綜合管廊模型設計階段信息需求分析

鄭旭旻

（廈門市市政工程設計院有限公司，福建 廈門 361004）

0 引言

城市地下綜合管廊也稱綜合管廊，是在城市地下建造公共隧道，將2類以上市政公用管線（電力、通信、給水、排水等）根據規劃要求集中敷設，實施統一規劃、設計、施工和運行管理的構筑物及附屬設施。綜合管廊是保障城市可持續發展的“生命線”，對城市未來的發展具有重要意義[1]。由于涉及專業繁多，建設過程中存在各類專業交叉施工、后期運營維護數據繁雜等問題，為滿足管廊建設需求，業內積極探索BIM技術，期望采用信息化手段進行管廊建設管理。

隨著新技術的不斷發展，BIM逐漸發展為項目信息的共享平臺。BIM可在工程實施的任一階段向工程所有參與方提供工程全生命周期信息，各參與方根據自身工作范圍，進行信息錄入、提取和更新，實現工程信息實時更新與共享及工程項目協同和信息集成管理。研究表明，應用BIM技術有助于降低設計和施工成本，提高生產率、改進風險管理流程并提高項目效率。

目前地下綜合管廊工程的BIM應用起步較晚，存在模型信息定義不明確、輸入信息量冗余、信息管理混亂等問題。BIM信息缺失、模型定義混亂導致的模型無法重復利用等問題，使實際參與項目的工程人員難以發揮BIM的價值。

本文結合綜合管廊實際項目，以土木工程信息學、信息管理學、BIM技術等為理論基礎，對綜合管廊模型信息進行分類與精細度定義，以設計階段為例分析綜合管廊模型信息需求，將其應用于綜合管廊參數化建模中。

1 土木工程信息學與UIM

1.1 信息學及土木工程信息學

信息學是研究信息運動規律和應用方法的一門學科。信息學主要研究信息的基本特性、信息活動規律和組織方法。按照抽象程度高低，可將信息學的知識體系分為3個不同的層次，自上而下分別是：信息哲學、理論信息學和應用信息學。信息哲學是對信息的本質及一些最基本層面的規定進行綜合而統一的解釋；理論信息學是對一切信息現象及每門學課都適用的公共理論；應用信息學是面向不同特定學科，解決該領域的信息問題。

按照信息進化時間順序，應用信息學將信息現象分為三大類別：自然信息、社會信息和工程信息。其中，工程信息是以工程方式進行的信息過程；土木工程信息學將土木工程學科與信息學、計算機相結合，通過跨學科融合，提高技術水平，達到對該領域信息的管理。

1.2 土木工程信息化與綜合管廊信息模型（UIM）

信息化是在經濟及社會領域中采用信息技術作為生產力，用以提高社會生產率、管理、教育和創新效率的過程[2]。土木工程信息化是指利用信息技術對傳統土木工程設計方法及施工方式進行改造與提升，促進土木工程行業不斷完善。通過實現土木工程信息的存儲與共享，采用先進的信息技術解決傳統土木工程問題，從而提高土木工程效率和效益。

建筑行業的項目通常涉及從早期設計、施工到設施維護管理的復雜信息流。而構建建筑信息模型（BIM）工作流過程被認為是跨項目生命周期各階段協同管理此類信息的關鍵因素。BIM可應用于全生命周期各個階段，滿足各專業各部門協同交流、輔助方案決策和優化項目實施的需求，是土木過程信息化的重要內容。

綜合管廊信息模型（UIM）是基于BIM技術的基本概念，利用BIM技術對綜合管廊建設項目進行設計、施工和運維的過程；是數字化表達綜合管廊建設項目所有幾何、屬性、功能等資源信息的完備模型；是一個集成化的信息共享體，為綜合管廊全生命周期中的所有活動提供可靠源數據；通過在模型中輸入、提取、更新項目信息，支持工程不同參與方在不同階段的信息錄入、虛擬建造和協同管理等功能。

