BIM技術在城市綜合管廊設計中的應用研究

(廈門市市政工程設計院有限公司，廈門 361000)

引言

綜合管廊是保障城市發展的生命線工程，具有工程體量大、結構斷面復雜、節點多、涉及專業廣、施工周期長且施工質量要求高等特點[1,2]。隨著城市市政基礎設施信息化建設進程的推進，綜合管廊建設對設計、施工和運維均提出更高要求。傳統“流水式”二維設計方式已不能滿足信息化精細化建設管理的需求，三維協同設計已成為趨勢。

建筑信息模型(BIM)是工程建設領域的一次技術革新，以BIM技術為核心的三維設計正推動著傳統二維設計方式的轉變，是BIM全生命周期應用乃至工程建設信息化轉型的關鍵一環。目前，BIM技術在市政基礎設施方面的研究及應用仍處于初級階段，國家及各地方政府陸續出臺了多項文件，大力支持BIM技術發展[3-6]。因此，本文以廈門祥平保障房地鐵社區配套綜合管廊項目為依托，研究BIM技術在綜合管廊設計中的應用，以期為同類項目提供參考。

1 工程概況

廈門祥平保障房地鐵社區配套綜合管廊工程位于廈門市同安工業集中區及祥平保障房地鐵社區，包含卿樸路、二環南路兩條綜合管廊，總長度約5.2km。綜合管廊斷面形式為單艙、雙艙及頂管斷面等共計6種標準斷面，全線包含管線分支口、逃生口等管廊土建結構節點51種。

該項目管廊所在道路為現狀道路，途經村莊，周邊環境復雜，征拆協調工作量大、難度高，地下管線眾多，管廊與排洪箱涵、軌道等構筑物交叉，管廊施工質量要求高，且工期緊張。針對以上特點，項目在設計階段引入BIM技術為綜合管廊設計提供三維解決方案。

2 BIM實施策劃

2.1 技術標準

目前，綜合管廊工程相關國家、地方BIM標準尚不完善，BIM實施缺乏規范指導。本項目借鑒現行相關市政工程國家標準及行業指南，從模型的命名、精度、拆分、入廊管線配色、模型交付等方面，制定適用于綜合管廊的項目級BIM應用標準，保障BIM設計有序開展，為后續企業級BIM應用標準的編制奠定基礎。

2.2 軟件平臺

Autodesk Revit是國內主流BIM軟件之一，更符合設計人員的操作習慣[7]，結合項目所在城市BIM技術應用現狀，同時綜合考慮綜合管廊設計特點、各階段信息傳遞、數據與平臺兼容性等諸多因素，采用Autodesk Revit、Dynamo及鴻業系列軟件進行BIM設計，由Fuzor、Twinmotion等軟件進行模型的可視化模擬與分析。

2.3 協同設計

綜合管廊工程涉及專業眾多，各專業之間的協同是設計過程中的重點。基于Revit建立各專業工作集，利用工作集與服務器上的項目中心文件可實時雙向傳遞數據，實現各專業設計信息的實時協同，提高溝通配合效率和設計準確度，各專業通過文件鏈接的協同設計模式整合形成全專業BIM模型，見圖1。

圖1 工作集的劃分與同步

2.4 技術路線

考慮綜合管廊總體、結構、附屬及管線等專業設計流程與需求，同時，滿足綜合管廊性能模擬與分析要求，統籌管理BIM設計過程中的各類數據文件，基于Revit平臺，制定適用于綜合管廊工程的BIM實施技術路線，如圖2所示，指導綜合管廊BIM技術應用高效開展。

圖2 BIM實施技術路線

2.5 參數化族庫搭建

綜合管廊工程的標準化程度相對較高，可搭建參數化族庫，通過控制可變參數，完成土建結構及附屬設備構件的快速調整，實現構件的重復高效利用，提高建模效率[8]。本項目綜合管廊設計包含標準段、管廊結構節點(如通風吊裝口、管線分支口、三通、四通、頂管井)及附屬設備設施等。根據綜合管廊專業需求，搭建針對各類土建結構節點，消防系統、通風系統、供電系統、排水系統、監控系統等七大附屬系統族庫，共建立325種族構件，為后續綜合管廊項目BIM建模奠定基礎，見圖3。

3 設計階段BIM技術應用

3.1 BIM建模

(1)周邊場地模型創建

本項目周邊場地模型包括現狀地形，現狀卿樸路、二環南路道路及地下管線模型。地形模型根據測量CAD文件，利用Civil3D處理地形坐標及高程數據，建立現狀地形曲面模型； 現狀道路模型采用鴻業路易軟件構建，并在Revit中進行整合，如圖4所示； 現狀管線模型根據項目周邊地下管線地勘情況，利用Dynamo提取各類地下管線、檢查井信息快速創建現狀管線模型，如圖5所示，現狀地下管線模型為管廊線位比選、施工期間管線遷改提供可視化模型。

