BIM技術在雄安新區容東綜合管廊項目中的應用

陳秋爽，李 超，敖 杰，程菲雨，宋朋波，李夢璇

(1.北京城建集團有限責任公司，北京 100088； 2.北京交通大學經濟管理學院，北京 100044；3.北京工業大學城市建設學部，北京 100124)

0 引言

城市地下綜合管廊將電力、給排水等多種管線集中于地下隧道空間進行統一規劃、建設與管理，實現了地下空間資源的集約化開發，避免了傳統直埋方式存在的頻繁開挖路面等問題，社會效益明顯。近年來，我國對綜合管廊項目發展給予高度關注和支持，城市地下綜合管廊規模不斷擴大。綜合管廊工程前期投入大，短期內經濟效益低，項目實施技術難點多，在項目落地過程中存在技術、管理等多方面的問題。

建筑信息模型(building information modeling，BIM)以其信息化程度高、可視化效果好、可操作性強等特點，是提升工程項目建設水平、優化工程項目建設流程的有力工具。目前BIM在管廊項目中的應用尚無明確的規范流程，BIM技術應用參差不齊。

本文以雄安新區容東綜合管廊項目為例，分析項目各階段應用BIM技術解決的項目重難點及創新應用點，以期為同類項目應用BIM技術優化項目和數字孿生城市建設實施過程提供經驗借鑒。

1 BIM技術在管廊項目應用現狀

近年來，國內一些學者針對綜合管廊設計、施工、運維各建設階段開展了BIM技術應用研究。

1)設計階段 以綜合管廊的協同設計模式研究和三維模型構建方法研究為主。姜天凌等人以海東市城市綜合管廊為例，以Archi CAD為平臺，實踐了BIM軟件在城市綜合管廊中三維建模、設計以及指導施工的應用。通過應用BIM三維設計，合理布置管線，減少錯漏，提高設計效率和質量。朱記偉等以某綜合管廊工程為例，從設計企業的視角，從協同設計流程、平臺及方式以及協同設計應用點等方面探索BIM在管廊設計中的應用。

2)施工階段 蔣鋒將BIM技術重點應用于管廊工程施工階段，通過三維立體化的建筑信息，對管廊工程中涉及的復雜結點等部位進行施工模擬，提前發現問題并解決。同時還能夠借助動態化的模擬方式對管廊施工過程中的場地布置、安全預防等做出提前規劃。李飛通過BIM在珠海橫琴管廊工程施工階段的應用探索，列舉BIM在三維場地布置、基坑支護、鋼筋算量、吊裝模擬、現場安裝等方面的示范應用，并肯定BIM在綜合管廊質量控制、成本控制、進度控制等方面的作用，以此解決施工過程中協調不力、交底困難的問題。

3)運維階段 主要研究將BIM技術與GIS、物聯網等信息技術相結合，實現管廊的智能化運維管理。黃秀等提出運用信息化即BIM+GIS手段對綜合管廊運維階段進行數據管理及應急預案管理。徐燕等研究了基于BIM的綜合管廊運維平臺框架，通過分析基于BIM管廊運維平臺的必要性，提出了瀏覽器/服務器的運行模式以及多層次框架，設計了集空間管理、安全管理、用戶管理等于一體的管廊運維管理平臺。

2 工程概況

2.1 項目概況

雄安容東片區是雄安新區先期啟動建設的片區之一，位于容城縣城以東、啟動區和津雄高速以北、津保鐵路以南、張市村以西，規劃用地面積12.7km2。容東片區共分為A，B，C，D，E，F，G 7個社區。本項目設計為雄安新區棚戶區改造容東片區(B，C社區)安居工程配套給水管網系統工程(一期)主管廊管線部分，包含E1路、S333路、N2路和N3路主管廊內輸水、給水、再生水管線、燃氣管線及電纜管線的施工圖設計。

雄安容東綜合管廊項目包含土建系統與機電系統。其中，土建系統主要包含廊體和相關的配套設施，機電系統主要包含消防水管、給水管、熱力管線、電力電纜、電信電纜及DN300預留管等管線，以及消防、照明、通風、監控等自身設備和專用的支吊架。

