BIM在城市地下管線遷改全過程管理中的應用

毛寨漢，李凱彬，盧書桃，甘杰文，王震宇，張凱珊

(1.廣州市道路擴建工程管理中心，廣東 廣州 510030； 2.廣州市住房和城鄉建設局，廣東 廣州 510030；3.廣州市建設工程拆遷有限公司，廣東 廣州 510230)

1 引 言

隨著城市空間快速更新，城市管網信息化建設與管理要求不斷提高。當前城市地下管線信息化管理常常基于GIS數據開發，實現了城市管線使用和維護信息化應用[1]，但由于傳統GIS缺乏建筑建設信息數據，無法對接建筑建設過程，難以滿足城市快速更新進程下管線拆改快速設計、建造與歸檔的需求[2]。

隨著信息技術的不斷發展，BIM技術的應用將推動建筑業進入信息時代，實現全過程的精細化管理。BIM是Building Information Modeling(建筑信息模型)的簡稱，是對新建建筑、既有建筑的幾何特性、物理特性及功能特性的數字化呈現，即通過信息模型對建筑實體進行可視化的表達[3]。三維參數化信息模型是BIM應用的基礎，所有操作和應用都是在模型的基礎上進行的，模型是基于同一信息平臺進行創建和完善，可使多專業協同工作，貫穿于項目的整個生命周期，具有可視化、協調性、模擬性、優化排布和自動統計工程量及出圖等優勢[4]。

BIM技術應用于城市地下管線，可實現地下管線三維可視化、精細化的分析管理，通過BIM+GIS的結合應用，加強對管線遷改工程的規劃編制和審查(包括包含管線容量、管徑、位置及附屬設施等)，落實管線綜合規劃，充分考慮管線遷改的可實施性，為管線遷改提供了新的技術方法，極大提高城市管線遷改效率[5]。國家與地方政府先后出臺了BIM技術落地政策，極大推動BIM的發展，為BIM技術應用于城市管線管理創造了良好環境[6]。而城市管線復雜，建模效率較低，且當前形成的BIM應用體系主要是基于建筑工程領域，而城市管線工程具有獨特的應用環境和需求，直接應用效果不佳[7]。

本文以廣州某隧道工程管線遷改項目為例，開展地下管線全過程全階段的技術應用體系研究，并針對管線應用需求，通過BIM二次開發創建自動化建模工具與主體工程碰撞管線工程量快速統計工具，實現管線模型自動創建與碰撞拆改管線工程量的快速生成，解決復雜城市管網BIM應用體系不完善，建模效率低，工具匱乏等問題，為后續地下管線BIM應用提供參考和借鑒。

2 工程概況

該項目為廣州市某隧道工程地下管線遷改項目，位于天河區和海珠區，隧道橫穿珠江，全長 2.1 km，工程范圍地勢比較平坦，規劃區內現狀管線包括雨水、污水、電力、通信、給水、燃氣等專業管線。管線綜合規劃設計的原則為充分利用現有工程管線，在滿足現行規范和不影響隧道工程施工前提下，盡可能保護現有工程管線不做遷移，并應充分考慮現場管線遷改工程的施工協調，避免道路反復開挖，以節約工程投資。

3 管線遷改全過程BIM應用

BIM技術在建筑工程中應用廣泛，而其在全過程應用可更大發揮其預演預排、信息追溯的價值。本文針對管線遷改過程各階段需求進行分析，管線遷改全過程BIM技術應用應包括管線遷改設計、施工、保護及竣工交付等過程，圖1為城市地下管線遷改全過程BIM應用的技術流程。

圖1 BIM技術在管線遷改中的應用流程

3.1 BIM模型自動化創建

模型創建之前，根據管線遷改項目的建模需求，對管線、管件及附屬結構進行了標準化族(數據庫)創建和整理，形成標準化族庫，尤其是參數化模型，可結合二次開發以便管線批量化建模，極大提高地下管線模型創建效率。本項目建立族庫包括窖井、閥門、水表、連接件等，約20多種(圖2)。模型的放置中心、尺寸均進行參數關聯，可根據實際需求進行參數修改，極大便利了管線建模需求。

圖2 BIM族

基于上述族庫，通過BIM二次開發管線自動建模工具提取CAD數據或管線GIS系統數據，快速獲取管線類型、放置位置、尺寸等數據實現管線模型的快速生成。管線采用專業建模，生成污水、雨水、電力、電信、給水、燃氣等6個專業管線BIM模型，以便模型管理。為便于分析管線埋深及遷改管線與主體的位置關系，還應創建地形BIM模型與主體隧道工程BIM模型，地形模型與主體隧道模型基于衛星影像數據或圖紙創建，并與管線基于統一的坐標系進行合并，形成整合模型(圖3)。

圖3 管線BIM渲染圖

3.2 遷改設計綜合應用

(1)既有管線拆改分析

既有管線拆改分析是根據既有管線模型與隧道主體模型，并以隧道主體，考慮平面 5 m的合理施工緩沖范圍，應用BIM可視化技術進行準確全面自動的碰撞檢查分析，查找到各專業管線與隧道出口存在多處碰撞，并進行匯總整理為拆改分析報告，為管線綜合設計提供準確的拆改位置(圖4)。BIM拆改分析效率高，且碰撞為三維空間碰撞關系，減少了二維平面疊圖的誤判。

圖4 隧道出口管線碰撞

(2)管線綜合規劃設計

根據拆改分析報告以及管線規劃設計原則，對管線模型進行遷改調整，避讓主體工程，生成管線遷改模型。管線優化遵循有壓管道讓無壓管道、埋管淺的管道讓埋管深的管道、單管讓雙管、柔性材料管道讓剛性材料管道等原則。而不同類型管線根據規范要求需設置一定安全保護距離。

