基于BIM的復(fù)雜地形緊湊型管廊信息化施工技術(shù)

崔立新 蔡志宏 鄭錫波

深圳市住宅工程管理站 廣東 深圳 518000

目前，BIM在我國(guó)工程建設(shè)中的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛。在綜合管廊項(xiàng)目中，BIM應(yīng)用方式主要針對(duì)管廊自身，用來(lái)建立模型，進(jìn)行可視化交底和優(yōu)化管綜布置[1-5]。但是對(duì)于復(fù)雜地形下的緊湊型管廊項(xiàng)目，管廊結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，不僅內(nèi)部各專業(yè)之間聯(lián)系更強(qiáng)，而且受外部條件的影響更大。顯然，常規(guī)的BIM應(yīng)用方式在此類型項(xiàng)目中具有很大局限性。

本文以中山大學(xué)·深圳建設(shè)工程為例，項(xiàng)目管廊總長(zhǎng)度約3.93 km（入戶段不計(jì)）。根據(jù)校園使用特點(diǎn)及管廊入廊種類，本項(xiàng)目管廊采用緊湊型管廊方案，管廊廂室內(nèi)敷設(shè)有給水、中水、消防、空調(diào)補(bǔ)水、中低壓電力管線、智能化管線和預(yù)留管位。管廊沿途經(jīng)過(guò)豬婆山、豬公山，地形復(fù)雜多變。

通過(guò)對(duì)管廊常規(guī)段結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化生成模型，管廊特殊結(jié)構(gòu)精細(xì)建模，快速生成模型。利用BIM模型，一方面優(yōu)化自身專業(yè)布置方案，模擬分析施工重、難點(diǎn)；另一方面，著重研究管廊與外部條件之間的關(guān)系，包括與其他專業(yè)的碰撞分析、工作面分析、工況分析和施工進(jìn)度模擬，綜合研究基于BIM技術(shù)的復(fù)雜地形緊湊型管廊信息化施工技術(shù)。

1 BIM模型參數(shù)化生成

緊湊型管廊屬于線性結(jié)構(gòu)，其三維尺度中長(zhǎng)度方向的尺度要遠(yuǎn)大于其他2個(gè)方向。因此管廊圖紙區(qū)別于一般的建筑單體圖紙，管廊設(shè)計(jì)信息主要由設(shè)計(jì)說(shuō)明、路段逐樁坐標(biāo)表、管廊斷面圖和詳圖體現(xiàn)。

受復(fù)雜地形影響，管廊結(jié)構(gòu)多變，建模也區(qū)別于一般的建筑建模。基于這些特性，本文梳理了一套適用于復(fù)雜地形下結(jié)構(gòu)多變的管廊參數(shù)化模型建立方法，并對(duì)相關(guān)的重、難點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。

1.1 管廊模型快速生成

管廊BIM模型生成可分為資料準(zhǔn)備和模型創(chuàng)建2個(gè)步驟（圖1）。

圖1 管廊建模流程

1）為保證BIM模型的準(zhǔn)確性和實(shí)用性，在建模前，需要收集詳細(xì)的管廊CAD和PDF圖紙資料，并從圖紙資料（主要是縱、橫斷面圖和路段逐樁坐標(biāo)表）中提取管廊信息，包括管廊樁號(hào)、坐標(biāo)信息、管廊斷面類型、管廊特殊段類型和管廊定位信息，并繪制基準(zhǔn)線。

2）在完成管廊圖紙信息提取工作后，進(jìn)行BIM模型的創(chuàng)建工作。BIM模型創(chuàng)建分管廊主體模型創(chuàng)建和機(jī)電模型創(chuàng)建兩部分。主體模型生成時(shí)，輪廓模型和特殊段模型分別創(chuàng)建。依據(jù)管廊建筑結(jié)構(gòu)斷面詳圖，結(jié)合基準(zhǔn)線，在不同的管廊段創(chuàng)建相應(yīng)的管廊輪廓模型。依據(jù)管廊建筑詳圖創(chuàng)建不同管廊段中集水井、投料口、進(jìn)出風(fēng)口、檢修口等特殊段模型（圖2），并且根據(jù)詳圖創(chuàng)建框架柱、框架梁、支架、吊鉤等構(gòu)件。最后根據(jù)平面圖紙，將特殊段模型加入到輪廓模型中形成管廊建筑結(jié)構(gòu)模型，即主體模型（圖3）。管廊主體模型創(chuàng)建完畢以后，根據(jù)機(jī)電圖紙，添加相應(yīng)機(jī)電模型（圖4），最終完成管廊BIM模型創(chuàng)建。

