基于Bentley的BIM技術(shù)在綜合管廊工程的應(yīng)用

黃文歡,劉 慧,劉厚全

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,湖北 武漢 430063；2.湖北大學(xué) 藝術(shù)學(xué)院,湖北 武漢 430062)

0 引 言

近年來,隨著全國各地降雨量的增加，管線泄漏、爆炸、地面塌陷等事故的頻發(fā),管道安全問題已不容忽視[1]。綜合管廊涉及消防、供電,照明、排水等多種市政公用設(shè)施,是保障社會生產(chǎn)和居民生活的重要基礎(chǔ)設(shè)施。為解決管線建設(shè)規(guī)模小、管理水平低等問題,并進(jìn)一步發(fā)揮綜合管廊在保障民生、擴(kuò)大投資等項(xiàng)目中的作用,應(yīng)進(jìn)一步推進(jìn)綜合管廊的部署建設(shè)[2]。

文獻(xiàn)[3]提出一種城市地下綜合管廊規(guī)劃布局方法,該方法通過分析確定城市綜合管廊建設(shè)過程中的影響因子,結(jié)合層次分析法構(gòu)建評價(jià)指標(biāo)體系,合理規(guī)劃管廊選線，在此基礎(chǔ)上,結(jié)合城市功能結(jié)構(gòu)、管線功能對管廊設(shè)施進(jìn)行系統(tǒng)布局,實(shí)現(xiàn)城市地下綜合管廊的綜合規(guī)劃。文獻(xiàn)[4]根據(jù)城市綜合管廊規(guī)劃概況和不同類型管線的功能特性，設(shè)計(jì)其銜接方式,保證綜合管廊的布局與管線、道路相協(xié)調(diào),并預(yù)留出重要節(jié)點(diǎn)、確定配套設(shè)施,從總體規(guī)劃、專項(xiàng)規(guī)劃和控制規(guī)劃3個層面實(shí)現(xiàn)綜合管廊的建設(shè)。然而因綜合管廊工程過程復(fù)雜、規(guī)劃量較大,上述2種方法難以實(shí)現(xiàn)全周期的監(jiān)管,導(dǎo)致工程建設(shè)管理效果難以與工程進(jìn)度有效結(jié)合。文獻(xiàn)[5]提出一種基于三維激光掃描技術(shù)的地下綜合管廊規(guī)劃方法,該方法利用三維激光掃描設(shè)備實(shí)景測量管廊的節(jié)點(diǎn)部位,將采集到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Cyclone軟件中,并通過數(shù)據(jù)去噪、拼接等處理建立實(shí)景模型,實(shí)現(xiàn)施工建設(shè)過程的規(guī)劃和管理。文獻(xiàn)[6]提出一種城市綜合管廊安全運(yùn)行規(guī)劃管理方法,結(jié)合綜合管廊的建設(shè)與管理現(xiàn)狀,在總結(jié)影響綜合管廊安全運(yùn)行因素的基礎(chǔ)上,從設(shè)計(jì)規(guī)范、安全指標(biāo)等詳細(xì)規(guī)劃了綜合管廊的設(shè)計(jì)方案,針對不同用途的管線設(shè)計(jì)不同連接、管理方式,并提出管廊安全運(yùn)行管理措施,實(shí)現(xiàn)城市綜合管廊的安全運(yùn)行。然而文獻(xiàn)[5-6]在施工和設(shè)計(jì)中的應(yīng)用效果較好,卻難以實(shí)現(xiàn)整體規(guī)劃和運(yùn)行維護(hù),應(yīng)用范圍較小。

BIM技術(shù)是一種多維模型信息集成技術(shù),該技術(shù)可以通過大量數(shù)據(jù)表達(dá)物體或工程的物理特征與功能信息,將其應(yīng)用于工程項(xiàng)目的規(guī)劃、勘察、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營維護(hù)當(dāng)中,可以實(shí)現(xiàn)信息化管理[7]。因BIM獨(dú)特的優(yōu)化設(shè)計(jì)能力,使其在生產(chǎn)力、工作效率、質(zhì)量與安全性方面都具有極大的競爭力。綜合管廊工程過程復(fù)雜、工程量巨大,若想實(shí)現(xiàn)該工程的全程設(shè)計(jì)監(jiān)督,則采用BIM技術(shù)更為適合。