1.3 基于WBS的綜合管廊模型信息分類

為更好地分析綜合管廊設計階段信息需求，基于WBS對整個工程模型進行分解，將整個模型分解為較小且便于管理的類型，對相同類型進行統一定義管理，明確各類別信息需求。

按照WBS分解方式，先按實施過程分解，將全生命周期拆分為設計階段、施工階段和運維階段。根據各階段的實施過程，分為場地模型、土建模型、入廊管線模型、附屬設施模型、圍護結構模型、施工機械模型、工程材料模型、周轉材料模型、臨建設施模型、運維設施模型等10類專業模型。

2 設計階段UIM信息需求分析

2.1 UIM技術在綜合管廊設計階段的應用分析

本文結合已有相關技術資料，基于廈門市翔安東路（海翔大道—翔安南路段）綜合管廊工程與祥平保障房地鐵社區配套綜合管廊及高壓電力架空線纜化一期工程設計階段BIM技術應用成果，總結綜合管廊設計階段BIM技術應用點，按照綜合管廊的設計階段設計過程分為3類，分別是方案決策（設計前期）、優化方案（設計中期）和模型信息提?。ㄔO計后期）。方案決策階段應用點包括現狀場地分析、設計方案比選；優化方案階段應用點包括各專業協同設計、碰撞檢測及管線綜合、凈空優化、性能分析、可視化展示；模型信息提取階段應用點包括工程量統計、二維出圖。

1）從方案決策的角度分析信息需求 在方案設計階段需在備選設計方案之間進行選擇，設計方案決策是后續設計階段的基礎，合理的設計方案能避免因決策失誤造成的大量返工，提高生產效率，決定著項目的成功和結果。在方案決策階段，采用“成本”進行方案比選，不同的影響因素全部折算為成本進行對比分析。通過對成本進行分析，逐層分解影響因素信息，引入影響因素信息對應的模型構件。在逐層分解過程中，對需求模型進行編號，以識別重復引用的部分。

2）從優化方案的角度分析信息需求 在設計階段方案優化過程中，各專業模型的空間位置關系是決定性因素。各專業協同設計、碰撞檢測、管線綜合、凈空優化、可視化展示等UIM應用都是為使模型的空間關系更合理，避免后續施工及運維階段產生空間沖突需要返工。方案優化階段的信息需求主要是對設計階段模型的幾何信息需求。

綜合管廊的建設目的是將各類管線集成在一個地下結構中，方便管線檢修與更換。通過模型檢查管線能否按照規劃要求布置；通過復雜節點模型校核管線是否與結構發生碰撞；對檢修人員的工作環境（包括人行空間和檢修空間）進行檢查，優化附屬設施布置。

3）從信息提取的角度分析信息需求 模型信息提取主要為工程量統計，通過設計階段施工圖模型提取模型工程量，形成工程量清單。在綜合管廊實際案例中，未在建模初期考慮工程量統計應用，將導致模型區分度不夠、建模粗糙，模型分類與準確度均不能滿足施工圖預算要求，最終使設計階段模型返工重做，造成建模成本極大浪費。通過對國內眾多應用案例的調研可發現，工程量統計是衡量設計階段UIM應用程度的標尺，也是檢驗設計階段模型成果的重要指標。工程量類型繁多，難以逐項梳理，基于GB 50857—2013《市政工程工程量計算規范》中的分類體系，結合綜合管廊造價清單實例，對設計階段UIM進行分類。

2.2 設計階段信息需求分析

通過上述分析可看出，相較方案決策、方案優化等應用，工程量統計對設計階段的模型信息需求最大，對模型劃分有明確需求，而且模型精細度要求高。以施工圖預算的分類體系為UIM設計階段模型分類體系，定義設計階段模型信息需求較為合理。

1）場地模型 場地模型主要應用于方案決策階段，現狀場地道路及建構筑物情況是影響管廊選線及施工工藝選擇的重要環境因素；部分應用于優化方案階段，主要考慮在主體結構與地下管線的沖突中如何優化設計。

2）土建模型 土建工程是綜合管廊設計階段的重點內容，也是工程量計算最難的部分，復雜節點的材料與模板工程量計算是制約造價算量工作效率的一大原因。通過分析可知，以工程量統計的信息需求為設計階段土建模型的信息需求較為合適[3]。根據定額規則對土建結構模型進行拆分，以適應套價需求。

