基于B I M技术的既有地下管线三维自动化建模的研究

吴　锋，胡　绕

(1.上海岩土工程勘察设计研究院有限公司，上海 200438;2.上海岩土与地下空间综合测试工程技术研究中心，上海 200438 )



基于B I M技术的既有地下管线三维自动化建模的研究

吴锋1,2，胡绕1,2

(1.上海岩土工程勘察设计研究院有限公司，上海 200438;2.上海岩土与地下空间综合测试工程技术研究中心，上海 200438 )

针对工程项目中地下管线开挖和迁改存在的众多问题，拟通过研究BIM(Building Information Modeling)技术在地下管线三维信息模型建模中的应用，初步解决实际中可能遇到的问题。首先通过Micosoft Visual Studio平台对BIM软件进行二次开发，建立管线系统模块，结合所创建的地下管线附属物族库，将已探明的电力、信息、给水等各类型地下管线信息数据(主要为Excel格式)与其相对应的附属物批量载入管线系统，建立地下管线三维模型。然后利用BIM软件管线碰撞检测功能及人工识别，获取有用碰撞信息，依据实际经验或现场复测，修正其中错误的管线数据，更正管线模型，使其更为真实、直观地反映地下管线的分布情况，为后续工程设计、施工、管理提供依据。

BIM技术；地下管线；三维；信息模型；碰撞检测

1　引　言

城市地下管线是城市基础设施的重要组成部分，是现代化城市正常运行的基本保证，它被喻为城市的“生命线”，每时每刻担负着传递信息、输送能量及提供物质等工作，为经济发展和市民生活提供了基础和保障[1-4]。随着城市化进程的加快，地下管线逐渐增多，它们错综复杂，相互交叉，出现了“密”、“乱”、“老”等状况，困扰着地下管线的管理工作[5,6]。在建设施工过程中，经常出现误判挖断地下管线的情况，造成停水、断电、爆炸、火灾等事故，严重影响居民的日常生活及社会经济的发展[7]。落后的管线管理及现有的管线探测技术与高速发展的城市之间存在的矛盾日益尖锐，亟需解决。BIM技术的出现为解决地下管线问题提供了一种途径，它能够服务于地下管线的策划、设计、运行和维护等，实现管线全生命周期管理。近两年来BIM技术迅速发展，已经受到政府部门、科研机构、建设单位及行业协会等各方的关注，并在工程领域中得到应用。顾海玲等[8]研究了BIM技术在上海中心大厦建筑给排水设计中的协同设计、管线综合和碰撞检测等应用。纪凡荣等[9]将BIM技术应用在施工模拟、碰撞检测及管线综合中。高远等[10]主要基于BIM技术探讨了市政管网设计、建筑协同设计及管线碰撞检测。通过分析发现，前人主要将BIM技术用于建筑内部管线理论模型的设计，而几乎没有对已施工完成的地下管线信息进行建模。现今的既有地下管线错综复杂分布于城市，需要相关措施进行管理与维护，BIM软件的出现提供了一种可以解决其中相关问题的方法。本文以上海某项目为例，通过物探方法探查城市各类地下管线[11-13]，获取相关数据信息，将其载入二次开发的BIM软件，建立地下管线三维信息模型，并进行碰撞检测，根据实际情况分析碰撞处的错误管线数据，为地下管线的现场复测及迁改提供指导，同时亦为后续工程设计、施工、管理提供依据。

2　理论和方法

2.1BIM技术的介绍

BIM(Building Information Modeling)，即建筑信息模型，它的原始概念是由Chuck[14]在1975年提出的，到2002年，BIM方法和理论被Autodesk公司提出，随后受到了业界的普遍关注[15]。BIM技术主要利用三维建筑技术，把整个工程的三维数字模型建造出来，制成一个存于电脑之中的数字化工程模型，并添加该工程所有相关信息到该模型之中，形成一个工程信息数据库[16]。它具有可视性、协调性、模拟性、优化性及可出图性五大特点。利用BIM技术可以对地下管线进行三维动态模拟，能够较为真实地反应管线的时空分布情况。同时亦能够对地下管线进行模拟，检测所生成模型的冲突、管线碰撞等问题。通过BIM模拟，不仅能够确定合理的施工方案、进度及工程建设所需的设备材料供给时间表，方便地计算出设计变更对应的工程成本，快速生成工程预算。而且也可以对项目方案进行优化，根据工程项目的需要生成相对应的图像。

