基于BIM的地下管线三维自动建模研究与应用

魏章俊，袁 梦

（1、中铁建华南建设有限公司 广州511458；2、广州地铁集团有限公司 广州510335）

关键字：地下管线；二次开发；快速建模；BIM

0 引言

随着城市建设日益发展，地下综合管线在城市基础建设中的作用也越来越大，是保障城市正常运行的重要基础设施［1］。在目前的地下工程中，对地下管线主要采用物探法来获取相关地下管线的相关数据，这些数据主要以表格和图纸的方式展现［2］。这种方式只是对各类信息的汇总，只能看到局部信息，展现形式不直观，较难将这些数据的价值有效地发挥出来，具有以下不足：①表格数据虽然包含每段管道的真实坐标和起点、终点高程，工程人员从这些数据中提取出需要的数据需要花大量的时间；②二维图纸表达出的管线都是根据不同类别的管线以不同的颜色进行区分，都是以线条的方式进行展现；③地下管线综合平衡二维图，通常一张图中包含上百根管线，难以直观展示，加大了一线施工人员对图纸的理解难度［3］。

BIM 技术是能为建筑行业带来变革的新技术，基于BIM 的数字化模型可以实现多专业碰撞检测、模型漫游、三维可视化查看［4］。BIM 模型可根据实际需要输入相关有价值的信息，甚至可用于基于三维模型的数据的分析与管理［5］。陈军等人［6］介绍了利用BIM 技术进行地下管网建模的流程和方法，叙述其在地下工程项目中的应用情况，基于BIM 的三维模型能快速有效地检测管线与地下设施之间的碰撞及地下工程设计和施工的合理性。叶辅成［7］介绍了城市地下管线三维快速建模技术研究及应用，通过基于AutoCAD 平台上进行二次开发，利用软件自带的三维功能进行三维展示，但是没有说明具体流程，AutoCAD 软件本身三维功能并不强大，同时与其他三维软件交互功能较差，导致创建出来的三维模型可利用性不高。本文详细介绍了地下管线快速建模的思路流程，在专业的三维图形建模软件基础上进行二次开发，创建出来的三维模型能与其他三维软件很好的集成展示。

本文以广州地铁十八和二十二号线工程祈福站为例，获取详勘阶段采用物探方法探测地下管线生成的数据信息，整理表格数据以便于符合三维建模软件创建地下管线模型规则，再基于三维建模软件进行二次开发使其能读取表格数据，通过软件程序快速创建地下管线三维模型，解放人工建模，提高建模效率。将所建模型与地下结构模型、地表模型进行合模，不仅能清楚地表达出地下构筑物和管线之间的空间关系和快速地实现管线的碰撞检查，还能对管线迁改方案进行优化指导，同时还能完成地下管线信息的集成管理及相关单位的协同工作［8］。

1 地下管线快速建模研究

BIM 技术的核心建模软件主要包括：Revit、Bentley 系列、ArchiCAD、CATIA 等［9］。本文通过对BIM 软件建模的研究，发现其手动创建地下管线模型效率较低，所以在该软件基础上进行二次开发，开发出地下管线快速建模插件，利用该插件能大大提高模型创建效率，缩短建模时间，使相关人员能把更多时间用在后期模型的应用上。

其三维建模总体流程如图1所示。

图1 建模总体流程Fig.1 The Overall Process of Models

1.1 开发逻辑介绍

借助于BIM 软件，结合C#开发语言，开发出地下管线快速建模工具，实现了地下管线物探数据导入并自动创建地下管道模型的功能。该工具的开发原理是识别输入表格的每段管线的起点坐标及高层和终点坐标及高层数据并生成一条直线，再通过识别每段管线的截面尺寸并在相应的线上进行放样，最终生成管道三维模型，识别表格数据自动创建窨井三维模型，开发流程如图2所示。

图2 地下管线开发逻辑Fig.2 The Logic of Underground Pipeline Development

1.2 数据整理

建模开始前需要对原始数据资料按照工具所要求的格式进行处理，地下管线资料主要分为3类，分别是图纸、电子资料以及数据库［10］。本项目中主要用到的资料是电子资料（Excel数据），电子资料主要是指地下管线物探表格数据，通过对工具实现建模流程进行研究分析，最终得出需要从表格中提取的数据类型，包括：物探点号、连接点号、X坐标、Y坐标、管顶高程、管道截面尺寸、地面高程、探测点处是否有窨井一共8项数据。在Excel 中直接通过公式将每行原始数据直接生成所需数据，大大降低了数据处理的时间。最后将提取出来的数据单独复制到新建的TXT文本中。

1.3 地下管网建模

在BIM 软件中利用地下管线快速建模插件将不同类别的管道模型分别创建出来，每种类型的管道创建各自的文件，为了能直观区分不同管道，将不同类型管道进行不同的颜色填充。待所有管道创建完成后，再新建一个合模文件，将所有已创建的各类管道文件均参考到合模文件中，最终形成该范围地下管线三维综合管线模型，如图3 所示，该模型包含管道模型、窨井模型。管道节点根据物探表格中的探测点确定，各个节点之间用管道相连，由于各个节点坐标均是三维空间坐标，所以最终生成三维管道模型。管道之间的连接件未创建，一方面是该软件目前较难实现管件的建模，另一方面考虑到管件对整体效果和应用产生的影响较小，所以只考虑将管道模型按照实际尺寸和位置快速创建。窨井的具体尺寸在物探表格中未提供，所以在建模时根据实际情况大致估算一个尺寸创建窨井，插件也支持对窨井的尺寸进行任意设置。

