BIM技術在市政管網三維參數化設計中的應用

0 引言

市政管網系統作為現代城市不可或缺的組成部分，承擔著水資源輸送、廢水排放、能源供應等重要職能，其設計、建設和運維的成效直接關系到城市的正常運行、居民的生活質量以及生態環境的保護[1]。然而隨著城市化進程的加速，市政管網系統運行壓力日益增大。一方面，城市規模的擴大和人口的增長對管網系統的容量、效率和安全性提出了更高要求；另一方面，管網的復雜性和隱蔽性使得其設計、施工和維護工作變得異常艱難。傳統上，市政管網的設計主要依賴于二維圖紙和手工計算，不僅效率低下，而且難以全面、準確地反映管網的實際情況[2]。例如，二維圖紙難以直觀展示管網的立體布局和空間關系，容易導致設計錯誤和施工沖突；手工計算則難以精確評估管網的水力性能、結構安全等關鍵指標，增加了運維風險[3]。

近年來，BIM技術逐漸進入市政管網設計領域，為市政管網的三維參數化設計提供了新的解決方案。通過BIM技術，設計人員可以創建高度精細的三維模型，直觀展示管網的布局、材質、尺寸等詳細信息；同時BIM技術還具備強大的參數化設計能力，允許設計人員在模型中直接修改參數，實現設計的即時更新和優化[4-5]。本文旨在深入探討BIM技術在市政管網三維參數化設計中的應用，以期為市政管網的設計與管理提供新的思路和方法，推動城市基礎設施建設的可持續發展。

1項目概況及特點

1.1 項目概況

某城市新區規劃面積為 15km² ，規劃人口約20萬人，定位為生態宜居與產業融合的綜合型城區。隨著區域開發進程加快，現有市政管網系統（包括給水、雨水、污水、再生水、燃氣及電力通信管線）已無法滿足未來發展需求。為提升市政基礎設施承載能力、優化城市功能布局，需新建及改造市政管網系統。

工程主要內容包括新建一條DN800主給水管線，全長約 10km ，沿途設置加壓泵站及水質監測站，以確保水質安全與供水穩定。改造原有合流制排水管道為分流制，新建雨水管道DN1200與污水管道DN600各一條，總長度約 15km ，增設雨水調蓄池，并對污水處理廠改造升級，以提升排水效率與水質處理標準。

1.2項目特點

1.2.1地下環境復雜且數據缺失

城市地下空間已存在大量既有管線（如電力、通信、燃氣等），但資料不全或精度不足，導致設計沖突風險高。同時地質條件復雜（如軟土、高水位、巖層等），需針對性設計管道基礎和防腐措施。同時不同管材（如球墨鑄鐵管、HDPE管）對施工工藝要求差異大，易出現接口滲漏、回填沉降等問題。

1.2.2多專業協同設計困難

市政管網工程涉及給水、排水、燃氣、電力等多個專業，傳統設計模式下各專業圖紙分離，易出現管線交叉沖突。同時管網設計需滿足流量、壓力、坡度等動態參數要求，傳統設計方法難以快速響應變更。

1.2.3 交通組織復雜

城市市政管網工程施工期間，施工場地狹窄，大量材料、機械設備和人員需要進出施工現場，會對附近居民出行和車輛交通造成影響。

1.2.4 工期緊張

市政管網工程的工期通常較為緊張，尤其是在舊城

區改造工程中，施工需要在確保交通基本順暢的情況下進行，且需要避開交通高峰期，進一步增加了工期的壓力。

2BIM技術概述

BIM技術是一種基于三維數字模型的建筑信息管理方法，其通過創建和利用建筑項目數字化模型，實現項目全生命周期內的信息共享和協同工作。BIM技術具有可視化、協調性、模擬性和優化性等特點，能夠有效提高設計效率和質量，減少錯誤和返工。

