基于BIM技術的綜合管廊全生命周期典型問題應對研究

張楠

（上海市隧道工程軌道交通設計研究院）

1 引言

綜合管廊作為一種集約化的市政管線解決方案，能加快災情響應、增強區域韌性、改善城市環境，對中國進一步城鎮化發展和城市基礎服務能力的提高有著重要作用。但由于國內綜合管廊行業發展時間較短，規劃設計、建設、運維各階段所涉及的影響因素又紛繁復雜，導致管廊在其全生命周期的各階段均面臨各種各樣的問題，如“規劃過量或不足”“建設周期過長”“功能設置缺失”“管線入廊困難”“運維管理無序”等，嚴重制約了綜合管廊功能的有效發揮。

BIM（建筑信息模型）是一種集成模型及信息的數字應用技術。就目前國內情況而言，BIM 在住宅建設、商業開發、軌道交通等領域均有了較多運用，但在綜合管廊全生命周期上的應用還較少[1]。因此，本文通過對國內一些綜合管廊案例的分析，從規劃設計、施工、運維階段討論目前管廊開發建設中存在的典型問題，并淺談BIM 技術的引入將提供怎樣的針對性解決方案。

2 綜合管廊全生命周期典型問題分析

2.1 規劃、設計階段

綜合管廊規劃設計主要包含基坑、結構、電氣、自控、智能化、暖通、消防、排水、標識標牌等專業，同時需考慮管廊建設與相關道路、管線、橋梁、地塊開發、地下空間、軌道交通等的關系，是一個復雜的系統性工程，以下梳理了設計過程中易出現的問題。

1）與相關規劃協同性差

各市政管線專項規劃制定時，通常還沒有綜合管廊的建設計劃，管線的規劃布置均勻分散。而當綜合管廊專項規劃編制后，各市政管線專項規劃常常未能及時地做出調整，導致了規劃間的沖突。管廊與道路的規劃也常因建設時序的不統一導致問題頻出。

2）各專業間存在沖突

管廊各專業設計圖紙常因溝通不到位，易出現錯誤和沖突。如“爬梯護籠影響支架敷設”“落水管處支架未加長”“照明消防設備布置未預留機器人巡檢通道”“預留洞口遺漏”“尺寸標注錯誤”等。此類問題經常造成施工停滯甚至破除返工。

3）內部空間布置不合理

綜合管廊的部分功能節點內部空間復雜，以交叉口為例，需考慮相交管廊的管線連接、人員互通，同時還要保證每條管廊空間獨立、互不影響。更有部分功能集成式交叉口，還需同時兼顧通風、設備吊裝、管線引出、供配電、人員逃生等功能。如何在最小的空間內滿足所有功能同時保證互不沖突，設計難度大，考慮不到位易出現局部不合理的情況[2]。

4）管廊設計與外部要素不協調

管廊建設對道路、直埋管線、橋梁、地塊開發、地下空間、軌道交通、人防工程等都具有重大影響。就調查的工程實例而言，管廊設計與相關外部設計間的協調性較差，易出現各種沖突。如“管廊引出排管與道路直埋排管標高沖突”“管廊口部標高與綠化標高沖突”“管廊布置與橋梁樁基定位沖突”“管廊設計未按要求考慮人防”等。

另一方面，作為管廊建成后的實際使用者，各入廊管線設計對管廊設計影響巨大，但目前管線設計常常嚴重滯后于管廊設計，甚至存在管廊施工完成后尚未開展入廊管線設計的情況，造成了管廊大量后期的變更、改建，造成資源浪費。

2.2 施工階段

綜合管廊為線性工程，施工作業面大、周期長、環境影響控制要求高，且100 年的設計使用年限對管廊施工質量提出了較高的要求，以下梳理了施工階段存在的典型問題。

1）施工組織能力有待加強

綜合管廊施工時面臨諸如“土建各工種協調施工”“安裝工種與土建工種協調施工”“管廊安裝與管線入廊同步施工”“不同管線單位協調施工”等多種施工組織問題，其中涉及質量控制、人員安全、資產管理、風險防控等多方面，據目前國內管廊實例調查結果顯示，相關施工組織能力普遍有待加強[3]。

2）施工質量有待加強

管廊施工過程中常出現諸如“預留洞口缺失”“結構滲漏”“設備安裝定位錯誤”“設備間相互沖突”“口部標高偏差”等各種問題，這些問題導致的返工修正，都將嚴重浪費建設成本和人力資源，且有些問題，如結構滲漏，一旦出現，將影響管廊整個使用期，難以完全修復。

3）與周邊協同建設能力差

在國內，管廊建設通常和新區開發同步實施，這就意味著管廊施工時需同步考慮相關道路、管道、橋梁、周邊建筑物等的施工情況。如何協同施工以實現“避免新建道路二次開挖”“管道敷設和管廊施工同槽共坑”“周邊建構筑物與管廊同步施工時相互影響最小”等，需要包括管廊在內的所有參建單位共同提高協同建設能力。

2.3 運維階段

綜合管廊的運維管理是一個復雜的工程，涉及結構本體監測，入廊管線管理，通風、照明、供電、消防、排水、標識、監控、報警等設備的維護，人員組織，資料處理等，根據對國內目前已投入運行的管廊的調研，發現各地的運維管理都存在一些問題。

1）信息化程度不足

目前管廊運維管理中，部分工作仍采用人工紙質記錄的方式，工作效率和協同度不高。此外，由于現場記錄的紙質文件經常未能及時歸檔，導致資料大量缺失，不利于后期運維推進。

2）協同管理效率低

入廊管線的信息系統和管廊運維管理系統采用的標準不同，相互之間難以進行信息的有效共享，信息孤島化問題嚴重，協同效率低[4]。此外，存在部分城市建設多條管廊但未采用統一管理標準的情況，導致多條管廊只能各自安排運維管理人員，制定不同的管理細則，無法統一。