图3 地下管线三维模型Fig.3 The 3D Model of Underground Pipeline

通过该插件建模时间较传统手动建模有很大缩短，利用开发的插件对某区域地下管线进行建模和人工建模进行对比（见表1），该区域地下管道约3 472段，将处理好的数据导入插件，利用该插件大约花了1 min 时间就将所有管道及窨井模型创建出来；采用手动建模，则需要手动创建每根管道，同时还需要调整每根管道的起点标高和终点标高，一共需要3 d 时间才能创建完成。

表1 插件建模与人工建模时间对比Tab.1 The Time-correlation between Plug-in Modeling and Artificial Modeling

2 实际项目中应用

2.1 工程概况

本文以广州地铁十八和二十二号线祈福站为例，该地铁站的长度为450.8 m，标准段宽度为35.1 m，车站埋深为3～5 m，车站总建筑面积为39 747 m2，开发面积约为1 852 m2，车站总平面设计如图4 所示。本项目区域地下管线较多且彼此间交错复杂，施工区域内主要有雨水、污水、给水、电力、燃气和通信等6类管道，针对这些管线，简单的物探数据难以反映地下管线的空间位置和相关属性信息，大量交错复杂地下管线给地铁站的施工带来诸多不变。针对这些难点，决定采用BIM 技术对地下管线进行建模及应用研究，同时为了满足项目实际需要，在BIM 软件基础上进行二次开发，利用得到的探测资料快速创建地下管线三维模型。利用Revit 软件对地下车站结构和地上构筑物进行建模，通过相关模型整合平台软件对三者模型进行合模，通过三维可视化模型有利于管线迁改，能提前发现施工风险。该地铁站施工范围的数据资料主要包括该地区地下管线物探数据、CAD 图纸、地下车站设计的图纸资料和地面地物及地貌图形资料。

2.2 模型合模

由于单独的地下管线模型缺少参照物，只是模型的三维展示，在实际工程中应用范围太窄，难以体现BIM 的价值。所以，要想使地下管线发挥应用价值，需将地上构筑物及地下车站模型相结合，所以需要对施工区域的地上构筑物和地铁车站外部结构进行建模。对于地上和地下的模型创建首先得考虑其坐标，因为地下管线模型是根据广州市城建坐标系进行创建，那么地上建筑物和地下建筑物也得按照广州市城建坐标系进行创建，这样三者才能按照实际坐标进行合模。图5 为本项目地下管线、地面构筑物及车站结构三者模型合并后的三维模型。地上建筑物建模利用该区域总平面CAD 图在Revit软件中进行创建，条件允许可以采用航拍实景建模技术对施工周边地面环境模型进行快速创建，再将实景模型与地下管线模型和地下车站模型进行合模。地下车站的模型也根据车站主体结构施工图进行创建，该模型主要是为了分析地下管线与地下车站和周边建筑物的关系，所以只需创建其外部结构轮廓和顶板模型，内部模型不需进行展示。

2.3 应用分析

从图5 可以看出，相对于以往的地下管线图纸中采用的线条表示，三维可视化地下管线模型结合周边环境模型，能直观地显示出地下三维管线、地下车站建筑与地上构筑物之间的空间关系。施工前期阶段，利用三维地下管线模型结合地面构筑物模型对管线迁改进行多方案施工模拟，通过人为的对比分析确定最佳的施工方案；在设计阶段，能提前发现地下管线迁改过程中与现有的桩基是否发生碰撞，对设计方案和图纸进行优化，可以减少在施工过程中才发现这些问题所带来的损失，不仅增加了工期，还增加了成本。在本项目中，应用BIM 技术对地下管线进行建模分析，对地下管线综合平衡图进行了3 次优化设计，极大的减少了各种碰撞问题，所形成的地下管线综合平衡图是从三维模型中导出的，比传统的CAD 二维设计错误率更低，质量更高。在施工过程阶段，将三维地下管线模型与地上构筑物模型进行结合，施工人员能够准确地把握需要迁改的管线的位置、尺寸和深度，分析得到最佳的地铁开挖地点，由于在施工前管线迁改图纸质量高，施工过程中施工人员基于三维可视化模型进行合理的施工方案布置，最终实际完成管线迁改时间比预期计划减少了约15 d，同时该项目在施工过程中没有发生管线事故。

3 结语

BIM技术能为整个建设行业带来技术革新，地下工程建设存在多专业协同作业的，BIM 的应用能为项目带来不可估量的价值，具有巨大的应用价值和广阔的前景。本文通过在已有的BIM软件基础上进行二次开发，增加地下管线快速建模功能，不仅可以实现复杂地下管线的快速高效创建，降低人工建模效率低下且容易出错的问题，还可以与地下车站及地面周边构筑物融合进行三维可视化展示，直观地反映了整个地下空间的具体情况，清楚地显示了管线、障碍物与设施之间的空间关系，为工程的设计、施工以及管理提供依据，能够提高工程的质量，减少施工事故的发生。

图4 车站总平面设计Fig.4 General Plan of the Station

图5 项目施工区三维模型Fig.5 The 3D Model of Construction Area in the Project