目前,相關(guān)專家對大范圍土地綜合建模的研究越發(fā)重視,本文研究的萬頃沙開發(fā)項(xiàng)目與綜合管廊項(xiàng)目就屬于該研究范疇。傳統(tǒng)的大范圍土地綜合建模方法,如文獻(xiàn)[8]提出基于Revit綜合管廊三維建模二次開發(fā)應(yīng)用方法,將Revit作為創(chuàng)建信息化模型的平臺,根據(jù)構(gòu)件特性創(chuàng)建綜合管廊構(gòu)件信息數(shù)據(jù)庫,用于直接調(diào)取所需的構(gòu)件創(chuàng)建,在此基礎(chǔ)上,創(chuàng)建基于Revit平臺的綜合管廊模塊,結(jié)合不同函數(shù)編寫程序設(shè)計(jì)可視化建模、施工安全管理、后期運(yùn)營管理等模塊,實(shí)現(xiàn)對綜合管廊模型的快速設(shè)計(jì)，然而該方法的定位精度較差,難以為后續(xù)的施工管理和狀態(tài)監(jiān)控提供支持。文獻(xiàn)[9]提出BIM在綜合管廊全生命周期智慧管控中的應(yīng)用方法,將BIM技術(shù)引入綜合管廊全生命周期的設(shè)計(jì)階段、施工建設(shè)階段和運(yùn)維階段等過程,利用虛擬三維的思維方式,通過多維信息集成對綜合管廊全生命周期實(shí)施數(shù)字化、互動化、可控化管控。然而該方法的細(xì)節(jié)處理量較小,導(dǎo)致建模效果較差。文獻(xiàn)[10]提出BIM技術(shù)在綜合管廊設(shè)計(jì)施工全過程中的應(yīng)用方法,以城市副中心綜合管廊工程為研究對象,設(shè)計(jì)BIM技術(shù)在綜合管廊設(shè)計(jì)階段和施工階段的應(yīng)用方法,在實(shí)現(xiàn)綜合管廊管線、主體結(jié)構(gòu)的同步設(shè)計(jì)的同時,將施工階段的效益最大化,并實(shí)現(xiàn)綜合管廊的可視化化建設(shè)、互動運(yùn)營和管理。文獻(xiàn)[11]提出基于BIM技術(shù)的城市地下綜合管廊可視化設(shè)計(jì)方法,針對城市地下綜合管廊的特點(diǎn),從總體設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)、后期維護(hù)3個角度進(jìn)行管廊工程綜合規(guī)劃,結(jié)合三維可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)對綜合管廊的三維建模、施工監(jiān)管和運(yùn)行監(jiān)控。但文獻(xiàn)[10-11]方法的運(yùn)行時間較長,效率較低,應(yīng)用效果較差。

為此,本研究選取某萬頃沙地塊,在該范圍內(nèi)對綜合管廊進(jìn)行了全方位的BIM設(shè)計(jì)。主要建設(shè)內(nèi)容包括綜合管廊主體及其附屬設(shè)施,綜合管廊主體包括為主體標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)、投料口、通風(fēng)口、集水坑、排水口等節(jié)點(diǎn),附屬設(shè)施包括綜合管廊配套的消防系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)等工程。本研究從多角度進(jìn)行分析設(shè)計(jì),應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行平臺搭建與模型建設(shè)對該工程進(jìn)行研究。

1 信息化管理平臺建設(shè)

由于BIM技術(shù)大多應(yīng)用于大規(guī)模土地綜合模型建設(shè),因此要想完成相關(guān)模型的設(shè)計(jì),需要先對BIM的信息化管理平臺進(jìn)行建設(shè)。信息化管理平臺的建設(shè)分為硬件平臺、軟件程序兩部分,并且需要模型中各專業(yè)組的積極配合才能實(shí)現(xiàn)[12]。

硬件平臺主要包括實(shí)地檢測裝備與電腦綜合評估。實(shí)地檢測裝備主要分為定位裝置與移動裝置,定位裝置通過衛(wèi)星進(jìn)行定位,并可以通過衛(wèi)星定位評估概括出該沙地粗略模型;而移動裝置可以通過人為實(shí)地檢測來對該地進(jìn)行更加精細(xì)地分析。二者相結(jié)合得出的綜合性數(shù)據(jù)會傳輸給電腦綜合性評估設(shè)備,用于評估出綜合管廊工程中相對較優(yōu)的施工區(qū)域,進(jìn)而幫助各部門專業(yè)工作組進(jìn)行施工[13]。

