BIM在城市地下管线迁改全过程管理中的应用

毛寨汉，李凯彬，卢书桃，甘杰文，王震宇，张凯珊

(1.广州市道路扩建工程管理中心，广东 广州 510030； 2.广州市住房和城乡建设局，广东 广州 510030；3.广州市建设工程拆迁有限公司，广东 广州 510230)

1 引 言

随着城市空间快速更新，城市管网信息化建设与管理要求不断提高。当前城市地下管线信息化管理常常基于GIS数据开发，实现了城市管线使用和维护信息化应用[1]，但由于传统GIS缺乏建筑建设信息数据，无法对接建筑建设过程，难以满足城市快速更新进程下管线拆改快速设计、建造与归档的需求[2]。

随着信息技术的不断发展，BIM技术的应用将推动建筑业进入信息时代，实现全过程的精细化管理。BIM是Building Information Modeling(建筑信息模型)的简称，是对新建建筑、既有建筑的几何特性、物理特性及功能特性的数字化呈现，即通过信息模型对建筑实体进行可视化的表达[3]。三维参数化信息模型是BIM应用的基础，所有操作和应用都是在模型的基础上进行的，模型是基于同一信息平台进行创建和完善，可使多专业协同工作，贯穿于项目的整个生命周期，具有可视化、协调性、模拟性、优化排布和自动统计工程量及出图等优势[4]。

BIM技术应用于城市地下管线，可实现地下管线三维可视化、精细化的分析管理，通过BIM+GIS的结合应用，加强对管线迁改工程的规划编制和审查(包括包含管线容量、管径、位置及附属设施等)，落实管线综合规划，充分考虑管线迁改的可实施性，为管线迁改提供了新的技术方法，极大提高城市管线迁改效率[5]。国家与地方政府先后出台了BIM技术落地政策，极大推动BIM的发展，为BIM技术应用于城市管线管理创造了良好环境[6]。而城市管线复杂，建模效率较低，且当前形成的BIM应用体系主要是基于建筑工程领域，而城市管线工程具有独特的应用环境和需求，直接应用效果不佳[7]。

本文以广州某隧道工程管线迁改项目为例，开展地下管线全过程全阶段的技术应用体系研究，并针对管线应用需求，通过BIM二次开发创建自动化建模工具与主体工程碰撞管线工程量快速统计工具，实现管线模型自动创建与碰撞拆改管线工程量的快速生成，解决复杂城市管网BIM应用体系不完善，建模效率低，工具匮乏等问题，为后续地下管线BIM应用提供参考和借鉴。

2 工程概况

该项目为广州市某隧道工程地下管线迁改项目，位于天河区和海珠区，隧道横穿珠江，全长 2.1 km，工程范围地势比较平坦，规划区内现状管线包括雨水、污水、电力、通信、给水、燃气等专业管线。管线综合规划设计的原则为充分利用现有工程管线，在满足现行规范和不影响隧道工程施工前提下，尽可能保护现有工程管线不做迁移，并应充分考虑现场管线迁改工程的施工协调，避免道路反复开挖，以节约工程投资。

3 管线迁改全过程BIM应用

BIM技术在建筑工程中应用广泛，而其在全过程应用可更大发挥其预演预排、信息追溯的价值。本文针对管线迁改过程各阶段需求进行分析，管线迁改全过程BIM技术应用应包括管线迁改设计、施工、保护及竣工交付等过程，图1为城市地下管线迁改全过程BIM应用的技术流程。

图1 BIM技术在管线迁改中的应用流程

3.1 BIM模型自动化创建

模型创建之前，根据管线迁改项目的建模需求，对管线、管件及附属结构进行了标准化族(数据库)创建和整理，形成标准化族库，尤其是参数化模型，可结合二次开发以便管线批量化建模，极大提高地下管线模型创建效率。本项目建立族库包括窖井、阀门、水表、连接件等，约20多种(图2)。模型的放置中心、尺寸均进行参数关联，可根据实际需求进行参数修改，极大便利了管线建模需求。

图2 BIM族

基于上述族库，通过BIM二次开发管线自动建模工具提取CAD数据或管线GIS系统数据，快速获取管线类型、放置位置、尺寸等数据实现管线模型的快速生成。管线采用专业建模，生成污水、雨水、电力、电信、给水、燃气等6个专业管线BIM模型，以便模型管理。为便于分析管线埋深及迁改管线与主体的位置关系，还应创建地形BIM模型与主体隧道工程BIM模型，地形模型与主体隧道模型基于卫星影像数据或图纸创建，并与管线基于统一的坐标系进行合并，形成整合模型(图3)。

图3 管线BIM渲染图

3.2 迁改设计综合应用

(1)既有管线拆改分析

既有管线拆改分析是根据既有管线模型与隧道主体模型，并以隧道主体，考虑平面 5 m的合理施工缓冲范围，应用BIM可视化技术进行准确全面自动的碰撞检查分析，查找到各专业管线与隧道出口存在多处碰撞，并进行汇总整理为拆改分析报告，为管线综合设计提供准确的拆改位置(图4)。BIM拆改分析效率高，且碰撞为三维空间碰撞关系，减少了二维平面叠图的误判。

图4 隧道出口管线碰撞

(2)管线综合规划设计

根据拆改分析报告以及管线规划设计原则，对管线模型进行迁改调整，避让主体工程，生成管线迁改模型。管线优化遵循有压管道让无压管道、埋管浅的管道让埋管深的管道、单管让双管、柔性材料管道让刚性材料管道等原则。而不同类型管线根据规范要求需设置一定安全保护距离。