2.2 項目重難點分析

本管廊項目的重難點為管線定位困難、工程算量困難、回填土算量困難。其主要原因為項目所處地形復雜，有許多彎道，管線隨地形變化，傳統方式無法準確定位管線以及精確計算管線長度，工程算量困難；本項目由于地質情況復雜，在垂直方向上，呈現較為穩定的黏性土、粉土及砂土的旋回沉積，在水平方向上，各土層分布厚度、土巖質特征有一定變化，場地大，項目規劃用地面積12.7km2，地表凹凸不平，地勢由東南向西北逐漸升高，最高處地面高程可達26.000m，最低處地面高程僅6.000m，采用傳統方式進行場地回填土工程算量比較困難。

3 BIM應用前期準備

3.1 BIM實施標準

本管廊項目依據《雄安新區市政工程數據編碼對象技術導則》《雄安新區市政工程BIM模型成果技術導則》《雄安新區規劃建設BIM管理平臺(一期)數字化交付數據標準》《雄安新區規劃建設 BIM 管理平臺信息掛載手冊》《雄安新區規劃建設 BIM 管理平臺 XDB 自檢工具使用說明》等標準進行項目實施，同時助力雄安城市數字化建設，為后期雄安CIM平臺建設提供了建筑模型。

《雄安新區市政工程數據編碼對象技術導則》規定了本管廊項目BIM數據對象編碼的技術要求，包括工程項目勘測、土建、設備等BIM對象的編碼，為BIM建設管理系統及后續運維管理所需的WBS對象、電子文件夾、文檔、組織機構、人員等對象的編碼規則和實施程序。

《雄安新區市政工程BIM模型成果技術導則》規定了本管廊項目BIM模型建設的技術要求，包括模型的分類原則、模型特征信息和編碼、設計信息模型建模范圍和深度等級要求、設計信息模型圖元屬性定義、設計信息模型工程屬性定義、施工信息模型創建、施工信息模型共享等方面的內容。

《雄安新區規劃建設BIM管理平臺(一期)數字化交付數據標準》中明確規定了此綜合管廊的校驗規則，自檢工具按照這些規則，對本管廊項目的XDB數據上傳進入CIM平臺進行逐項校驗，得出通過或不通過的結論，并生成校驗報告。相關專家對報告進行核查，對項目實際信息與報告中不一致的地方進行修正，并將其反饋給XDB數據提供方。規劃管理部門對修正后的校驗報告進行核查，核查項目信息是否符合相關標準，以及項目信息詳細程度能否導入CIM平臺。

《雄安新區規劃建設BIM管理平臺信息掛載手冊》中明確規定了本管廊項目全壽命周期各階段工程項目信息的BIM管理平臺上掛載方式與準則，指導項目各參與方通過BIM管理平臺協作共建管廊項目，對項目的全壽命周期各階段實現動態、實時的跟蹤與監控。

《雄安新區規劃建設BIM管理平臺XDB自檢工具使用說明》中明確規定自檢工具用于導入管廊項目的XDB數據文件、校驗基本數據信息、瀏覽模型數據等。自檢工具按照《雄安新區規劃建設BIM管理平臺(一期)數字化交付數據標準》中的檢驗規則對本管廊項目的XDB數據進行逐項校驗，以此得出管廊項目中存在的問題以及需要改進的地方。

本管廊項目自項目分解、分類、編碼以及上交嚴格遵循以上標準，對標準進行了驗證，實現了項目標準化、體系化。

3.2 BIM解決方案

針對管線定位困難、工程算量困難、回填土算量困難的項目重難點，BIM技術的應用可以有效解決這些問題，提升施工效率，降低施工風險，保質保量完成項目目標。本工程中針對工程重難點的BIM解決方案如下。

1)BIM應用于管線定位

針對管線定位困難的情況，利用Autodesk公司的可視化編程插件Dynamo通過電池組及python腳本可視化編程讀取圖紙高程點批量生成管線及設備結構模型，從而避開已有市政地下管線，且降低施工安全風險。

2)BIM應用于工程算量

針對工程算量問題，利用BIM技術模型進行工程量自動化統計，形成工程量統計表，輔助進行施工下料，較傳統方式更加迅速、快捷、準確。

3)BIM應用于回填土算量

針對回填土算量困難的問題，通過BIM技術可以根據場地模型和軟件內部的運算邏輯計算得出場地回填土量，有效解決該問題。

4 BIM應用實施過程

本管廊項目中BIM技術的應用集中于模型的創建、基于模型的技術應用以及施工過程的管理應用三方面，在發現問題、解決問題、優化方案等方面發揮了極大優勢。

4.1 基于BIM的模型創建

雄安新區容東管廊項目的模型創建分為土建模型和機電模型兩大部分。其中，土建系統包含廊體和相關的配套設施(見圖1)；機電系統包含消防水管、給水管、熱力管線、電力電纜、電信電纜及DN300預留管等管線，以及消防、照明、通風、監控等自身設備和專用的支吊架。