3）圍護結構模型 圍護結構包括基槽模型與基坑支護模型，前者需計算土方量，后者計算體積量。模型尺寸需滿足三維可視化要求。

4）入廊管線模型入廊管線專業部分由管線單位設計，不計入工程量統計范圍。設計階段的信息需求為其空間占位、與沿線出入口的接線方式和其他規劃信息，模型需滿足可供后續階段編輯、輸入的要求。

5）附屬設施模型 附屬設施由施工單位進行招投標確定，設計階段模型需求為滿足空間占位與顯示的幾何尺寸進度，后續階段中可替換為精確模型，工程量統計的信息需求為設備數量。

3 基于設計階段UIM信息需求的參數化建模實踐

3.1 工程概況

本文通過某地下綜合管廊項目參數化建模案例驗證分析結果。該項目位于廈門市同安工業集中區，全長5.16km，包含入廊管線有給水，再生水，10kV、110kV、220kV電力及通信等。項目以Revit建模軟件為主，利用可視化編程插件Dynamo對Revit進行二次開發，實現快速建模、模型定位及信息錄入。Dynamo通過預設計算節點和可視化編程的設計方法，在工作界面里連接預定義功能的節點，設置一套循序漸進的可視化程序流，通過輸入、處理和輸出的基本邏輯解決問題[4]。工程設計中出現方案變動時，只需通過修改變動部分，就可通過程序驅動，實現模型信息的批量創建、修改和刪除工作。規定參數輸入的范圍和內容，正是信息需求分析的結果應用。

3.2 土建模型建立

土建模型參數化建模信息需求如圖1所示。在Civil 3D軟件中集成平面設計線及管廊設計縱斷數據，生成管廊三維中心線并分解成點坐標。將點坐標文件導入Revit軟件中形成三維定位線，根據模型生成難易程度分為標準段和特殊段。根據橫截面尺寸和線性模型劃分規則生成本體工程標準段；選用Revit自帶的參數化族類型，通過數據文件進行參數驅動，生成各類附屬構筑物和二次結構，并通過設定好的幾何位置信息放置，最后對各類模型批量添加非幾何信息。

圖1 土建模型參數化建模信息需求

3.3 管線模型建立

通過Dynamo插件和預制的RevitAPI，編寫自動創建管線的腳本。通過讀取Excel信息，即可自動批量創建所需管線。在入廊管線模型建立的過程中，所需信息為管徑、起終點坐標、管材類別等幾何信息，以及管線單位施工信息等非幾何信息。與信息需求分析結果一致。

3.4 附屬設施模型建立

通過設計階段信息需求分析可知，設計階段中附屬設施尚未完全確定，模型信息不準確。通過參數化建模，可在前期放置精細度低的模型，后期利用Dynamo插件進行附屬設施模型批量替換、快速修改幾何位置及模型信息可錄入和修改。信息需求分析結果滿足后續施工要求。

4 結論與展望

1）基于信息分類體系和WBS，結合已有文獻資料與工程實例，構建針對綜合管廊全生命周期的UIM分類體系。根據綜合管廊設計、施工、運維階段的分類方式，構建10個專業模型。

2）根據綜合管廊設計階段的工作流程與信息需求，將UIM在設計階段的應用分為方案決策、優化方案與信息需求3個子階段，每個階段的需求側重點不同。通過分析每個階段中應用內容與信息需求深度可知，對設計階段模型深度要求最高的是信息提取中的工程量統計。本文根據GB 50500—2013《建設工程工程量清單計價規范》，結合綜合管廊應用案例，對設計階段成果模型的進行模型劃分規定與信息需求描述。

基于BIM技術的綜合管廊全設計階段信息需求分析是土木工程信息學在綜合管廊上的初步探討，為施工與運維階段的綜合管廊模型信息需求分析提供參照。目前，綜合管廊設計階段的BIM技術已趨于成熟，但在施工、運維階段尚缺乏可推廣的應用經驗。運維階段是最大化應用綜合管廊信息模型的階段，各地的業主及運維單位應對綜合管廊在運維階段的應用需求達成一個明晰的認知，將綜合管廊全生命周期BIM技術應用的“最后一環”拼上，并通過實際項目驗證“以終為始”的全生命周期信息需求分析。