探究BIM在優(yōu)化現(xiàn)代管網工程項目管理中的價值核心

中圖分類號：TQ053.6;TP391.92 文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）07-0172-03

Abstract：Through case studies，the practical application and value of BIM in the engineering design，construction and operation optimization of pipe networks were revealed.The key role of non-sequential dynamic programming algorithm intheoptimization oflarge-scalepipenetwork system wasdescribed.The algorithm could eficientlydivide thecomplex large pipe network into specific smallstructures，ptimize independently，and integrate these results to obtain the optimal solution of the entire pipe network.BIM played a crucial role in this process，with its real-time dataintegration anddynamic simulation capabilities ensuringaccuracyand eficiency in theoptimizationof steadystate operations of the pipe network.Practical case studies further confirmed the practical value of BIM in modern pipe network project management.The succesful application of the combination of BIM and dynamic programming and dichotomy inthe steady-state operation optimization of pipe network marks that pipe network engineering project management has entered a new stage ofdevelopment.

Key Words：BIM；pipeline network；dynamic programming；bisection method；optimization現(xiàn)代城市的發(fā)展對管網工程的設計、施工及運 維提出了更高要求，傳統(tǒng)管理方式依賴二維圖紙和

手動數(shù)據(jù)處理，信息不對稱常導致沖突、返工和成本增加[1-3]。建筑信息模型（BIM）的引人，為管網工程提供了多維數(shù)據(jù)集成與協(xié)同管理的新路徑。在設計階段，BIM能夠直觀展示管線布局，避免交叉沖突，提升設計效率。王亞太等研究表明，BIM技術在地下管網優(yōu)化設計中提前識別空間沖突并動態(tài)調整，減少返工和修改成本[4]。BIM的參數(shù)化設計功能還支持管網組件的自動更新，顯著提升了設計的可靠性[5]

在施工階段，BIM的三維建模與仿真技術優(yōu)化了施工路徑，減少資源浪費，并支持4D進度模擬與5D 成本管理[6。馮時等的研究指出，在大型污水處理管網施工中，BIM減少了施工沖突，并提升了各專業(yè)團隊的協(xié)同效率[7]。此外，BIM提供的全生命周期數(shù)據(jù)支持，實現(xiàn)了運維階段的實時監(jiān)控與預警，大幅提升了安全性與穩(wěn)定性[8-10] 。

盡管BIM在管網管理中展現(xiàn)了優(yōu)勢，但在大規(guī)模優(yōu)化中仍面臨數(shù)據(jù)交互不暢和非線性優(yōu)化難題。傳統(tǒng)優(yōu)化算法難以解決復雜環(huán)狀管網的多變量問題，基于此，本文提出結合動態(tài)規(guī)劃（DP）與二分法（BisectionMethod），通過分塊優(yōu)化與逐級求解，實現(xiàn)復雜管網的全局最優(yōu)求解，并驗證其實際應用效果。

1單線程管道運行優(yōu)化數(shù)學模型

1.1 目標函數(shù)

在單管道系統(tǒng)的運作優(yōu)化中，主要追求的是降低整條管道的綜合能量消耗 （F） 的目標。為了精確闡釋并處理這一調優(yōu)難題，相關的數(shù)理模型應用如下：

式中： c 為機站總數(shù)； N_i 表示第 i 站機組總功率。

1.2 優(yōu)化變量

在單線管道的優(yōu)化數(shù)學模型中，僅有出站壓力作為優(yōu)化變量 （p_d，i） 。

X=[p_d，i]（i=1，2，…，c;c∈m）

1.3 環(huán)狀管網優(yōu)化數(shù)學模型

含環(huán)狀結構的管網是復雜的，常見的有多個環(huán)和分枝管道。在這類結構中，優(yōu)化目標集中在最小化機組的總功率。為實現(xiàn)該目標，必須滿足諸如管道承壓能力、水力熱力平衡、機組性能和節(jié)點流量平衡等約束條件。

2BIM與動態(tài)規(guī)劃、二分法的管網聯(lián)動應用

2.1 BIM在管網工程的應用

2.1.1管道碰撞效果

BIM技術因其三維可視化功能在環(huán)保建設項目中起著至關重要的作用。它有效避免了管道沖突并減少了重做的必要。三維功能不僅提高了管道和空間布局的設計效率，還可以自動檢測并處理管道間的沖突，保障了管道布置的合理性。BIM的直觀和可視特點允許在調整管道布局過程中充分考慮業(yè)主的空間利用要求和期望，進而提高了建筑施工的總體質量與作業(yè)效率。

2.1.2管線綜合設計及管網綜合排查

在超高層建筑和其他復雜結構的設計和施工中，管網的復雜性常常是一個重要問題。由于管網的錯綜復雜，人工檢查圖紙的效率和準確性常常受到限制，尤其是在處理三維空間和大量細節(jié)時。在傳統(tǒng)方法中，由于無法同時檢查剖面和平面的位置，人工檢查往往無法全面理解和處理空間立體關系，導致施工不合理、碰撞和其他問題的出現(xiàn)。BIM可以自動生成管網的三維模型，并自動檢查潛在的碰撞和不合理的設計。