圖1 雄安新區容東管廊項目土建系統

基于BIM的模型創建以Autodesk Revit軟件為主要建模工具，結合Dynamo可視化編程可基于既定工作邏輯批量處理數據、設置參數進而縮減工作量并簡化建模過程。在進行全過程的精確建模時，將管廊變形縫作為分隔段，并合理劃定建模范圍，完善管廊施工工藝相關建筑物、鋼筋、墻梁等結構部件的模型創建。

4.1.1土建模型的創建

本項目土建模型的創建主要包括廊體的節點和標準段，廊體標準段具體細節如表1和圖2所示。以下展開分析土建模型的創建過程以及BIM技術應用優勢。

表1 廊體標準段具體細節

圖2 主體構件構造

1)項目樣板的制作

由于Revit自帶樣板存在出圖不符合規范、部分設置項不能滿足專業需求等缺陷，需制作適用本項目的項目樣板。具體操作中輸入“東距” “北距” “方位角”等信息，選用相對坐標的方法進行坐標定位，以指定項目基點坐標；在±0.000標高處使用多段軸網沿管廊走勢做出中心設計線，并繪制需要的標高、軸網，以便于校核空間數據和模型定位。樣板制作流程如圖3所示。

圖3 土建專業項目樣板制作流程

2)工程數據的收集與提取

管廊為三維線性工程，三維空間線數據的收集與提取為制作參數化族奠定基礎，故信息數據的準確性將直接影響模型的空間定位。

本項目中，收集數據的渠道為設計圖紙，內容以空間幾何信息為主；提取數據的方式為借助CAD直接提取圖紙的三維數據信息。

3)標準段模型的創建

首先依據收集的標準段橫斷面信息利用Revit確定公制輪廓族的主控參數，以參照面為定位基準圖元添加參數開始繪制公制輪廓組。然后新建公制框架族并載入輪廓族，通過“放樣融合”命令生成實體模型，形成參數化嵌套族，如圖4所示，為創建參數化模型做準備。

圖4 參數化嵌套族

借助Dynamo開源可視化編程軟件讀取并篩選所需工程數據后生成三維空間點并連線，在標準段對應的空間位置調用參數化嵌套族生成族實例。將收集的數據復制到對應參數上完成模型的批量生成，實現對模型的高效維護和使用。

4)節點工程模型的創建

節點工程是管廊項目實施重點，設計中的難點。為應對管廊節點中各種管線的流線沖突問題，保證人員通行和管線銜接，需加高、加寬交叉節點結構并設置夾層。

在Revit中依據設計圖紙制作1層節點結構族和夾層節點結構族。本工程中1層結構節點與標準段構造相同，可直接與標準段一起生成，但對于開洞較多或差異較大的節點，應考慮重做其模型；對于結構相對簡單且制作后需要多次應用的夾層節點結構族，可制作參數化夾層模型，在制作較困難時，可以直接通過系統族墻、板在對應位置上進行繪制(見圖5)。

圖5 復雜參數化夾層模型的制作

可利用Dynamo制作較簡單的參數化夾層模型。軟件可準確定位節點，完成主管廊口與支管廊口的契合連接，并達到施工標準。此外，Dynamo中的參數化更改引擎可實現自動協調，即修改節點參數后輸出的模型也隨之變化，大大提高了工作效率。

5)鋼筋參數化設計

借助Dynamo實現鋼筋參數化設計的關鍵是能夠根據曲線生成鋼筋節點，并通過節點編寫創建鋼筋程序，進而實現批量配筋。

本項目中，將Revit與Dynamo結合批量生成了底板、頂板、側墻、隔墻的兩面鋼筋網和拉結筋，有效避開了Revit配筋的局限性，此方法也適用于其他復雜異形鋼筋模型的創建。以下以底板為例簡要介紹鋼筋的參數化設計。

在Revit中打開要生成鋼筋的項目文件，啟動Dynamo并編輯節點，計算出上下鋼筋網主筋與分布筋的數量后再劃分相關曲線即可生成鋼筋模型。需要注意，對拉結筋線型的獲取需要在鋼筋網上定位并經過一系列的列表數據排序和計算，。如此，在Revit三維視圖中便獲得清晰的三維實體，如圖6所示。