3）數據處理能力弱

管廊運維過程中產生的數據量巨大，但同時又非常分散，關聯性不強。目前，管廊的管理系統普遍還是以二維形式呈現設備的運行狀態，信息顯示不夠直觀，涉及同一事件的各項信息通常分布在多個不同的界面，運維人員快速準確地處理此類信息、獲取管廊運行狀態并識別災情預警的難度大，操作尤其是應急操作時相當不便利，嚴重影響響應速度。

3 BIM技術的應用

通過對上述管廊生命周期各階段的典型問題的分析，本文認為造成各問題的核心矛盾可歸為幾點。

①傳統設計分析針對復雜邊界條件的整合、處理、協同能力弱。

②傳統二維分析的平面化工作流缺少三維可視化功能，無法提前模擬，易引起錯漏碰缺。

③傳統管理模式的全盤統籌和細節處理的能力均有待加強。

④傳統管理模式缺少信息存儲、處理、分析平臺，無法集中進行模塊化利用。

而BIM 技術通過一系列先進的理念和技術手段，可以為解決上述矛盾提供方向，下文對此展開論述。

3.1 BIM設計協同管理平臺

通過搭建服務于綜合管廊建設項目的BIM設計協同管理平臺，可實現跨區域、跨部門、跨單位、跨專業間的高效協同。依托于圖元級協同設計環境，可構建在任何時間，任何地點對工程信息的輕量化安全訪問、溝通、處理機制，如圖1 所示。徹底打破傳統設計分析時的信息壁壘和信息延遲，實現對相關復雜邊界信息的快速收集和分析，進而提高設計準確性和可靠性。

圖1 設計協同管理平臺實時查看、批注功能示意

規劃階段運用此平臺，可以更高效準確地分析相關上位規劃和近遠期需求，提高規劃制定準確性。也能在規劃過程中，實時對接相關市政管線專項規劃，做到多規同步調整，也便于更前瞻性地分析規劃落地可行性。

設計階段運用此平臺，最大的優勢在于解決管廊設計和外部要素不協調的問題。通過將管廊、道路、管線、橋梁、地塊開發、地下空間、軌道交通、人防工程等所有相關的要素納入統一平臺，形成關聯模型，并實時聯動變更，可大大減少各單位溝通過程中對時間和空間的依賴，提高溝通效率的同時，增加準確性，如圖2所示。同時，平臺對于提高管廊自身各專業間的溝通協同能力也有巨大作用，減少專業間錯漏碰缺的發生[5]。

圖2 管廊與外部要素相對關系，節點優化分析

3.2 三維協同設計

三維協同設計基于標準化、模塊化的三維參數資源庫，利用軟件協同環境開展設計[6]。其有別于傳統二維設計，大大提高了專業間的協調性和設計方案的指導性，有效減少了重復工作、效率低下、錯漏頻出的問題，如圖3所示的工作井管線設計。

圖3 三維協同管線設計

以該技術應用于管線綜合設計為例，如圖4 所示，當所有結構、設備、管線呈現在一個三維模型內，是否存在沖突或不合理處將變得清晰可見，模型可根據需求實時地調整，確保各專業無誤后再生成施工圖，避免了工作的反復。

圖4 管線綜合設計

3.3 基于BIM+GIS的建設協同管理平臺

基于BIM+GIS技術搭建建設協同管理平臺，可涵蓋業主、勘察、設計、施工、監理、材料供應商等參建各方的建設行為、勘察成果、設計圖紙、模型、技術資料、各類文檔日志等。同時整合管廊及管廊周邊相關道路、管道、橋梁、建筑物等外部要素的BIM 模型[7]。一方面有效提高施工協同性，以實現“避免新建道路二次開挖”“管道敷設和管廊施工同槽共坑”“周邊建構筑物與管廊同步施工時相互影響最小”等需求，另一方面有助于提高施工組織管理能力，解決質量控制、人員安全、資產管理、風險防控等各方面問題。

其次，還可利用BIM三維可視化特點，針對項目的復雜施工難題進行專項施工方案模擬，實現先模擬后施工，降低施工難度和返工頻率，提高效率[8]。

3.4 管廊智能運維管理平臺

通過物聯網技術（IoT）可實現監測目標與互聯網的連接[9]，高效地獲取非結構化數據所蘊含的有效信息。再通過對龐大數據的深度處理和綜合分析，幫助運維人員及時、高效、準確地做出決策。

通過BIM輕量化及可視化技術將大量復雜數據（如資產數據、設施設備運行狀態參數、統計分析的結果）進行疊加，并以三維模型圖像方式進行表達，有效提高運維人員讀取、利用數據的效率[10]。

通過移動互聯技術和信息化臺賬管理，幫助管理人員隨時隨地獲得通知、掌握信息、上傳工作記錄，保持移動端與運維管理平臺信息同步，實現高效溝通，如圖5所示。

圖5 移動端可視化管理

4 結語

本文對綜合管廊全生命周期各階段存在的典型問題進行了分析，并從問題產生的根源上討論了BIM技術的引入對管廊建設的積極影響，通過“BIM設計協同管理平臺”“三維協同設計”“基于BIM+GIS的建設協同管理平臺”“管廊智能運維管理平臺”等技術的合理運用，綜合管廊全生命周期的表現將會得到巨大提升。而如何在現有的傳統建設框架下，適時適度地推進BIM 技術在綜合管廊上的應用，并最終達成真正的信息化建設是值得深思和努力的。