2.2 動態(tài)規(guī)劃

在應用動態(tài)規(guī)劃算法解決該模型時，主要步驟涵蓋了定義狀態(tài)空間、實施站與站之間的遞歸、在站內進行遞歸以及執(zhí)行算法的逆向追蹤。狀態(tài)空間由所有可能的出站壓力組成，其上界是管道的設計壓力。實施站與站之間的遞歸關注從一個壓力階段到下一個的轉變，依賴水力和熱力計算。站內進行遞歸從進站工況推算出站工況，計算壓縮機參數(shù)和能耗。執(zhí)行算法的逆向追蹤在最后階段確定整體最優(yōu)運行方案。這一算法在單線管道中表現(xiàn)出色，但在環(huán)狀管網中由于優(yōu)化變量復雜性增加，其效果有限。

2.3 二分法

二分法是一種非常基礎和有效的數(shù)值方法，主要用于查找定義在閉區(qū)間 [a，b] 上的連續(xù)實值函數(shù)f（x） 的根。該方法的原理是基于中值定理，即如果函數(shù) f（x） 在區(qū)間[a，b］上連續(xù)，并且在區(qū)間兩端有不同的符號，那么 f（x） 在區(qū)間 [a，b] 上至少有一個根。二分法的步驟如下：

（1）確定閉區(qū)間 [a，b] ，并計算中點的位置： c=? （a+b）/2 ：

（2）計算中點 c 處的函數(shù)值 f（c） ：

（3）根據(jù) f（c） 的值，決定新的搜索區(qū)間。如果f（c） 為0，那么 ∣c∣ 就是方程的根。如果 f（c） 和 f（a） 具有相同的符號，則根位于 [c，b] 區(qū)間，令；如果 f（c） 和 f（b） 具有相同的符號，則根位于 [a，c] 區(qū)間，令 b=c ：

（4）重復以上步驟，直到滿足預定的精度要求或者達到最大迭代次數(shù)。

2.4動態(tài)規(guī)劃和二分法融合策略助力BIM管網

在劃分管道網絡模型時，每個環(huán)形或支形單元都被當作一個單獨的小規(guī)模單元來處理。例如，參照常見的管網，若它能被劃分為5個獨立單元，涵蓋4個環(huán)形單元以及1個支形單元。對這些單獨單元的分析是在已知一個單元的輸出壓力、流量、溫度和下一單元的輸人壓力的前提下進行的。如果能夠確定上游或下游環(huán)的起點流量 q₁ 或 q₂ ，那么就可以采用“站對站遞推”的動態(tài)規(guī)劃方法來計算其他必要的參數(shù)。

3 案例分析

3.1 工程概況

本項目為國網電科院科研及生產支撐用房，計劃入駐生產實驗人員110人，總建筑面積15452.40m² ，其中地上9層，建筑面積為12472.92m² ，供科研實驗使用;地下一層，建筑面積為 2 979.48m² ，作為汽車庫和水泵房、配電室、制冷機房、弱電機房等設備用房。建筑總高度 38.3m （結構面層），室內外高差 0.60m 。主體結構形式采用框架剪力墻結構，現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板。

3.2基于BIM的管網碰撞監(jiān)測

在利用Navisworks軟件進行碰撞檢查時，將結構模型和管網綜合模型導入至該軟件中。以項目的一層為例，總共檢測出115個碰撞點。這些碰撞點被分為3類：同一專業(yè)類別管線間的碰撞、不同專業(yè)類別管線間的碰撞以及管線與結構模型間的碰撞。

3.3基于BIM的項目管網系統(tǒng)

管道布置遵循以下原則[8-10]：

（1）給水、消防、熱力等小管徑管道需避開大管徑的通風管道；（2）優(yōu)先將電氣橋架布置在頂部，水管則置于底部；（3）避免在用水房間下方布置母線；（4）必須確保像通風、供水、消防以及供熱這些有壓力的管道系統(tǒng)規(guī)避了如排水和冷凝水這類無壓力管道系統(tǒng)；（5）應在寬敞的區(qū)域避免將風管與其它管道垂

直并行設置；（6應盡可能避開供熱管道的轉彎處，尤其是向上的轉彎，而且應該在這些位置安裝排氣裝置。

這些原則目的在于確保管道布置的合理性，增加施工效率和安全性。

3.4融合策略助力BIM管網優(yōu)化

該項目的管網結構復雜，特別是其存在的環(huán)狀結構，其上下環(huán)管道都裝有壓縮機站，使流量成為一個復雜的決策變量，超出了常規(guī)動態(tài)規(guī)劃算法的解決能力。為實現(xiàn)能耗最低的運行目標，采用了動態(tài)規(guī)劃和黃金分割混合算法，并用Python開發(fā)了一個應用程序來找到管網最優(yōu)運行方案。優(yōu)化后的總功率相較于優(yōu)化前降低了 6% ，主要功率減少發(fā)生在壓縮機站。

4結語

探討了BIM在現(xiàn)代管網工程項目管理中的顯著價值。BIM通過其多維、動態(tài)的建筑模型和實時信息更新與共享功能，在提升項目管理的準確性、效率以及降低錯誤和延誤方面展現(xiàn)出巨大潛力。特別是在管網穩(wěn)態(tài)運行優(yōu)化方面，動態(tài)規(guī)劃及二分法的引入，讓項目管理者能夠將復雜的大管網分割成特定的小結構進行優(yōu)化，再整合這些優(yōu)化結果以獲取整個管網的最優(yōu)解，進一步凸顯了BIM的優(yōu)勢。

實際案例研究表明，BIM不僅在設計和建造階段實現(xiàn)了顯著優(yōu)化，也推動了跨學科協(xié)作和溝通，降低了項目延誤和成本。預見到BIM技術將繼續(xù)成為推動管網工程項目管理創(chuàng)新和效率的關鍵因素，引領整個行業(yè)向更高效、更可持續(xù)的方向發(fā)展。

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