軟件程序采用與多家軟件公司進(jìn)行合作的方式獲得相關(guān)軟件的使用權(quán)，并對相關(guān)工作人員進(jìn)行培訓(xùn),通過專家系統(tǒng)和具體分工統(tǒng)計(jì)構(gòu)成綜合性信息化管理平臺[14]。目前,平臺各專業(yè)工作組主要應(yīng)用的軟件及相關(guān)工作內(nèi)容如表1所示。

表 1 各部門專業(yè)應(yīng)用軟件歸納表Tab.1 Table of professional application softwares for each department

以上4個專業(yè)組構(gòu)成了基于BIM技術(shù)的綜合性信息化管理平臺的基本機(jī)構(gòu),其中工藝專業(yè)組主要負(fù)責(zé)管廊項(xiàng)目的三維模型的平、縱、橫設(shè)計(jì),對萬頃沙地的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體規(guī)劃設(shè)計(jì)和數(shù)值估算,然后對綜合管廊的主體結(jié)構(gòu)中的投料偶、通風(fēng)口、集水坑、排水口與附屬設(shè)施中的消防系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)等結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)規(guī)劃設(shè)計(jì),再將規(guī)劃結(jié)果交予結(jié)構(gòu)專業(yè)組、電力專業(yè)組與排水專業(yè)組。其中,結(jié)構(gòu)專業(yè)組主要負(fù)責(zé)投料口、通風(fēng)口、集水與排水口的整體鋼筋結(jié)構(gòu)的詳細(xì)搭建與設(shè)計(jì),這是綜合管廊項(xiàng)目開發(fā)的基礎(chǔ)工作[15]。電力專業(yè)組主要負(fù)責(zé)對各標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)與提供電力設(shè)備的設(shè)計(jì)與安裝,保障相關(guān)電力管線與支架安裝的安全性。排水專業(yè)主要負(fù)責(zé)集水坑、排水口與排水系統(tǒng)的建設(shè)與監(jiān)督。由于綜合管廊項(xiàng)目繁雜,各管道線路進(jìn)出水的正常使用十分重要。

在信息化管理平臺中,由工藝專業(yè)組進(jìn)行設(shè)計(jì)、修改、更新模型,其余專業(yè)組只需更新參考模型和圖紙信息,無需做大量的修圖工作,各專業(yè)組工作完成后,由工藝專業(yè)對模型進(jìn)行整合,分工明確且效率高[16]。

各工作組合理分配完成相關(guān)任務(wù),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)萬頃沙開發(fā)項(xiàng)目綜合管廊工程的信息化管理平臺建設(shè)。

2 模型結(jié)構(gòu)與應(yīng)用分析

通過BIM技術(shù)對萬頃沙開發(fā)項(xiàng)目綜合管廊工程信息化管理平臺進(jìn)行了初步建設(shè),在此基礎(chǔ)上,本研究將對綜合管廊工程進(jìn)行整體建模,對模型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹與分析。模型的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該部分綜合管廊為雙艙室結(jié)構(gòu), 分為綜合艙和燃?xì)馀?部分。 每個艙室各設(shè) 22 個防火分區(qū)， 以每個防火分區(qū)為一個設(shè)計(jì)單位的原則, 在每個設(shè)計(jì)單元內(nèi)按要求設(shè)置消防、 通風(fēng)、 排水、 照明、 監(jiān)控、 報(bào)警等附屬設(shè)施, 納入綜合管廊的管線有給水、 電力、 通信、 燃?xì)?類管線, 共同構(gòu)成綜合管廊的整體管線結(jié)構(gòu)[17]。