2.2地下管线三维信息模型建模方法

图1为地下管线三维信息模型建模的技术流程图。首先利用物探技术对地下管线进行探测，初步获取地下管线所涉及的相关属性数据，得到所要模拟的管线信息。由于BIM软件虽然可以对施工前期各类地下管线进行预建模，提供设计方案，但不能直接将探测的地下管线数据按照真实信息转换为相应三维模型，所以需要对BIM软件进行二次开发，创建出管线系统模块。然后通过所创建的管线系统模块，实现地下管线数据批量自动化加载，初步建立各类型市政地下管线的三维模型。最后对它们进行碰撞检测，根据碰撞情况进行具体分析。若地下管线存在碰撞，查明产生碰撞的原因和位置。如果这些碰撞属于有用信息，则需要根据实际经验或者现场复测，修改碰撞点管线数据，即修改错误的地下管线数据，进而更新原始三维数据模型，使得地下管线模型与实际管线空间位置相符，为地下管线的开挖及迁改提供可靠的依据。同时也可设计出合理的地下管线迁改方案，以减少地下管线在施工现场中存在碰撞而引起的返工，避免造成不必要的浪费，从而降低工程成本，为项目的顺利进行提供一定的指导。

图1　技术流程Fig.1　The technique flow chart

3　应用案例

3.1项目概况

该项目施工地点位于上海虹口区，工区面积约为11 453 m2(图2)。项目所探测管线是埋设于

图2　探测区域位置分布Fig.2　The location map of detection area

地下的上水、雨(污)水、燃气、电力、电信、热力、工业管道等市政和公用管线及铁路、民航、军用等其他专用管线，探测数据主要包括管线的种类、平面位置、埋深、管径或根数、材质等。

3.2BIM软件的二次开发

基于Miscosoft Visual Studio平台，对BIM软件进行二次开发，建立了管线系统模块，实现了地下管线数据批量自动导入、多孔管线排布设置、管线避让、管线自动连接及管线数据导出等多项功能，并按照实际情况真实地建立了地下管线三维模型。

表1为工程项目中所探测的地下管线数据，主要包含管点空间位置、管径或孔数及附属物。将以上数据汇总在Excel表格中，导入至BIM软件地下管线模块，对于其中包含的多孔管线及附属物族类等相关信息， 通过相应的功能模块进行创建。比如通过多孔管线排布设置功能，将所探测管线的孔数按照实际情况进行排布设计，如35孔可以设计成5(行)×7(列)的阵列形式(图3)；将所涉及到的各类型管线附属物，如消防栓、窨井、水表及雨篦等(图4)，通过相应模块进行创建，并放置在相对应的空间位置。将所需功能模块设置完成之后，通过地下管线数据批量自动导入功能(图5)，生成相应的三维管线模型。

表1　地下管线数据分布

图3　多孔管线排布Fig.3　The porous pipeline configuration

图4　部分地下管线附属物族类型展示Fig.4　The display of part of the underground pipeline appendages types

图5　地下管线数据批量导入设置Fig.5　The batch import settings of underground pipeline data

3.3地下管线族库的创建

族是BIM模型中的基础构成单元，而参数化控制的族类是族创建中的精华部分。为了能使地下管线批量化建模，需要建立地下管线族库。

根据建模需求和实际情况，创建了参数化地下管线族库，其创建是基于地下管线规范的相关内容，按照各类型管线所对应的附属物，结合实际需要建立相应的族。通过优化地下管线，规范种类众多的族类型，建立了常用地下管线附属物族库(如窨井、阀门、水表、信号杆等)，约有20种；这些族的长、宽、高及方向受控于所创建的参数，可根据实际情况而改变，满足了地下管线建模需求。图5为族库中的部分附属物实例，建模过程中可按照实际情况自动改变方向、尺寸等参数，以满足批量建模需求。

3.4管线碰撞检测

工程项目涉及了电力、信息、上水、给水、联通、煤气、污水、信号、雨水、移动等10余种地下管线，包含窨井、消防栓、阀门、路灯及雨篦等多种管线及建筑附属物。它们之间存在多种碰撞关系，主要包括不同类型管线之间的碰撞、管线与附属物之间的碰撞以及附属物与附属物之间的碰撞关系，其中最为常见的是不同管线之间的碰撞，而不同附属物之间的碰撞较少。经检测分析，该工程项目中不存在附属物之间的碰撞，下面主要介绍其他两种类型的碰撞关系。

通过对实际管线数据进行碰撞检测，发现了管线之间存在1565处碰撞，而其中大部分碰撞来自于管线之间的连接点，属于管线之间的正常连接关系，可以忽略。通过具体分析，发现管线之间仅有几十处存在碰撞，如直径较小的多孔管线与直径较大的单孔管线存在交叉碰撞(图6a)。这些碰撞关系在实际之中是不存在的，可能是探测数据存在误差；亦可能是因为在碰撞处附近的某一段管线被向上或者向下移动一段距离进行绕道通过，而在实际工程中，很少探测碰撞处附近的绕道点，仅探测了地下某段管线末端的位置。因而对于这些管线间的碰撞点需要到现场进行复测，修正错误数据，并建立正确的管线模型。