(3)工程量計算

工程量計算是工程建設的重要基礎性工作，貫穿項目全生命期，是工程計價、成本管控與資源調配的基礎。通過對管線BIM模型深化和完善構件屬性參數，如狀態參數(賦值為現狀、拆除或規劃)、材質、尺寸、埋深等影響算量的相關參數，并根據工程量計算要求設定計算規則、扣減關系，建立符合工程量計算要求的模型，利用配套軟件進行工程量計算，如圖5所示，實現模型和工程量計算無縫對接，極大提高工程量計算的效率與準確性。

圖5 管線BIM工程量

(4)管線出圖

依據遷改后管線BIM模型，利用BIM軟件單獨創建各專業管線拆改視圖，并參考線性相關規范，為不同專業設置顏色分別為污水、雨水、電力、電信、給水、燃氣等管線建模，根據實際情況與地下管線探測規范、出圖規范生成不同類型的圖紙二維圖紙，如圖6所示，和三維視圖，為施工現場和線型主體工程的決策之用。

圖6 管線遷改后BIM模型二維出圖

3.3 遷改施工綜合應用

(1)遷改模擬與方案優化

通過在管線BIM模型的基礎上附加建造過程、施工順序等信息，進行管線遷改進行可視化模擬，并充分利用建筑信息模型對遷改方案進行分析和優化，減少現場管線搬遷次數和材料浪費，提高方案審核的準確性，指導現場施工，如圖7所示。

圖7 BIM遷改模擬

(2)遷改進度與質量管理

基于BIM技術的進度與質量管理是通過現場遷改施工情況與模型的比對，找出進度與質量偏差，并分析原因，采取對應措施，降低控制進度與質量風險，實現對項目進度、質量的合理控制的目標。結合虛擬設計與施工(VDC)、增強現實(AR)、三維激光掃描(LS)、施工監控及可視化中心(CMVC)等技術，對項目實際進度和質量進行有效的跟蹤和控制。通過實際進度質量與計劃間對比分析，對偏差進行調整以及更新目標計劃，以達到多方平衡，實現進度質量管理的最終目的，并生成施工進度控制報告與施工質量控制報告。

3.4 竣工測量驗收交付

在管線遷改項目覆土前應當竣工測量。2017年廣州市地下管線建設項目達 1 059個，測量時效性，強探測定位、測量精度要求高。首先，收集遷改項目設計模型與竣工測量信息數據，并對模型進行數據更新，形成包含設計、施工與測量過程的完整信息竣工模型，并將管線遷改竣工BIM模型數據輸出符合廣州市地下管線綜合管理信息系統入庫要求的竣工管線數據結構信息，如實際起點位置與終點位置，導出竣工管線數據表(如表1所示)，實現數據更新與永久存檔。基于竣工BIM模型輸出的竣工管線數據表還可以直接導入廣州市地下管線綜合管理信息系統，有利于實現廣州市地下管線信息的動態更新。

竣工管線數據表 表1

4 BIM自動化工具研究

4.1 三維自動建模工具

城市地下管線專業廣、數量多，人工創建管線BIM模型效率低下，且易出錯。因此本項目在管線建模過程中，分析管線數據結構，尋找規律，并通過BIM軟件二次開發生成三維管線自動建模工具，一鍵生成各專業管線BIM模型。生成的構件數據屬性表，具有構件編碼、專業、類別、平面位置、高程、材質等參數，自動通過Revit二次開發管線建模工具可直接拾取屬性表中參數，自動批量創建管線點BIM模型。

4.2 自動碰撞工程量統計工具

在管線遷改應用過程中，與主體工程碰撞的管線的工程量可直接用于管線拆除的工程量分析，具有十分重要的作用。在BIM軟件中可快速按各專業、管徑統計管線工程量，也可快速查找與主體碰撞管線，但卻無法實現自動統計主體工程碰撞的管線的工程量。究其原因，BIM軟件工程量統計需基于設定參數進行分類統計，而碰撞分析過程中，只會顯示碰撞管線，卻未對其添加參數，因此無法對管線進行篩選統計。為提高工程量分類統計工作效率，通過工具研發實現快速提取與主體工程碰撞的拆除管線工程量。具體分以下三步進行：

(1)現狀各專業管線模型創建完成后，統一添加狀態屬性并賦值為現狀，并根據專業、狀態等關鍵屬性創建工程量表，如圖8所示。

圖8 BIM管線工程量

(2)通過Revit二次開發工具，選擇主體模型自動查找與其碰撞的管線，并對碰撞管線狀態屬性值進行修改，修改為拆除。

(3)通過主流的BIM建模軟件Revit，便可直接統計狀態為拆除的管線工程量(圖9)，即實現快速提取碰撞拆改管線工程量。

圖9 BIM管線數據庫

5 結論與展望

本文以廣州某隧道工程管線遷改工程案例開展設計、施工及竣工交付各階段BIM技術應用研究，包括管線BIM模型的創建、碰撞分析、遷改模擬、工程量統計等應用，形成了地下管線的全過程BIM應用體系，可供后續項目應用提供參考。此外，針對管線BIM建模效率低，項目工程量統計困難等問題，進行二次開發大大提高了管線應用的效率，為BIM技術在城市地下管線應用領域推廣提供便利。

未來，將結合《廣州市城鄉規劃技術規定》和相關文件，應用于管線摸查工作。通過地下管線3D模型快速創建、碰撞分析、實現模型自動生成、路由自動布設、工程量自動統計、快速計算遷改工程量，自動生成遷改估算與摸查報告等功能，極大地實現摸查工作的可視化與自動化，解放人工成本，提高效率與準確性。使廣州市地下管線摸查工作能夠實現“方案可視化、工作自動化”。