BIM与IoT技术在智慧综合管廊的应用研究*

张 举， 李有根， 梁晓旭， 刘 鹏

(建科公共设施运营管理有限公司，北京 100044)

0 引言

随着城市基础建设的迅速发展，地下空间的合理利用越来越受人们重视[1-2]。综合管廊可以有效改善城市管线的布设要求、节约地下空间，较好地解决了“马路拉链”问题，其综合收益远远高于传统埋设管线的方式[3]。作为城市基础设施建设的重要组成部分，国家早在2014年便开始发文对推进城市地下管廊的建设提出指导意见[4]，截至2019年，全国综合管廊建设长度超2 200km，综合管廊正以如火如荼的态势由试点城市向非试点城市发展。

1 综合管廊运维中现存的问题

我国部分管廊的建设早于《城市综合管廊工程技术规范》GB 50838-2015，存在廊内附属设施不完善、布局不合理问题。由于运维模式权责不清晰，导致运维工作落实性差，对于项目全生命周期来说，运营阶段的时间占比超过90%[6]，随着运营时间的延长，维修巡检工作不到位导致的管廊结构与管线自身出现不同程度损坏与老化的问题逐渐显现出来。

对于已建成的管廊，现有大多数采取的运维管理手段主要依靠人工，而人工巡检的成本较高且效率较低，由于管廊内部空间狭小、风险源多样、涉及专业广，单纯依靠人工或简单监测设备无法保障管理的准确性。另外，集中汇集于管廊的市政管线发生事故时的级联灾害风险大幅度上升，这对管廊的智慧化发展提出了更高的要求。对于即将投入运营的管廊，有的项目虽然建立了相应的信息化平台，但是其与运维人员的配合较为繁琐，也因此难为一线人员所接受。此外，许多技术相对独立，各个系统之间未能实现联动，运营中心所需操作人员多，系统应用调用繁琐缓慢，难以形成有效的信息闭环，因此为进一步提升综合管廊的运维管理水平，更高效便捷的智慧化平台与技术的应用研究显得十分必要。本文基于BIM与IoT技术对综合管廊的智慧化运营进行研究，结合工程实例分析了智慧管理平台的实用性与可行性。

2 BIM与IoT技术在建造过程中的应用

2.1 BIM在建造过程中的应用

BIM(Building Information Modeling)技术可以应用于管理的全生命周期，通过对包括所有构件在内的基础信息数据建立3D模型进而对项目进行管控。2011年以来，国家大力推进建筑业信息化促进了BIM技术的高速发展[7]，已经形成较为完善的架构，BIM在建造过程中的作用主要体现在以下三个方面。

(1)设计阶段

综合管廊内部管线复杂，经常在设计施工阶段发生设计变更延误工期，这也是传统管廊设计中一个令人头疼的问题。BIM技术在建模过程中可以实现管线的提前规划，对可能发生的节点碰撞进行检验，当各专业间发生设计变更时可以及时被其他专业人员看到，进而有效保证管廊的规划可行性。BIM模型可以借助3D动画对管廊内部进行模拟演示，通过漫游视角可以让设计人员明确管线布置(图1)，让施工人员对设计理念更好地理解并指导施工，极大降低了返工率。

图1 管廊内部漫游视角

(2)施工阶段

项目管理人员可以借助BIM对施工过程进行动态模拟，提前对施工进度和难点进行规划，便于组织协调大型设备的提前进场与施工技术交底，及时校验施工方案的合理性，有效避免因人员设备安排问题导致的施工进度延后。BIM模型建立完成后可以自动生成各构件的参数，便于进行构件的预制并实现精准下料，项目人员可以提前编制采购计划，并对成本与管理进行深入分析。

(3)运维阶段

综合管廊是一个建设和维护周期较长的工程，BIM平台可以通过温度、烟雾、位移、红外、倾斜等传感器对管廊内部结构及管线进行智慧监控。

2.2 IoT技术在建造过程中的应用

IoT(Internet of Things)技术最早是由英国学者提出来的[8]，被称为继计算机和互联网之后的第三次信息科技革命，它的出现彻底颠覆了人们对设备设施的监控认知。IoT是互联网与物体间的集成，通过传感器对设备设施或环境参数进行监控，按照预先设定的协议实现控制平台与设备之间的数据交换，进而对网络覆盖范围内的人员、设备等进行智慧管理，其系统架构可大致分为感知层、数据层和应用层三个层面。

(1)感知层：是IoT体系中最基础的架构，也是信息获取最关键的层级。感知层通过传感器、射频识别、二维码等终端对综合管廊内部的细部信息进行监测与传输，包括管廊结构、内部温湿度、烟雾、管线位置等。

(2)数据层：是数据整合分析的层级，通过基础感知层的传感器将数据进行管理、存储与分析，包括设备静态信息、动态信息、历史指标库、事件数据库、BIM模型资源库、配置库等。

(3)应用层：通过将各个子系统进行集成，在App端或大屏端展示给平台使用者，包括管理人员、运维人员、巡检人员等。使用人员可以依靠平台对管廊及其内部状态信息进行实时监测并做出决策。

3 BIM与IoT技术的融合与应用

越来越多的工程实践表明[9-11]，单一使用BIM或IoT技术存在智能化程度较低的问题。BIM技术可以对结构进行建模，通过各专业协同设计提前对管廊及其内部管线进行优化，有效实现建设过程中的成本控制与进度控制等，实现建筑的可视化；而借助IoT技术可以通过感知层有效实现管廊内部的构件互联，有效克服BIM技术数据采集实时性、位置准确性差的缺点。可以说，两者的有机结合有效实现了各个业务单元的信息互通，避免了综合管廊运维过程中“信息孤岛”现象的发生。