圖3 綜合管廊參數化族庫

圖4 現狀場地及道路模型

(2)綜合管廊模型創建

本項目綜合管廊BIM 模型創建主要包含總體結構、入廊管線和附屬設備設施等，各專業基于BIM平臺進行協同設計，生成各專業模型，圖6為由土建模型、管線模型和附屬設施模型鏈接形成的綜合管廊全專業整合模型。

3.2 線位比選

二環南路(同盛路至同集路段)綜合管廊受現狀建設條件影響，不具備明挖施工條件，利用BIM技術優化管廊頂管斷面及線位，輔助方案設計及技術論證。根據三維模型，管廊規劃線位布置在道路南側的綠化退線內，距離現狀10kV鐵塔、周邊房屋建筑較近，且涉及大量房屋征拆、現狀管線遷改，施工受制約因素多。設計采用曲線頂管方案，總長度約1 710m，避讓沿線房屋征拆，大大減少無管線遷改量，對現狀交通影響小，管廊線位比選如圖7所示。

圖5 現狀地下管線模型

圖6 綜合管廊全專業整合模型

圖7 基于BIM模型的綜合管廊規劃線位與設計線位對比

圖8 管廊三維可視化實景檢查與碰撞檢查

3.3 碰撞檢查

傳統二維設計不能全面反映管廊內各類管線間的空間關系，尤其是管線分支口、管廊相交叉節點處，由于設計人員的空間想象力不足，容易疏漏一些管線碰撞的問題，將會增加設計變更與建設成本。三維模型可直觀地查看構造復雜的特殊節點的內部構造，利用碰撞檢查可快速查找碰撞沖突并生成碰撞報告，輔助設計人員及時發現設計中的錯漏碰缺等問題。本次設計分析了綜合管廊管線、結構、附屬設備等專業之間的空間關系，完成16處設計優化，有效減少設計變更，提高設計質量，見圖8。

3.4 空間分析

綜合管廊的凈空和凈寬需滿足管廊運維管養單位進行維護檢修的要求[9]。將管廊BIM模型導入虛擬現實平臺，進行空間分析與仿真模擬。本項目采用的是Fuzor平臺，在軟件中放置人物，并設置人物身高屬性等參數，通過實景漫游進行實際工作場景的模擬，利用軟件智能測量、機電設備吊裝模擬功能檢測管廊內部空間是否滿足后期運維的需求，并自動生成空間分析報告輔助優化設計，見圖9。

3.5 結構計算

參數化構件可在結構分析軟件中進行結構受力分析計算[10]。本項目綜合管廊土建結構節點的BIM模型通過Revit-Midas轉換成mct文件，并導入Midas軟件完成結構計算。根據Madas受力分析計算結果對模型進行優化，再導入Revit進行模型調整。Revit模型與Midas模型可實現無縫互導，避免二次建模，實現BIM模型“一模多用”，同時提高模型優化效率， 圖10為結構計算過程及結果。

圖9 空間分析

圖10 結構計算

圖12 BIM出圖

3.6 BIM算量

在BIM模型創建之前，制定綜合管廊構件的拆分原則，確定各專業分部分項，如現澆段綜合管廊土建結構的每個節段可按照砂碎層、C15砼墊層、C40砼底板、C40頂板、C40側墻、C20鋪裝層等部位進行結構拆分。由BIM模型可直接提取工程量，生成統計表，并與傳統的工程量統計方式進行對比校核。以現澆段綜合管廊土建結構工程量為例， BIM算量結果與傳統算量結果基本一致，相對誤差不超過2.45%，如圖11所示。與傳統算量方式相比，BIM算量更加準確高效，BIM工程量與模型實時更新，減少反復算量工作，避免資源浪費。

圖11 BIM算量與傳統算量對比

3.7 BIM出圖

在Revit軟件中預先設置符合設計院制圖要求的圖框、標識、注釋等樣式，并設定為出圖樣板，BIM模型可快速生成二維及三維圖紙，見圖12。BIM模型真實反應節點設計情況，對于復雜節點，通過二維與三維圖紙的對照，提高非設計人員對管廊設計意圖的理解，有利于圖紙審核與設計交底。同時，圖紙與模型實時同步修改，大大地提高了設計變更效率。

4 結語

本文以廈門祥平保障房地鐵社區配套綜合管廊工程為背景，應用BIM技術實現綜合管廊設計中的多專業協同設計和快速建模，并進行一系列性能模擬與分析。基于BIM技術三維可視化和多專業協同設計的特點，針對綜合管廊工程的設計要求，研究BIM應用標準、軟件平臺搭建、BIM設計技術路線，搭建土建結構節點及附屬設施系統參數化族庫，建立一套適用于綜合管廊項目BIM設計的系統性方案，為綜合管廊精細化、協同化設計提供指導。

實踐表明，BIM技術對綜合管廊的設計工作起到顯著改善作用，實現綜合管廊設計信息的高效傳遞共享與協同利用，有利于各專業設計信息的準確表達，通過直觀感受三維設計成果，及時發現設計存在的缺陷并改正，提高設計方案的合理性，提升設計質量與效率。同時，三維信息模型為后期管廊施工、運維提供了堅實的數據基礎，使得設計信息貫穿整個項目建設的全生命周期，充分發揮其應用價值。