在市政工程領域，BIM技術的應用范圍不斷擴大，涵蓋了道路、橋梁、管網等多個方面。特別是在市政管網設計中，BIM技術能夠實現管網系統的三維可視化、參數化設計和信息集成，為管網規劃、設計、施工和運維提供全面的技術支持[6-7]。

3BIM技術的具體應用

3.1建立地下管網BIM模型

3.1.1 模型構建環節

建立管網源BIM模型時，通過Revit軟件整合管網溯源排查數據，構建標準化建模資源庫，包括定制化排水構件族、專用項目樣板以及管道參數化系統。設置材質參數時，建立管材性能數據庫。

在模型構建階段，依托Dynamo可視化編程工具實施自動化建模，通過解析溯源圖紙數據批量生成具有精確管徑、標高與坡度的三維管網架構，同步集成雨水篦、檢查井等附屬設施。為提升模型可讀性，運用可視化編碼系統對雨污分流管道進行色彩區分，并附加流向標識紋理貼圖，建立地下排水管網模型。地下管網局部模型示意如圖1所示。

圖1地下管網局部模型示意

3.1.2模型信息深化環節

在模型信息深化環節，通過Revit參數化功能將管網整治數據植入模型構件，包括管井定位編碼、結構性缺陷坐標、修復工藝工法等關鍵屬性。依據《城市工程管線綜合規劃規范》，構建低壓燃氣管與直埋電力管水平凈距 ?0.5m 、垂直凈距 ?0.5m 等規則，同時按“重力管 gt; 壓力管”、“大管徑 gt; 小管徑”設置避讓優先級，動態調整高程。這不僅實現了管網三維形態的精準復現，更構建起涵蓋空間關系與運維數據的多維信息模型，為后續管網診斷與修復方案制定提供數字化基礎。在此次某段給水管網設計中，通過參數化規則自動規避地鐵盾構區間，減少人工調整時間 65% 。

3.2BIM協同平臺

BIM協同平臺為所有參與者提供了一個單一的數據源，與項目相關的信息均集中存儲在BIM協同平臺上。無論哪個專業的設計師進行修改，其更新都會立即反映在整個模型中，確保所有團隊成員都能訪問到最新、最準確的信息，實現市政管網的參數化協同設計。

通過云服務或其他在線協作工具，BIM模型支持實時同步功能，允許分散在不同地理位置的工程人員同時對同一項目進行操作。這種即時性不僅提高了工作效率，還促進了跨部門間的有效溝通，減少了誤解和沖突。

除此之外，相比于傳統的二維圖紙，三維模型提供了更加直觀的視角，幫助非專業人士更好地理解和參與到工程建設當中來。例如，在設計評審會議中，利用三維模型展示設計方案，能夠使各方更容易達成共識。BIM平臺界面示意如圖2所示。

圖2BIM平臺界面示意

3.3市政管網設計優化

3.3.1管線局部碰撞檢測與方案優化

基于三維協同設計平臺的管網優化設計，通過建立多維屬性檢索體系（含管井編碼、敷設工法、管材參數等12類特征維度），能夠快速定位目標管線并執行空間沖突解析。如BIM平臺能夠自動檢測新建雨污管道與既有管網的空間干涉情況，通過碰撞檢測算法預判后續施工沖突的概率，同步生成管線路由優化建議方案。管線局部碰撞分析如圖3所示。

在確定管道修復方案時，設計人員可動態分析整治點周邊地下管網分布密度、地表建筑限高等空間約束條件，結合管網缺陷評估參數庫，通過修復工法智能匹配引擎生成最優施工方案。除此之外，還可結合GIS地質雷達數據，自動標記溶洞與松散土層區域、禁止管線穿越等。這種虛實融合的設計模式顯著提升管網改造工程的方案可行性，實現了從傳統經驗決策向數據驅動決策的技術跨越。