对管线与附属物之间进行碰撞检测，发现它们之间存在1 730处碰撞，其中大部分碰撞来自于管线穿过窨井处，这与实际情况相吻合；仅有十几处碰撞来自于两种不同管线与同一窨井相碰，这与实际情况相悖(图6b)。图6(b)中不同颜色的管线代表不同的管线类型，它们与同一窨井相碰撞，这与实际不相符；通常情况下，窨井中仅存在同一类型的管线，不存在其他类型的管线穿过该窨井。由于探测数据没有窨井实际大小及展布方向，其中产生的碰撞可能是由人为主观设计窨井大小造成的。

根据实际经验，对不同管线间的碰撞进行具体分析，修改错误的管线模型，以符合实际情况，然后可以到现场复测，与模型再次对比，相互验证。对于管线与附属物(窨井)的碰撞，需要到现场探测附属物的尺寸及方向，然后才能依据模型提供准确的信息。

3.5 综合出图

根据探测的管线数据，利用BIM软件将各类型管线依次建立模型。参照现行相关物探规范，把地下管线设置成不同颜色以便区分。将所探测到的电力管线、路灯管线、信息管线、联通管线、移动管线、信号管线、上话管线、上水管线、煤气管线、污水管线以及雨水管线分别设置为红色RGB(255 0 0)、粉红RGB(255 127 127)、绿色RGB(0 255 0)、绿色RGB(0 255 0)、绿色RGB(0 255 0)、绿色RGB(0 255 0)、绿色RGB(0 255 0)、蓝色RGB(0 0 255)、紫色RGB(255 0 255)、深红RGB(127 0 0)及深红RGB(127 0 0)(RGB是代表三基色：红、绿、蓝)。建模完成之后，根据实际情况及地下管线探测规范对管线模型进行碰撞检测分析，随后调整避让，得到所有类型地下管线的真实三维信息。图7展示了部分管线及附属物，能够较为明显地观测到管线及附属物的三维空间分布。图8为汇总后所有类型地下管线的三维信息模型图。

图6　地下管线及附属物碰撞检测Fig.6　The collision detection of underground pipeline and pipelineappurtenances (a) the collision of different pipeline；(b) the collision of pipeline and appurtenances

图7　局部地下管线分布Fig.7　The local distribution of underground pipeline

4　结　论

BIM技术的设计不仅能够给用户呈现出可视化的三维信息模型，而且为用户进行二次开发提供了良好的环境。本文基于该特征，对BIM软件进行二次开发，建立了管线系统模块。该模块适用于各类型地下管线建模，结合所创建的管线附属物，可以对地下管线三维信息模型进行较为真实的建模，从而更为直观地反映地下管线的实际分布情况，为工程后续的设计、施工、管理提供依据。

通过分别对不同类型管线、管线与附属物间以及不同附属物间进行碰撞检测，发现了多处碰撞点或者冲突点，结合实际情况进行分析，推测这些碰撞点可能是未探测区或者探测失误区， 需要

现场进行复测，修正错误数据，并更新模型，使得模型中的地下管线的空间位置与实际情况更加吻合，以便为后续的地下管线开挖和迁改提供依据。

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The Research of 3D Existing Underground Pipeline Automation Modeling Based on BIM Technology

Wu Feng1,2，Hu Rao1,2

(1.ShanghaiGeotechnicalInvestigation&DesignInstituteCo.,Ltd.,Shanghai200438,China； 2.ShanghaiEngineeringResearchCenterofGeotechnicalTestforUndergroundSpace,Shanghai200438,China)

Aimed at many problems of underground pipeline excavation and movement in engineering project, the paper preliminarily solves the actual problem which may be occurred by applying BIM technology to 3D underground pipeline modeling. It established pipeline system module mainly through Microsoft Visual Studio platform based on BIM software for secondary development, combined with underground pipeline appurtenances library, and then 3D underground pipeline model was established by loading detected electricity, information, water supply and various kinds of underground pipeline data (mainly for Excel format) and their corresponding appendages to the piping system. It makes use of BIM software pipeline function of collision detection and manual analysis to get useful collision information, which could help modify the wrong pipeline data and pipeline model. Finally, we got a real model of underground pipeline, which could intuitively reflect the reality of the underground pipeline distribution. It provided the basis for subsequent engineering design, construction and management.

BIM technology; underground pipeline; 3D; information model; collision detetion

1672—7940(2016)04—0496—06

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.04.016

上海市科学技术委员会资助项目(编号：14DZ2292800)

吴锋(1988-)，男，主要从事工程物探方法的研究与应用工作。E-mail:wfeng_1@126.com

P631

A

2016-01-25