(3)工程量计算

工程量计算是工程建设的重要基础性工作，贯穿项目全生命期，是工程计价、成本管控与资源调配的基础。通过对管线BIM模型深化和完善构件属性参数，如状态参数(赋值为现状、拆除或规划)、材质、尺寸、埋深等影响算量的相关参数，并根据工程量计算要求设定计算规则、扣减关系，建立符合工程量计算要求的模型，利用配套软件进行工程量计算，如图5所示，实现模型和工程量计算无缝对接，极大提高工程量计算的效率与准确性。

图5 管线BIM工程量

(4)管线出图

依据迁改后管线BIM模型，利用BIM软件单独创建各专业管线拆改视图，并参考线性相关规范，为不同专业设置颜色分别为污水、雨水、电力、电信、给水、燃气等管线建模，根据实际情况与地下管线探测规范、出图规范生成不同类型的图纸二维图纸，如图6所示，和三维视图，为施工现场和线型主体工程的决策之用。

图6 管线迁改后BIM模型二维出图

3.3 迁改施工综合应用

(1)迁改模拟与方案优化

通过在管线BIM模型的基础上附加建造过程、施工顺序等信息，进行管线迁改进行可视化模拟，并充分利用建筑信息模型对迁改方案进行分析和优化，减少现场管线搬迁次数和材料浪费，提高方案审核的准确性，指导现场施工，如图7所示。

图7 BIM迁改模拟

(2)迁改进度与质量管理

基于BIM技术的进度与质量管理是通过现场迁改施工情况与模型的比对，找出进度与质量偏差，并分析原因，采取对应措施，降低控制进度与质量风险，实现对项目进度、质量的合理控制的目标。结合虚拟设计与施工(VDC)、增强现实(AR)、三维激光扫描(LS)、施工监控及可视化中心(CMVC)等技术，对项目实际进度和质量进行有效的跟踪和控制。通过实际进度质量与计划间对比分析，对偏差进行调整以及更新目标计划，以达到多方平衡，实现进度质量管理的最终目的，并生成施工进度控制报告与施工质量控制报告。

3.4 竣工测量验收交付

在管线迁改项目覆土前应当竣工测量。2017年广州市地下管线建设项目达 1 059个，测量时效性，强探测定位、测量精度要求高。首先，收集迁改项目设计模型与竣工测量信息数据，并对模型进行数据更新，形成包含设计、施工与测量过程的完整信息竣工模型，并将管线迁改竣工BIM模型数据输出符合广州市地下管线综合管理信息系统入库要求的竣工管线数据结构信息，如实际起点位置与终点位置，导出竣工管线数据表(如表1所示)，实现数据更新与永久存档。基于竣工BIM模型输出的竣工管线数据表还可以直接导入广州市地下管线综合管理信息系统，有利于实现广州市地下管线信息的动态更新。

竣工管线数据表 表1

4 BIM自动化工具研究

4.1 三维自动建模工具

城市地下管线专业广、数量多，人工创建管线BIM模型效率低下，且易出错。因此本项目在管线建模过程中，分析管线数据结构，寻找规律，并通过BIM软件二次开发生成三维管线自动建模工具，一键生成各专业管线BIM模型。生成的构件数据属性表，具有构件编码、专业、类别、平面位置、高程、材质等参数，自动通过Revit二次开发管线建模工具可直接拾取属性表中参数，自动批量创建管线点BIM模型。

4.2 自动碰撞工程量统计工具

在管线迁改应用过程中，与主体工程碰撞的管线的工程量可直接用于管线拆除的工程量分析，具有十分重要的作用。在BIM软件中可快速按各专业、管径统计管线工程量，也可快速查找与主体碰撞管线，但却无法实现自动统计主体工程碰撞的管线的工程量。究其原因，BIM软件工程量统计需基于设定参数进行分类统计，而碰撞分析过程中，只会显示碰撞管线，却未对其添加参数，因此无法对管线进行筛选统计。为提高工程量分类统计工作效率，通过工具研发实现快速提取与主体工程碰撞的拆除管线工程量。具体分以下三步进行：

(1)现状各专业管线模型创建完成后，统一添加状态属性并赋值为现状，并根据专业、状态等关键属性创建工程量表，如图8所示。

图8 BIM管线工程量

(2)通过Revit二次开发工具，选择主体模型自动查找与其碰撞的管线，并对碰撞管线状态属性值进行修改，修改为拆除。

(3)通过主流的BIM建模软件Revit，便可直接统计状态为拆除的管线工程量(图9)，即实现快速提取碰撞拆改管线工程量。

图9 BIM管线数据库

5 结论与展望

本文以广州某隧道工程管线迁改工程案例开展设计、施工及竣工交付各阶段BIM技术应用研究，包括管线BIM模型的创建、碰撞分析、迁改模拟、工程量统计等应用，形成了地下管线的全过程BIM应用体系，可供后续项目应用提供参考。此外，针对管线BIM建模效率低，项目工程量统计困难等问题，进行二次开发大大提高了管线应用的效率，为BIM技术在城市地下管线应用领域推广提供便利。

未来，将结合《广州市城乡规划技术规定》和相关文件，应用于管线摸查工作。通过地下管线3D模型快速创建、碰撞分析、实现模型自动生成、路由自动布设、工程量自动统计、快速计算迁改工程量，自动生成迁改估算与摸查报告等功能，极大地实现摸查工作的可视化与自动化，解放人工成本，提高效率与准确性。使广州市地下管线摸查工作能够实现“方案可视化、工作自动化”。