目前BIM和IoT技术已具备较为成熟的架构体系与应用场景，将两者融合用于综合管廊的运维管理可以有效解决廊内风险源多样化的甄别与判断，实现廊体与设备状态全方位的实时监控，达到安全、高效的运维管理水平。

4 BIM与IoT技术智慧平台的应用

玉溪市红塔大道综合管廊工程位于玉溪市红塔区，是玉溪市第一个成功投入运营的综合管廊项目。管廊为双舱结构，全长2.5km。燃气舱内壁净尺寸为1.65m×3.8m，内设两根中压DN200燃气管线，综合舱内壁净尺寸为2.8m×3.8m。

玉溪作为云南省批准试点城市，红塔大道综合管廊内同时纳入多种管线，并且红塔大道为现状道路，沿线现状管网众多，现场条件极其复杂，因此其运维管理项目真正具备起点高、难度大的特点，建设形成业务流程统一整合、软硬件技术融合、数据集成辅助智慧决策的智慧管理平台势在必行。

4.1 综合管廊智慧平台的构建

4.1.1 平台系统结构

为了实现对管廊本体、管廊内部管线、管廊环境及内部设备等的实时监控与管理，实现更好的可视化与多端应用，同时满足系统稳定性要求，本系统架构选择两者混合模式。其中业务平台采用B/S架构，大屏端与移动端采用C/S架构，图2所示为系统架构示意图。

图2 系统架构示意图

4.1.2 平台层级体系构成

系统基于BIM与IoT技术将管理层级分为3层体系(图3)，分别为感知传输层、数据层和应用层。

图3 平台层级体系划分

其中，感知传输层包括供配电系统、预警报警系统、出入控制系统等，通过IoT中传感器设备对管廊进行监控与信息抓取；数据层对各子系统上传的数据进行海量存储与分析工作，业务数据为各子系统中需要进行融合处理的业务型数据，空间数据主要为BIM数据；应用层为3大平台，分为三维可视化运维控制平台、综合运维管理平台和移动端App。

可视化平台以BIM模型为基础将管廊的各类空间和业务数据进行整合与呈现，通过直观的大屏展示实现对廊下的设备设施和人员实时监控，全局掌控，便于快速应急决策。综合运维管理平台将业务系统中的结构化数据进行了融合处理，在提升数据直观性的同时解决了管廊运维工作中多业务并行的需求，主要包括人员及巡视管理、事件管理、设备及资产管理等。移动端App对运维端和管理端做了不同功能设计，一线人员在运维端可以通过手机进行设备故障保修、定位打卡、紧急SOS等功能，管理端可以查看管廊环境情况、显示设备、显示人员、维修工单完成情况等。

4.2 综合管廊智慧平台功能模块

(1)环境监控系统：智慧平台可以对管廊内的环境因素进行监控，主要包括温湿度、含氧量、硫化氢及液位等。当管廊内部空气指数不满足施工要求时可及时告警运维人员，当管廊由于外界因素造成结构破坏导致内部水位上升时，平台会自动报警并实时反馈位置及水位，便于使用者快速进行决策。

(2)设备监控与告警系统：通过IoT技术感知传输层的传感器可对管廊内部的设备进行监控及数据抓取，包括照明系统、通风系统、水泵等，平台可以随时查看各个子系统的设备信息与运行状态，并对设备进行远程的启停控制。当某个设备发生故障时，平台大屏端会显示当前故障设备位置与故障信息，管理人员可通过平台及时向运维人员派送维修工单。

(3)预警监测系统：监控预警是智慧管廊不可或缺的模块[12]，对故障的排查至关重要。平台的预警监测包括供水爆管预警、燃气爆炸预警、电线起火预警和污水渗透预警。

(4)安防监控系统：监控管廊内的摄像头和报警设备可查看实时影像，实时获知廊下的人员入侵报警。安防监控系统可实现对综合管廊360度全方位实时监控，根据日常运维需求设置9个窗口的自动轮巡，每个监控画面停留时间为1 min，约30 min轮巡完整个管廊。

(5)人员定位系统：通过预先在管廊内部部署基站建立了精度较高的定位地图，进入管廊的人员通过配合佩戴相关设备的方法，实现了廊内人员的高精度实时定位，从而为视频、照明等系统联动提供高精度的入廊人员位置信息。

(6)决策分析系统：智慧平台的决策分析系统界面包括近10天报警数据与分区报警次数统计、近10天传感器类型报警统计、历史环境数据分析与任务完成情况分析等。通过对报警位置与次数进行分析便于对重点故障与隐患区域进行监控，快速做出决策应急反应。

5 结束语

玉溪管廊智慧管理平台的应用使管廊内照明、通风等系统实现了自动启停，从整体运营效益来看相较于传统运维节电50%以上，智慧平台的监控与维修组人数实现有效控制，极大降低了人工成本。

随着计算机科学的迅猛发展，未来建筑业将越来越依靠智慧管理与可视化交互，将BIM与IoT应用于综合管廊的运维管理，可以有效降低管理中存在的高昂人工成本，结合感知层、数据层与应用层架构可以实现对设备、人员与环境的全生命周期动态化监控，智慧平台可在一端实现全局掌控，便于管廊运维中的快速决策与应急，最大程度地实现了“降本增效”，有助于提升综合管廊的数字化升级与无人化施工的技术创新。