

圖4 綜合管廊施工管理系統(tǒng)構(gòu)架圖

4.1 基礎(chǔ)信息管理

將綜合管廊BIM模型進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)管廊模型的二、三維可視化，將其與相關(guān)工程信息關(guān)聯(lián)，如圖5所示，系統(tǒng)可將工程相關(guān)的各類信息及資料包含勘察、設(shè)計(jì)、施工、質(zhì)量、管理文檔等各類文檔進(jìn)行管理，然后與工程對(duì)象進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)信息的快速檢索查詢功能，如圖6所示。

圖5 BIM模型可視化與信息關(guān)聯(lián)顯示

圖6 綜合管廊信息查詢

4.2 施工進(jìn)度管理

基于系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)MS Project和XML等工程進(jìn)度計(jì)劃文件展示功能，實(shí)現(xiàn)施工進(jìn)度和資源等信息的接入和顯示功能，將BIM模型與WBS進(jìn)度信息有效地進(jìn)行掛接，圖7所示，創(chuàng)建WBS進(jìn)度計(jì)劃，同時(shí)提供施工過程5D動(dòng)態(tài)模擬，如圖8、9所示，并將實(shí)際進(jìn)度狀態(tài)可視化顯示。

圖7 施工計(jì)劃、進(jìn)度和資源信息創(chuàng)建編輯

對(duì)施工實(shí)際進(jìn)度進(jìn)行錄入和跟蹤，設(shè)定項(xiàng)目任務(wù)工期的時(shí)間目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)相關(guān)信息的查詢與提醒功能，同時(shí)可根據(jù)需要對(duì)指定時(shí)間段內(nèi)任意WBS節(jié)點(diǎn)的施工進(jìn)度進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目整個(gè)施工過程的4D可視化模擬，驗(yàn)證施工方案的合理性。

4.3 施工質(zhì)量與安全管理

將施工圖、施工方案、操作流程等施工資料與BIM模型關(guān)聯(lián)，同時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量安全問題等信息直接關(guān)聯(lián)到BIM模型，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量安全信息的顯示與預(yù)警功能，最終實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量安全問題的閉環(huán)管理，如圖10所示。

圖8 綜合管廊5D施工進(jìn)度計(jì)劃對(duì)比

圖9 綜合管廊5D施工工藝模擬

圖10 綜合管廊施工質(zhì)量與安全管理

5 結(jié)語

基于“iS3”理念，結(jié)合BIM、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)，構(gòu)建了準(zhǔn)確、動(dòng)態(tài)、高效的城市地下綜合管廊施工管理系統(tǒng)，為城市綜合管廊的現(xiàn)場(chǎng)施工管理提供技術(shù)支持，降低施工成本，提高施工質(zhì)量，保障施工安全。

該平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)施工各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的新技術(shù)和新設(shè)備的協(xié)同建設(shè)和無縫銜接，通過數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的建立，實(shí)現(xiàn)信息共享，通過對(duì)施工過程數(shù)據(jù)的分析，現(xiàn)綜合管廊施工過程中施工、進(jìn)度、安全、質(zhì)量、成本等護(hù)信息的高度集成與綜合分析；通過4D可視化模擬和安全分析提高了施工安全、施工管理水平和工作效率。該平臺(tái)的應(yīng)用可促進(jìn)綜合管廊施工過程的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，提高工程建設(shè)的管理信息化水平，使結(jié)構(gòu)及設(shè)施設(shè)備維護(hù)更加有據(jù)可依，同時(shí)也為智慧城市的實(shí)現(xiàn)提供基礎(chǔ)平臺(tái)，為智慧城市建設(shè)探索道路。

［1］白海龍.城市綜合管廊發(fā)展趨勢(shì)研究［J］.中國市政工程，2015（06）：78-81+95.

［2］劉延宏.基于BIM+GIS技術(shù)的鐵路橋梁工程管理應(yīng)用研究［J］.交通世界（運(yùn)輸.車輛），2015（09）：30-33.

［3］張婕.淺談BIM技術(shù)在綜合管廊建設(shè)和運(yùn)維中的應(yīng)用［J］.廣東技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2016（11）：67-69.

［4］朱合華，武威，李曉軍，等.基于iS3平臺(tái)的巖體隧道信息精細(xì)化采集、分析與服務(wù)［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2017（10）：2350-2364.

［5］王能林，汪小東，張欣，等.BIM技術(shù)在市政綜合管廊建設(shè)運(yùn)營中的應(yīng)用探究［J］.建筑施工，2016，38（10）：1486-1488.

［6］李飛.BIM技術(shù)在地下綜合管廊施工階段的應(yīng)用［D］.長春工程學(xué)院，2017.

［7］尚江山.BIM在市政綜合管廊設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.科技與企業(yè)，2016（09）：159.

［8］涂揚(yáng)舉.建設(shè)智慧企業(yè)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)管理［J］.清華管理評(píng) 論，2016（10）：29-37.