基于BIM 技术的地下沟渠修复工程全生命周期应用研究

朱 纯 叶 欣 熊 力 杨建宇 杨伟军

（1.长沙市公共工程建设中心，湖南 长沙 410001；2.长沙理工大学，湖南 长沙 410076)

0 引言

我国城市用水量与日俱增，地下排水渠道承受的荷重也越来越大，而我国排水渠道年久失修，造成我国排水渠道腐蚀、渗漏，渠道易产生破坏、变形和不均匀沉降等问题[1]。随着BIM 技术在工程建设领域的推广，运用三维可视化信息模型，集合工程全生命周期不同阶段各参与方的数据与信息资源，使数据信息得到共享和协同工作[2-3]。以长沙市红旗渠加固修复工程试验段为例，利用BIM 技术对地下管渠进行全生命周期模拟，探讨BIM 技术在地下管渠勘察、设计、施工与运维中的应用情况。

1 项目背景

长沙市红旗渠为地下排水沟渠，因年久失修需要修复，如图1 所示。渠道为浆砌片石侧墙+预制砼圆拱，断面尺寸为5000×1400+G1600，埋深约5.21～6.66m，渠顶覆土约2.21～3.66m。根据前期渠道检测结果，修复长度为120m，拟分为四种修复技术（“模筑法”、“喷射法”、“预制拼装法”以及“螺旋缠绕法”）加固修复。该项目通过对几种修复技术全方位地进行评价对比，择优选择合理工法，用以指导加固修复设计及施工。

图1 红旗渠损坏情况

2 基于BIM 的勘察应用

三维地质模型还可为规划工程范围及选取钻孔点提供参考[4]。在勘察过程中除了需较准确地体现空间的总体分布特征，需要确定剖面上各个地层的倾角及空间延展方向，收集物探、钻探和已有勘察资料，确定需要增添的钻孔点的范围[5]；地质勘察过程中需要收集、整理和统计大量数据，通过三维地质建模软件将所需要的物理力学参数直接在三维地质模型中体现，避免繁琐地翻阅纸质的工程地勘资料[5]。

为实现基于BIM 应用条件下勘察信息模型快速建模，对实验段进行钻孔建模，如图2 所示。分别对工程地勘报告已有的钻孔进行三维建模，再连接剖面线描绘大致土层分布曲线，再生成三维地质体模型，如图3 所示。

图2 钻孔模型

图3 三维地质体模型

三维地质体模型除了在建立过程中可添加由于实际地形无法勘测到的钻孔点，可根据勘察报告出图标准，沿勘察信息模型预设钻孔剖面线方向进行剖切，如图4 所示，然后导入CAD 中进行标准出图。

图4 自动剖面出图

3 基于BIM 的设计应用

采用Autodesk 公司出品的Revit 软件将二维施工图中沟渠相关信息逐一输入，将传统的平面施工图纸，从二维平面视图转化成三维可视化模型。

沟渠工程在设计阶段的应用一方面是以三维地质模型为中心，将三维地质模型与渠道的相关属性数据有机地结合起来，实现对渠道的查询、分析和管理，如图5 所示；另一方面，建立四种不同修复技术的信息查询。由于各非开挖修复方案选取的不同，其施工过程也有差异，仅仅将三维模型与沟渠的相关属性数据有机地链接起来还不够，需要建立包含更多的设计参数，便于管理、利用和查询。

图5 红旗渠三维BIM 模型

由Revit 软件建立的BIM 模型与现实情况完全一致，所以在模型内点击任何构件都可显示出其名称、尺寸、属性等特点，为建设单位及非专业人士提供良好的视觉效果，以便后续工作中及时地沟通和调整。

在项目设计阶段，利用Navisworks 软件实现BIM 碰撞检测功能，分析BIM 综合模型中的“错、漏、碰、撞”等问题，在满足相关标准的条件下，兼顾调整沟渠范围内管线的分布、立体走向等，如图6 所示，确定最优化设计方案。

图6 碰撞检测

4 基于BIM 的施工应用

在施工过程中，经常需要统计大量的施工参数，当添加新的地质数据时，各专业之间的数据很难做到协调，不能保证工程设计水平和效率最大化。三维BIM 模型与施工参数相结合，不仅可以为决策者提供方便的整体观测和评价方法，还可以提供各种地质信息。

在工程施工阶段，通过采用BIM 技术模拟四种修复方法，对各个施工工艺、操作要点和工序流程精细化处理，运用Revit 软件对“模筑法”、“喷射工艺”、“预制拼装”以及“螺旋缠绕”四种修复技术进行工序工艺模拟，将施工模型导入Fuzor 软件中，并通过模型、动画的三维可视化交底来实现对工艺工序的展示及重难点的控制，使得交底难度大幅度减小，降低了由于现场施工失误造成的返工及经济损失，对四种修复技术进行择优选择。

在施工动态模拟过程中，将Revit 模型转化为NWC 模型格式；导入NWC 文件到Navisworks 软件中，优化设置并仿真模拟。完成准备工作后，统一不同施工工序与各构件施工时点，为各层管理人员提供纠正和管理上的便利，如图7 所示。

图7 施工模拟进度计划

5 基于BIM 的运维应用

由于沟渠年久失修，周边后续项目施工引起的应力或者土体形变超过设计规定值，极易导致沟渠范围内结构受力发生改变，进而引发相关结构受力不均或是渠体变扭转等问题，且渠内垃圾堵塞、暴雨导致的水淹现象等问题层出不穷。

通过BIM 技术实现在沟渠排水工程中的应用，能有效管控沟渠内环境，提高工作效率。此外，通过物联网技术和布置传感器等方式，监管并管控沟渠内的物理化学方面的变化。传感器可检测沟渠内的污水化学成分，从而防止化学物质对新加钢筋混凝土结构层的浸蚀等危害；将沟渠分段管控，若沟渠内水质污染问题严重，可借助BIM 运维模型实现污水源的检测。基于BIM 技术对红旗渠进行实时监测与维护管理（图8），不仅提高了监测力度，还有效增加了维护管理的效率。

图8 渠道运维管控

6 结束语

地下沟渠非开挖修复在发达国家比较普遍，我国刚刚处于起步阶段。通过采用BIM 技术，立足于全生命周期的视角，分别从勘察、设计、施工、运维等方面进行剖面出图、施工模拟、碰撞检查，给予地下沟渠非开挖修复项目全过程的信息化管理，发挥BIM 的技术性与创新性优势，为相关项目技术人员提供参考。