（3）混養(yǎng)。放養(yǎng)時(shí)要充分利用湖泊水體中的天然生物餌料資源，實(shí)行多品種混養(yǎng)。在主養(yǎng)小龍蝦的同時(shí)，每畝面積搭配放養(yǎng)鯽魚(yú)種30尾、鳙魚(yú)種50尾，規(guī)格為每尾100.0g左右。對(duì)于水草和底棲生物豐富的湖泊，可以混養(yǎng)河蟹、青蝦等。

圖2 管廊特殊段模型

圖3 管廊主體模型

圖4 管廊機(jī)電模型

1.2 建模難點(diǎn)分析

由于地形變化，在管廊交會(huì)處，常出現(xiàn)不同段管廊坡度不同且坡度差別大的情況，導(dǎo)致在建模過(guò)程中模型銜接困難。管廊轉(zhuǎn)折處坡度多變，導(dǎo)致管道與管道之間的接駁角度很難掌握，橋架配件安裝存在問(wèn)題。

解決方法：運(yùn)用Rhino和Grasshopper數(shù)據(jù)分析和建模功能以及Revit的模型自由編輯功能，對(duì)交會(huì)段進(jìn)行精細(xì)建模（圖5），保證了模型銜接的完整性以及模型信息的正確性。

圖5 管廊交會(huì)段、轉(zhuǎn)折處模型

2 模型應(yīng)用點(diǎn)分析

在施工前，利用模型進(jìn)行施工可行性分析、工程分析和施工進(jìn)度模擬等，在指導(dǎo)施工、提高效率、降低成本等方面效果顯著。本文以中山大學(xué)·深圳建設(shè)工程為參照，對(duì)模型在工程中的應(yīng)用做了總結(jié)。

2.1 施工可行性分析

2.1.1 管廊自身專業(yè)碰撞問(wèn)題

緊湊型管廊設(shè)計(jì)所留的機(jī)電安裝空間極其有限。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)際施工中常出現(xiàn)機(jī)電管線安裝空間不足等問(wèn)題。

例如，在中山大學(xué)·深圳建設(shè)工程中，通過(guò)BIM建模發(fā)現(xiàn)所有管廊的分支管廊與主管廊交會(huì)區(qū)域空間無(wú)法滿足管道及電氣橋架的相互轉(zhuǎn)位需求，且管廊交會(huì)區(qū)域最低位置為大口徑管道，水平安裝后會(huì)影響管廊內(nèi)檢修通道的使用。

為滿足機(jī)電管線通過(guò)此外擴(kuò)區(qū)域時(shí)的管線轉(zhuǎn)位要求，需要將交叉區(qū)域靠外側(cè)的管廊結(jié)構(gòu)墻體外擴(kuò)，以保證現(xiàn)場(chǎng)施工及檢修通道的暢通。

2.1.2 施工難點(diǎn)分析

在實(shí)際施工中，有些非常規(guī)結(jié)構(gòu)和埋件安裝等施工有一定的難度。依據(jù)圖紙生成管廊內(nèi)部鋼筋與管廊預(yù)埋件模型，結(jié)合管廊土建模型，可以對(duì)管廊內(nèi)部預(yù)埋件施工難點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行施工模擬，從而設(shè)計(jì)合理的施工方案。

在本項(xiàng)目中，為滿足設(shè)計(jì)要求，需要在管廊中預(yù)埋雙面埋件。雙面埋件需要貫穿管廊結(jié)構(gòu)，預(yù)埋時(shí)會(huì)與結(jié)構(gòu)鋼筋碰撞，也會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)防水產(chǎn)生影響。作為施工難點(diǎn)，在施工前利用BIM技術(shù)生成各類型的埋件模型，然后與管廊模型結(jié)合模擬施工，最后確定合理的施工方案。

2.1.3 管廊與其他專業(yè)碰撞問(wèn)題

在復(fù)雜山地地形中，由于地形變化大，各專業(yè)之間常常會(huì)發(fā)生碰撞。而管廊由于自身的結(jié)構(gòu)特性，在空間上涉及的范圍大，因此更容易與其他專業(yè)產(chǎn)生碰撞。

管廊為永久結(jié)構(gòu)，依據(jù)與管廊碰撞的結(jié)構(gòu)為臨時(shí)或永久結(jié)構(gòu)，有以下2種碰撞類型：

1）與臨時(shí)結(jié)構(gòu)碰撞。此碰撞是管廊專業(yè)與其他臨時(shí)專業(yè)存在碰撞，常見(jiàn)的是管廊與單體基坑碰撞。這種碰撞可以通過(guò)調(diào)整碰撞專業(yè)的施工時(shí)間來(lái)解決，解決這類問(wèn)題時(shí)，一般遵循臨時(shí)避讓永久的原則。在本項(xiàng)目中，通過(guò)Navisworks軟件對(duì)比管廊模型和基坑模型發(fā)現(xiàn)，管廊和某單體基坑存在碰撞。綜合考慮工期和施工工序等因素，此段管廊在單體基坑回填后再進(jìn)行施工，避免了因?yàn)榕鲎捕鴮?dǎo)致的施工困難和安全問(wèn)題（圖6）。