在該部分設(shè)計(jì)中,綜合管廊工藝專業(yè)組主要負(fù)責(zé)完成管廊的節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)段以及平縱橫面的相關(guān)設(shè)計(jì)工作[18]。節(jié)點(diǎn)位于標(biāo)準(zhǔn)端,即上述提到的22個防火區(qū)的相關(guān)區(qū)域,一個設(shè)計(jì)單元為1個節(jié)點(diǎn),2個節(jié)點(diǎn)之間的間距即為標(biāo)準(zhǔn)端,節(jié)點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)端的位置選取并不是針對同一數(shù)據(jù)進(jìn)行定位,而是根據(jù)實(shí)際情況與地形區(qū)域，將選取數(shù)據(jù)固定于某一范圍區(qū)域中。對綜合管廊工程中的平縱橫面進(jìn)行設(shè)計(jì)主要應(yīng)用Openroads Desinger軟件，首先通過該軟件導(dǎo)入道路中心線,然后采用交點(diǎn)法和積木法進(jìn)行平縱面相關(guān)設(shè)計(jì)。積木法是優(yōu)先確定關(guān)鍵位置關(guān)鍵線形,通過連接工具將不同的線元連接,得到貫通的一套路線。而交點(diǎn)法是通過設(shè)置曲線參數(shù)和線路轉(zhuǎn)點(diǎn)的方式快速定義路線的設(shè)計(jì)方法[19]。通過Openroads Desinger軟件進(jìn)行模型線管結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)節(jié)省了大量的時間并且提升了效率,但是根據(jù)實(shí)際情況的不同可能會出現(xiàn)誤差,因此針對軟件的二次開發(fā)最好裝備實(shí)地勘測系統(tǒng)來替代自身填補(bǔ)系統(tǒng),這樣能夠更加貼近實(shí)際情況并且減少誤差的產(chǎn)生[20]。

綜合管廊結(jié)構(gòu)專業(yè)組主要負(fù)責(zé)完成管廊結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段與通風(fēng)口節(jié)點(diǎn)的建模配筋設(shè)計(jì)工作,該專業(yè)組主要應(yīng)用了信息化綜合平臺中的ProStructures軟件,該軟件具有較強(qiáng)的三維設(shè)計(jì)功能,能夠精確繪制三維鋼筋,并且能開發(fā)出圖像設(shè)計(jì)與算法模塊。在Bentley平臺2大核心功能模板的輔助下,可使得三維鋼筋結(jié)構(gòu)的制圖過程更加智能、高效。該軟件可以智能、快速地繪制三維鋼筋結(jié)構(gòu),對于復(fù)雜的節(jié)點(diǎn),鋼筋三維展示功能讓結(jié)構(gòu)中鋼筋布置清晰可見。相比較目前主流應(yīng)用的CAD軟件,該軟件應(yīng)用起來更加方便,為綜合管廊行業(yè)全面實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)提供支持[21-22]。

電力專業(yè)組主要負(fù)責(zé)電力管線的安放與支架的銜接,在該過程中主要應(yīng)用信息化綜合平臺中的Microstation軟件,該軟件會對綜合管廊工程中的投料口、通風(fēng)口、照明系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)的電力提供管線安裝設(shè)計(jì),對該三維模型中的電力提供結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與修改[23]。

給排水工作組主要負(fù)責(zé)入廊管線的設(shè)計(jì),主要應(yīng)用了信息化綜合平臺中的Microstation軟件進(jìn)行入廊管線的預(yù)安放設(shè)計(jì),對該三維模性中的入廊管線進(jìn)行精確的安放,以達(dá)到對綜合管廊工程中排水系統(tǒng)的合理安裝。

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 環(huán)境參數(shù)

為檢測基于Bentley的BIM技術(shù)在萬頃沙開發(fā)項(xiàng)目綜合管廊工程中發(fā)揮的作用,設(shè)計(jì)如下對比實(shí)驗(yàn),從定位精準(zhǔn)性、細(xì)節(jié)信息處理量和運(yùn)行時間3個角度,將本文所提方法與文獻(xiàn)[8]中的基于Revit綜合管廊三維建模二次開發(fā)應(yīng)用方法，文獻(xiàn)[9]中的 BIM 在綜合管廊全生命周期智慧管控中的應(yīng)用方法，文獻(xiàn)[10]中的BIM技術(shù)在綜合管廊設(shè)計(jì)施工全過程中的應(yīng)用方法進(jìn)行對比,比較不同方法的應(yīng)用有效性。萬頃沙開發(fā)項(xiàng)目綜合管廊工程總長 5.2 km,施工時間3個月,統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)30組,結(jié)果采用專家評估,仿真平臺為Matlab,數(shù)據(jù)處理使用SPSS軟件。