圖6 鋼筋三維實體

6)構件編碼的添加

土建模型中的編碼規則遵循《雄安新區市政工程數據編碼對象技術導則》，其中對具體施工對象的編碼規則采用分類碼編碼規則，例如底板的編碼可表示為Q01_01-01-056。本項目利用Dynamo可視化編程，讀取數據路徑，選擇賦予編碼的模型對象，輸入編碼對應的各項數字值。進而將讀取數據進行一一篩選，為編碼整合提供條件。同時，根據選取模型獲取所在坐標值，進行編號序列碼的順次排序。最后進行編碼整合，并將編碼賦予模型。

4.1.2機電模型的創建

本項目機電模型的創建主要分為項目樣板與所需設備族類型的制作、設備、管線及附件模型的批量生成、支吊架模型批量生成3個階段。

1)項目樣板與所需設備族類型的制作

機電模型需要給排水、暖通、電氣3個專業來分別創建，因此需分專業創建項目樣板并載入或新建各自所需族類型，如表2所示。

表2 各專業項目樣板所需族類型

需注意，各專業項目樣板應與建筑項目樣板的標高軸網、文字樣式、標注符號等相統一，便于后期各專業模型的整合和團隊之間模型的通用。機電各專業項目樣板的制作流程如圖7所示。

圖7 機電各專業項目樣板的制作

2)設備、管線及附件模型的批量生成

可結合Revit MEP與Dynamo開源可視化編程軟件以圖形式電池組的編程方式批量生成設備、管線和相關附件模型。

機電模型的創建過程是首先利用CAD加工處理相關圖紙，提取x，y，z數據信息用于復核定位，再載入各系統所需設備的族類型，依據工程數據分割三維空間線，生成族實例，設置參數。

在本項目管廊中的管線及相關附件模型的創建中，首先利用Dynamo將已有的管道空間定位數據轉化為Line，通過Pipe.ByLines節點將其轉化為Revit中的管線模型。如果管線的線性走向與三維空間線相符，則可以直接將三維空間線進行向量偏移；如果管線內部出現坡度變化，則需重新提取管線的三維線性數據。再運用Elbow.ByMEPCurves和Tee.By3MEPCurves節點生成彎頭和三通模型。最后，從圖紙中提取附件插入點坐標數據信息，經過程序內部運算后通過MEPFitting.ByPointsAndCurve節點生成附件模型，完成機電專業中管線及附件模型的批量生成，如圖8所示。

圖8 支吊架模型批量生成

3)支吊架模型批量生成

由于本項目涉及管線類型較多，需在綜合排布后布置支吊架確定最終排布方案，優化管道路徑。支吊架模型批量生成過程如下：首先，利用Revit制作本項目所需的參數化電纜支架族；然后，利用Dynamo處理數據的程序腳本計算出三維空間線，進行平移后再等分找點；最后，調用參數化電纜支架族，依據空間點坐標放置族實例并設置參數值。如此，實現支吊架模型的批量生成。此方法適用于其他管廊內部構件的線性放置。

4)設備編碼添加

機電模型中的編碼規則遵循《雄安新區市政工程數據編碼對象技術導則》。具體編碼內容由前綴碼、項目碼、功能建筑物碼和設備對象碼組成，編碼方式可利用Dynamo可視化編程實現。

4.2 基于BIM的技術與管理應用

4.2.1基于BIM的技術應用

1)碰撞檢查及調整

在實際建造前利用所建模型確定不同屬性管線的顏色，明確管線材質、管徑尺寸等信息，利用Navisworks軟件對綜合管線進行碰撞檢查，暴露空間沖突關系，得出包含圖像導引和相關碰撞管道ID號等信息的碰撞報告。基于此，各專業人員可對所有碰撞按重要性分級，按碰撞類型分類，并對碰撞點進行調整(見圖9)，進而合理排布吊架、橋架、管線等，完成BIM管線綜合模型(見圖10)。如此，提前發現并解決了管道、管線及附屬設施之間存在的沖突問題，從而達到降本增效的目的。

圖9 本項目部分管廊模型

圖10 碰撞調整前后對比

2)方案優化

首先，利用Revit、Navisworks等BIM軟件設計調整模型并接入進度數據進行施工過程模擬。基于模擬結果驗證各方案在施工工藝、施工順序等方面的合理性，并判斷能否直觀準確反應設計意圖，協助處理復雜作業空間關系，解決空間沖突問題。最后在科學比選與合理優化后確定最終方案，以保障方案的周密性、可行性和經濟性。此外，本項目建立了基于BIM技術的施工方案庫，提高了施工方的編制效率和質量。