圖6 管廊與某單體基坑碰撞

2）與永久結(jié)構(gòu)碰撞。此碰撞是管廊與永久結(jié)構(gòu)存在碰撞，常見(jiàn)的是管廊與永久邊坡碰撞。這種碰撞很難通過(guò)調(diào)整施工時(shí)間來(lái)解決，需要更改其中某一專業(yè)的空間位置來(lái)解決。在本項(xiàng)目中，對(duì)比管廊模型和邊坡模型發(fā)現(xiàn)，某樁號(hào)段管廊頂標(biāo)高約為53.00 m，此處有永久邊坡，坡頂標(biāo)高52.00～53.50 m，坡底標(biāo)高49.00 m，管廊高于邊坡。兩者均為永久結(jié)構(gòu)，在與設(shè)計(jì)溝通后，設(shè)計(jì)回復(fù)將管廊位于邊坡部分外露，位于道路部分需全埋并留有0.6 m覆土至完成面，以此解決兩者碰撞問(wèn)題（圖7）。

圖7 管廊與某永久邊坡碰撞

2.1.4 工作面間距分析

結(jié)構(gòu)施工時(shí)需要有足夠的空間以保證支模和工人操作，為避免因工作面間距不足導(dǎo)致的施工問(wèn)題，可以利用模型，在施工前對(duì)工作面間距進(jìn)行分析，提前做出調(diào)整。

本項(xiàng)目中，管廊與雨污水管走向基本一致，但是其相對(duì)位置關(guān)系并非一成不變，因此分析管廊與雨污水管兩者的工作面間距非常有必要。

運(yùn)用管廊與雨污水管線的BIM模型，在Navisworks中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工搭設(shè)模板和腳手架的需求設(shè)置檢測(cè)間距。依據(jù)得到的碰撞檢測(cè)報(bào)告分析管廊施工過(guò)程中是否有合理的工作面，對(duì)于間距不滿足要求的地方，需要向設(shè)計(jì)確認(rèn)如何調(diào)整。

2.2 工況分析

工程是由多個(gè)專業(yè)組合而成的整體，在實(shí)際施工中，各個(gè)專業(yè)之間需要綜合考慮。將管廊模型與雨污水管、道路、基坑、邊坡等其他專業(yè)的BIM模型結(jié)合分析，可以直觀地反映以上各單體之間的平面位置關(guān)系和高程距離，以此為基礎(chǔ)可以合理地安排各單體的施工工序。

以本項(xiàng)目為例，將管廊模型、雨污水管模型、道路模型、邊坡模型和基坑模型等統(tǒng)一放入Navisworks中，截取某一段標(biāo)準(zhǔn)道路處剖面圖，直觀反映各專業(yè)的相對(duì)位置關(guān)系。本標(biāo)準(zhǔn)段中，雨污水管與管廊分別分布在道路兩側(cè)，互不干涉，但是雨污水管靠近某單體基坑?？紤]以上位置關(guān)系，雨污水管和管廊可以同時(shí)施工，雨污水管施工完成后再進(jìn)行基坑施工，其他部分施工完成后，最后進(jìn)行道路施工（圖8）。

圖8 某標(biāo)準(zhǔn)段工況分析

2.3 施工進(jìn)度模擬

基于已建模完成的山體邊坡、各單體基坑、管廊、雨污水管線等BIM模型，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工計(jì)劃，運(yùn)用Synchro對(duì)整個(gè)場(chǎng)地進(jìn)行施工模擬，把控施工進(jìn)度，同時(shí)核對(duì)碰撞問(wèn)題中設(shè)計(jì)方的工序調(diào)整方案，分析設(shè)計(jì)建議是否可行。

3 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)基于BIM技術(shù)的復(fù)雜地形緊湊型管廊信息化施工進(jìn)行了綜合性研究，對(duì)如何快速地生成管廊模型進(jìn)行了梳理，并歸納整理了其中的重、難點(diǎn)，以及模型在工程中的各類應(yīng)用實(shí)例，總結(jié)了模型的施工應(yīng)用價(jià)值。

利用基于BIM技術(shù)的信息化施工方法，能直觀地反映管廊各項(xiàng)特征，可以提前發(fā)現(xiàn)并解決管廊施工中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，能指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，提高施工效率，減少返工，為后續(xù)類似工程提供了一種有效的BIM應(yīng)用思路。