基于BIM 技術的地下溝渠修復工程全生命周期應用研究

朱 純 葉 欣 熊 力 楊建宇 楊偉軍

（1.長沙市公共工程建設中心，湖南 長沙 410001；2.長沙理工大學，湖南 長沙 410076)

0 引言

我國城市用水量與日俱增，地下排水渠道承受的荷重也越來越大，而我國排水渠道年久失修，造成我國排水渠道腐蝕、滲漏，渠道易產生破壞、變形和不均勻沉降等問題[1]。隨著BIM 技術在工程建設領域的推廣，運用三維可視化信息模型，集合工程全生命周期不同階段各參與方的數據與信息資源，使數據信息得到共享和協同工作[2-3]。以長沙市紅旗渠加固修復工程試驗段為例，利用BIM 技術對地下管渠進行全生命周期模擬，探討BIM 技術在地下管渠勘察、設計、施工與運維中的應用情況。

1 項目背景

長沙市紅旗渠為地下排水溝渠，因年久失修需要修復，如圖1 所示。渠道為漿砌片石側墻+預制砼圓拱，斷面尺寸為5000×1400+G1600，埋深約5.21～6.66m，渠頂覆土約2.21～3.66m。根據前期渠道檢測結果，修復長度為120m，擬分為四種修復技術（“模筑法”、“噴射法”、“預制拼裝法”以及“螺旋纏繞法”）加固修復。該項目通過對幾種修復技術全方位地進行評價對比，擇優選擇合理工法，用以指導加固修復設計及施工。

圖1 紅旗渠損壞情況

2 基于BIM 的勘察應用

三維地質模型還可為規劃工程范圍及選取鉆孔點提供參考[4]。在勘察過程中除了需較準確地體現空間的總體分布特征，需要確定剖面上各個地層的傾角及空間延展方向，收集物探、鉆探和已有勘察資料，確定需要增添的鉆孔點的范圍[5]；地質勘察過程中需要收集、整理和統計大量數據，通過三維地質建模軟件將所需要的物理力學參數直接在三維地質模型中體現，避免繁瑣地翻閱紙質的工程地勘資料[5]。

為實現基于BIM 應用條件下勘察信息模型快速建模，對實驗段進行鉆孔建模，如圖2 所示。分別對工程地勘報告已有的鉆孔進行三維建模，再連接剖面線描繪大致土層分布曲線，再生成三維地質體模型，如圖3 所示。

圖2 鉆孔模型

圖3 三維地質體模型

三維地質體模型除了在建立過程中可添加由于實際地形無法勘測到的鉆孔點，可根據勘察報告出圖標準，沿勘察信息模型預設鉆孔剖面線方向進行剖切，如圖4 所示，然后導入CAD 中進行標準出圖。

圖4 自動剖面出圖

3 基于BIM 的設計應用

采用Autodesk 公司出品的Revit 軟件將二維施工圖中溝渠相關信息逐一輸入，將傳統的平面施工圖紙，從二維平面視圖轉化成三維可視化模型。

溝渠工程在設計階段的應用一方面是以三維地質模型為中心，將三維地質模型與渠道的相關屬性數據有機地結合起來，實現對渠道的查詢、分析和管理，如圖5 所示；另一方面，建立四種不同修復技術的信息查詢。由于各非開挖修復方案選取的不同，其施工過程也有差異，僅僅將三維模型與溝渠的相關屬性數據有機地鏈接起來還不夠，需要建立包含更多的設計參數，便于管理、利用和查詢。

圖5 紅旗渠三維BIM 模型

由Revit 軟件建立的BIM 模型與現實情況完全一致，所以在模型內點擊任何構件都可顯示出其名稱、尺寸、屬性等特點，為建設單位及非專業人士提供良好的視覺效果，以便后續工作中及時地溝通和調整。

在項目設計階段，利用Navisworks 軟件實現BIM 碰撞檢測功能，分析BIM 綜合模型中的“錯、漏、碰、撞”等問題，在滿足相關標準的條件下，兼顧調整溝渠范圍內管線的分布、立體走向等，如圖6 所示，確定最優化設計方案。

圖6 碰撞檢測

4 基于BIM 的施工應用

在施工過程中，經常需要統計大量的施工參數，當添加新的地質數據時，各專業之間的數據很難做到協調，不能保證工程設計水平和效率最大化。三維BIM 模型與施工參數相結合，不僅可以為決策者提供方便的整體觀測和評價方法，還可以提供各種地質信息。

在工程施工階段，通過采用BIM 技術模擬四種修復方法，對各個施工工藝、操作要點和工序流程精細化處理，運用Revit 軟件對“模筑法”、“噴射工藝”、“預制拼裝”以及“螺旋纏繞”四種修復技術進行工序工藝模擬，將施工模型導入Fuzor 軟件中，并通過模型、動畫的三維可視化交底來實現對工藝工序的展示及重難點的控制，使得交底難度大幅度減小，降低了由于現場施工失誤造成的返工及經濟損失，對四種修復技術進行擇優選擇。

在施工動態模擬過程中，將Revit 模型轉化為NWC 模型格式；導入NWC 文件到Navisworks 軟件中，優化設置并仿真模擬。完成準備工作后，統一不同施工工序與各構件施工時點，為各層管理人員提供糾正和管理上的便利，如圖7 所示。

圖7 施工模擬進度計劃

5 基于BIM 的運維應用

由于溝渠年久失修，周邊后續項目施工引起的應力或者土體形變超過設計規定值，極易導致溝渠范圍內結構受力發生改變，進而引發相關結構受力不均或是渠體變扭轉等問題，且渠內垃圾堵塞、暴雨導致的水淹現象等問題層出不窮。

通過BIM 技術實現在溝渠排水工程中的應用，能有效管控溝渠內環境，提高工作效率。此外，通過物聯網技術和布置傳感器等方式，監管并管控溝渠內的物理化學方面的變化。傳感器可檢測溝渠內的污水化學成分，從而防止化學物質對新加鋼筋混凝土結構層的浸蝕等危害；將溝渠分段管控，若溝渠內水質污染問題嚴重，可借助BIM 運維模型實現污水源的檢測。基于BIM 技術對紅旗渠進行實時監測與維護管理（圖8），不僅提高了監測力度，還有效增加了維護管理的效率。

圖8 渠道運維管控

6 結束語

地下溝渠非開挖修復在發達國家比較普遍，我國剛剛處于起步階段。通過采用BIM 技術，立足于全生命周期的視角，分別從勘察、設計、施工、運維等方面進行剖面出圖、施工模擬、碰撞檢查，給予地下溝渠非開挖修復項目全過程的信息化管理，發揮BIM 的技術性與創新性優勢，為相關項目技術人員提供參考。