3)精細工程量

基于所建模型，可批量導出統計管線長度、鋼筋數量、混凝土下料、鋼筋綁扎等多類明細表單明確工程信息以指導施工，如管道明細表提取了各類管線的尺寸、數量等信息。如此，切實提高了工作效率，減少了材料損耗，也為計價、采購等工作提供了數據基礎。

4)三維可視化交底

本項目將施工BIM三維模型通過交流屏幕分解施工過程，并講解技術參數，對施工人員進行技術交底，實現了設計圖紙、施工設計以及其他專項方案、分部分項工程的三維可視化交底，解決了技術方案細化程度不夠、交底不明確、效果不直觀等問題。將各種結構圖、細部詳圖、鋼筋排布等以三維方式展現，工程效果或施工過程以視頻或動畫方式呈現，能夠使工程技術人員和施工人員更好地了解設計意圖、各關鍵節點的工藝方法、質量標準、安全注意事項等。

4.2.2基于BIM的管理應用

1)安全質量管理

本項目采用云平臺的安全質量管理模式，利用移動端協助質量安全管理措施的實施與核查。通過移動端與云端協同平臺的一體化應用，進而實現現場管理從粗放式向精細化、集成化和信息化的轉變。具體來講，手機、iPad等移動端用于辨別危險源和發現質量問題，記錄并反饋至BIM云端。BIM云端作為信息的中轉處理平臺，面向責任人接收、查看問題，并反饋相應的整改方法。如此，形成從發現問題到解決問題全過程的閉合管理機制，有助于提高現場安全質量管理水平。

2)進度管理

將BIM模型與施工進度計劃相鏈接，即將空間信息與時間信息整合在一個可視的4D(3D+time)模型中，動態模擬各施工區的流水作業，進而直觀對比模擬進度與實際進度。如此，可精確反映整個建筑的施工狀態，便于管理人員隨時查看進度信息，及時調整施工進度，進而合理安排施工任務和設備使用，降低人員的窩工率和機械的閑置率，提高施工效率。

3)資料管理

基于BIM云平臺，依據本項目參建方與主管部門、各專業類別等分別創建文件夾管理相關資料，實現文檔從創建到終止使用的全過程信息化管理，也便于參建方之間、部門之間、人員之間的信息交流。在具體的項目實施中，工作人員可將圖紙等資料上傳至云平臺并與模型建立關聯，施工現場可通過二維碼掃描快速獲取構件相關信息，可自定義獲取、查看資料的權限，解決了傳統的資料管理中存儲分散、權限控制不清、因人員調動相關經驗無法延續等問題。

4)物資管理

本項目根據施工需求，利用BIM模型分析每個施工階段對于物資的需求并提取物資信息，可協助物資采購工作的開展，確保物資供應滿足實際施工需求。本項目中，基于過程模擬得到并導出各階段所需物資，將物資信息與模型構建關聯實現物料可追蹤，在平臺中注冊登記所有機械設備并生成管理二維碼，實現了一機一證全過程覆蓋的可追溯式管理，如圖11所示。此外，借助Dynamo完成了對各模型單元的批量編碼，實現了編碼與物料的唯一對應，便于物資管理。

圖11 物資管理

5 結語

本管廊項目基于自身工程特點，堅持高標準、高要求、高水平建設，在項目前期以雄安新區建設標準為主要指導制定了BIM技術應用方案，在項目中后期將BIM技術應用于技術操作和管理操作中，借助BIM技術優勢提升了項目水準。本項目中的BIM技術應用主要體現在以下幾方面。

1)綜合利用Revit與Dynamo可視化編程軟件創建了土建模型和機電模型，用于集成工程信息，指導施工。

2)基于BIM技術實現了管線綜合碰撞的檢查、調整以及虛擬施工，用于提前發現問題并解決。

3)基于BIM云平臺實現了高效及時的團隊交互與協作，用于提升安全質量、工程進度、資料等的管理水平。

綜上所述，BIM技術的應用助力了本項目在建設水平、工程進度、團隊協作等多方面的綜合提升，響應了雄安新區的高標準建設要求，為雄安新區打造智能城市信息管理中樞奠定基礎，也為BIM技術在管廊項目中的應用提供了借鑒。