3.2 結(jié)論與分析

圖 2 不同方法定位精確性對比Fig.2 Comparison of positioning accuracy of different methods

從圖2可知,隨著實(shí)驗(yàn)組數(shù)的增多,不同方法的定位精確性也在發(fā)生變化。文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]方法的定位精確性較為接近,且基本保持在82%～87%之間,文獻(xiàn)[8]方法的定位精確性較小,保持在80%上下。相比之下,本文方法的定位精確性較高,最高可達(dá)到92%。這是因?yàn)楸疚姆椒ㄏ碌腂IM技術(shù)通過人力設(shè)備與衛(wèi)星定位相結(jié)合的方式對綜合信息化處理平臺進(jìn)行設(shè)計(jì),2種定位過程相互彌補(bǔ),提高了基于Bentley的BIM技術(shù)在該項(xiàng)目中的定位精確性。

3.2.2 細(xì)節(jié)信息處理量對比 利用BIM技術(shù)對綜合管廊工程進(jìn)行設(shè)計(jì)時需對模型和工程的細(xì)節(jié)信息進(jìn)行處理,細(xì)節(jié)信息處理量能夠反映不同方法的建模效果和精度。為驗(yàn)證不同方法的有效性,從角度細(xì)節(jié)信息處理量對不同方法進(jìn)行測試,結(jié)果由SPSS軟件自動統(tǒng)計(jì),對比結(jié)果如圖3所示。

圖 3 不同方法細(xì)節(jié)信息處理量對比Fig.3 Comparison of processing amount of detail information by different methods

從圖3可知,隨著實(shí)驗(yàn)組數(shù)的增多,不同方法的細(xì)節(jié)信息處理量也在發(fā)生變化。文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[10]方法的細(xì)節(jié)信息處理量較為接近,保持在600～750個之間,文獻(xiàn)[9]方法的細(xì)節(jié)信息處理量雖然程序上升趨勢,但數(shù)量較少,最多的細(xì)節(jié)信息處理量僅為600個。相比之下,本文方法的細(xì)節(jié)信息處理量較高,最多可達(dá)到880個。

3.2.3 運(yùn)行時間對比 萬頃沙開發(fā)項(xiàng)目綜合管廊工程不僅對工程細(xì)節(jié)要求較高,工程效率也是衡量工程質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。因此,測試不同方法下的建筑信息模型對某一指令的運(yùn)行時間隨工程進(jìn)度的變化情況,通過運(yùn)行時間反映不同方法的運(yùn)行效率,時間數(shù)據(jù)由Matlab仿真平臺智能統(tǒng)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖 4 不同方法運(yùn)行時間對比Fig.4 Comparison of running time of differentmethod

從圖4可知,隨著工程進(jìn)度的推進(jìn),不同方法對某一指令的運(yùn)行時間也在發(fā)生變化。文獻(xiàn)[8]方法在開始時耗時增加緩慢,當(dāng)工程進(jìn)度超過40%后耗時加快。文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]方法的運(yùn)行時間在工程開始時耗時呈線性增加趨勢,當(dāng)工程進(jìn)度超過65%后,文獻(xiàn)[10]比文獻(xiàn)[9]的耗時少。相比之下,本文方法的運(yùn)行時間為最少。

綜上所述,基于Bentley的BIM技術(shù)在萬頃沙開發(fā)項(xiàng)目綜合管廊工程中的應(yīng)用方法具有較高的定位精確性、細(xì)節(jié)信息處理量大且運(yùn)行耗時較少,具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢。

4 結(jié) 語

將基于Bentley的BIM技術(shù)應(yīng)用于萬頃塊開發(fā)項(xiàng)目綜合管廊工程中,并設(shè)計(jì)一種新的應(yīng)用方法,相較于傳統(tǒng)的應(yīng)用方法來說,新方法在設(shè)計(jì)上更加立體方便,管道模型設(shè)計(jì)分工更加詳細(xì)具體,應(yīng)用該方法構(gòu)成的信息化綜合平臺綜合管廊工程的設(shè)計(jì)與施工提供了巨大的支持。

研究中還發(fā)現(xiàn),實(shí)地檢測過程中,將衛(wèi)星定位評估與移動裝置實(shí)地測量相結(jié)合,能夠更準(zhǔn)確對萬頃沙地塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和建模;在信息化管理過程中,通過由專業(yè)組對綜合管廊模型進(jìn)行設(shè)計(jì)、修改和更新,其余組別負(fù)責(zé)根據(jù)專業(yè)組給出的結(jié)果整合模型的方式,能夠有效減小信息建設(shè)管理過程的復(fù)雜性,避免資源浪費(fèi)的同時,還能提高管理效率。