3.3.2局部管線爆管模擬與方案優化

通過模擬管網在不同工況下的水流狀態，評估管網的水力性能，包括流速、流量、壓力等關鍵參數，有助于發現管網中的潛在問題，如水流不暢、壓力不足等，并提前進行優化設計。通過流速和流量的分析，確定管網中的瓶頸和過載區域，可為優化設計提供依據。

此外，利用水力性能模擬計算管網中各點的壓力值，可生成壓力分布圖。通過對壓力分布進行分析，評估管網的壓力穩定性，有助于發現潛在的壓力不足或過高區域，并采取相應的措施進行整改。

水力性能模擬還可以用于模擬管網中的故障情況，如管道破裂、閥門失效等。通過模擬故障情況下的管網水力性能，評估故障對管網運行的影響，有助于制定相應的應對措施。局部管線爆管模擬分析如圖4所示。

圖4局部管線爆管模擬分析

3.4 應用效果

在本項目中，通過BIM協同平臺自動檢測管線與地下構筑物（如地鐵隧道）的交叉沖突，發現并優化了32處設計隱患（如排水管與燃氣管間距不足）。同時結合EPANET（給水管網模擬軟件）和GIS空間分析功能，模擬不同工況下的水壓、流量分布，優化管徑選擇和泵站布局，使供水效率提升 18% 。

通過構建云端協同平臺，設計、施工、監理單位實時共享模型數據，同步更新設計變更信息，減少溝通成本 50% 。利用BIM模擬技術，結合GIS地理圍欄，模擬管線分段施工順序，優化土方開挖方案，縮短工期 15% 0

市政管網BIM設計與傳統設計方式應用效果對比結果如表1所示。從表1中能夠發現，基于BIM的市政管網設計參數化建模和自動化分析能夠大幅縮短設計周期，顯著減少施工風險，從設計到運維的數字化貫通，為智慧城市基礎設施奠定基礎。

表1市政管網BIM+GIS設計與傳統設計方式應用效果對比

4結束語

通過BIM模型的多維度空間分析的市政管網參數化設計，設計人員能夠在地表實景三維環境中同步解析地下管分布關系，顯著提升跨區域管網工程的設計與施工過程控制能力，同時實現長距離管線敷設方案的可視化推演與工程風險預判。

與傳統設計方式相比，BIM市政管網參數化設計和自動化分析實現了市政管網設計的精準化、智能化和協同化，能夠大幅縮短設計周期，顯著減少施工風險，為智慧城市基礎設施奠定基礎，驗證了BIM技術在市政管網工程中的顯著應用價值。

市政管網系統的數字化設計，不僅是新型城市基礎設施建設的核心，更是城市治理能力現代化的重要載體。隨著BIM、GIS技術與云計算、物聯網技術的不斷結合，地下管網管理信息系統逐漸重構傳統市政工程管理模式，為未來智慧城市的地下脈絡系統建設提供持續創新。

參考文獻

[1]陳錦全，朱安邦.高密度地區市政管線高質量統籌規劃和建設模式創新[J].中國給水排水，2024，40（24）：40-45.

[2]郭雪梅.海綿城市理念在市政給排水設計中的滲透式設計[J].建筑結構，2023，53（8）：187.

[3]王光耀，朱律，王偉，等．面向智慧新城的市政管線全周期數字孿生平臺建設路徑[J].測繪通報，2024，（S1）：216-220.

[4]唐凌.BIM技術在市政道路EPC項目中應用實例分析[J].綠色建造與智能建筑，2024（8）：47-49.

[5]丁曉欣，蘇旭苒，高靜思，等.BIM技術在城市供排水管網中的應用研究[J].海河水利，2023（2）：63-66.

[6]易嘉.BIM技術在大高差室外場地管線綜合中的應用[J].城市建筑空間，2023，30（S1）：301-303.

[7]程曉波.BIM技術在市政管網更新中的應用[J].工程技術研究，2024，9（16）：72-74.