BIM技术在市政工程管线迁改中的应用

饶 舰，韩 佳，王亚旭

(1.云基智慧工程股份有限公司，广东 深圳 518000；2.建筑信息模型(BIM)技术应用交通运输行业研发中心，广东 深圳 518000)

0 引言

GIS技术逐渐应用于市政工程管线信息化管理中[1-3]，但由于GIS缺乏管线信息数据，且无法全面应用于市政工程管线施工中，单独应用难以满足管线迁改的复杂需求。近些年，BIM技术逐步应用于机电综合管线[4]、市政给排水管线[5]、轨道交通管线[6]、城市地下管线[7]设计与施工中，在市政工程管线迁改方面虽也有研究应用，如城市地下管线迁改[7]、城市立交桥管网迁改[8]，但具有一定局限性。本文综合GIS与BIM技术在管线中的研究成果[9]，全面阐述市政工程管线迁改设计阶段和施工阶段的BIM应用点及应用实现方式，力求为BIM技术在市政工程管线迁改中的应用提供技术依据和实施思路。

1 管线迁改特点及BIM应用

1.1 市政工程管线迁改特点

1)管线排布复杂，迁改难度大 市政工程管线包括电力、燃气、给水、排水、通信、热力等，且各类管线分属不同权属单位，导致各种管线设计和施工均相对独立，缺乏管线间的联合设计与总体协调，管线排布纵横交错、极为复杂，给管线迁改设计和施工带来很大困难，传统设计与施工管理模式造成的问题突出。

2)周边环境影响大，场地布设复杂 市政工程管线大体沿道路沿线布设，周围市政工程众多，周边环境复杂，建筑物和构筑物密集分布，建筑物与构筑物、地铁线路、交通设施等均对市政工程管线迁改影响较大。此外，市政工程环境决定管线迁改施工场地狭小、布设复杂，线下分析难以寻找最优布置方案，影响施工进程。

3)迁改顺序影响因素多，方案确定困难 迁改顺序及施工组织影响管线迁改效率与质量，需综合考虑迁改管线类型、迁改时间、迁改难度、影响管线的因素等，施工组织方案确定困难。

1.2 管线迁改BIM应用优势

1)管线三维可视，空间位置清晰 通过BIM建模，在BIM+GIS三维应用场景中展示既有管线分布和迁改管线设计情况，复核既有管线的类型、位置、尺寸等信息准确性，同时管线间的交叉搭接和空间位置清晰可见。

2)精细化施工管控，提高迁改效率 基于市政工程管线设施BIM模型，通过BIM施工管理应用，如虚拟施工模拟[10]、安全管理[11]、4D进度管控[12]等，进行精细化施工管控，提高管线迁改质量和管理效率。

3)全生命期数据继承，深度挖掘数据价值 通过BIM模型构件关联业务数据，形成管线竣工模型，利用管线全生命期数据可直观查阅迁改前后的完整业务信息，实现数据高效集成，以数据为抓手，深度挖掘价值，指导管线运维管控。

1.3 管线迁改BIM应用流程

市政工程管线迁改与道路工程和轨道交通工程特点不同，在市政工程管线迁改中进行BIM应用，明确BIM应用流程以指导项目进行BIM应用实施非常重要。

以原既有拆除管线竣工图纸和勘察阶段获得的物探数据为依据，建立既有管线BIM模型，通过模型碰撞检查复核修正图纸和物探数据错漏点，确保既有管线数据信息完整准确。基于既有管线BIM模型和GIS实景三维应用环境，设计管线迁改方案，并建立迁改后的管线BIM模型，同样进行碰撞检查修正设计图纸，尽早发现设计缺陷，提高设计质量和效率。最后，基于既有和新建管线BIM模型进行管线迁改BIM单点应用和BIM综合应用，BIM 技术在管线迁改中的应用流程如图1所示。

图1 BIM 技术在管线迁改中的应用流程

1)管线BIM建模

目前 BIM建模软件有Revit系列软件、Archi CAD系列软件、Bentley系列软件、CATIA系列软件等[13]。推荐采用Bentley系列建模软件进行三维管线BIM建模，亦可采用Revit系列软件进行建模，Bentley系列建模软件兼容Revit输出文件。

管线BIM建模最重要的是管线尺寸无误、交叉关系表达准确。BIM建模前宜建立BIM构件族，以提高建模速度并准确控制管线尺寸，包括管线、管线配件(如电表、水表、开关阀、弯管、分叉管等)、附属结构物(如检查井、雨水井、电箱等)，根据BIM构件族，利用参数化建模和二次开发建模工具对管线进行快速建模。BIM建模后通过构件颜色(材质)标识区分管线类别、用途、管径等，提高辨识度。根据项目涉及迁改管线情况制定“管线BIM模型颜色(材质)表达对比表”，通过颜色区分完整表达所有管线类别、用途、管径等信息，提高BIM模型可读性。

2)模型拆分与数据关联

根据市政工程管线走向、长度、构配件设置情况及施工需要，合理拆分管线BIM模型，为实现管线迁改精细化管理，细分模型精细度，便于业务数据关联，提高BIM模型可用性。

模型拆分后即建立BIM模型和数据关联关系，BIM应用初期基础数据直接写入BIM构件，业务数据通过线下梳理数据表，按照BIM建模时计算机生成的唯一编码进行数据关联。核心解决方案是通过WBS(工作分解结构)编码和EBS(工程分解结构)编码实现数据与BIM构件的互联互通。将WBS编码和EBS编码通过建模软件写入构件属性信息中，根据写入规则和建模软件特性二次开发WBS和EBS编码工具，实现编码快速写入BIM模型。基于WBS编码实现BIM模型与基础信息(如材质、尺寸等)的关联，基于WBS和EBS编码实现BIM模型与业务信息(如质量、进度、造价等)的关联，其中WBS编码与工程划分是配套建立的。

2 市政管线迁改设计BIM应用

2.1 既有管线空间分析

基于市政既有管线竣工图，结合管线迁改施工物探数据，对既有管线进行BIM建模，搭建既有管线空间三维场景，利用BIM构件的三维可视化特性，采用Bentley Projectwise Navigator或Autodesk Navisworks软件进行管线BIM构件碰撞检查，分析既有管线间的空间分布情况，发现错漏碰撞点，即管线竣工图或物探数据的错误数据，从而验证既有管线竣工图和现场物探数据，通过对竣工图进行校核、重新物探或现场开挖定位，可修正错误数据。

基于BIM模型进行构件碰撞检查是建筑物或构筑物空间分析的核心功能，碰撞检查应用范围较广，根据图纸建立BIM模型进行碰撞检查是较常规的应用，但在管线迁改中应用与复核既有管线物探和竣工图纸尚属首创。

2.2 迁改规划设计

市政工程管线迁改设计过程中，基于既有管线和新建管线BIM模型, 设计优化新建管线排列布设，同时，对“翻模”建立的新建管线BIM模型进行碰撞检查，并据此设计优化碰撞点，提高管线设计质量，同时可从设计角度降低施工安全风险和成本，对于正向设计建模的管线BIM模型，在正向设计过程中即直接进行设计优化和碰撞调整，此应用已融入规划设计整体工作，不单独应用。

2.3 三维设计数据管理

建立市政管线BIM模型并进行设计优化后，将管线设计信息直接关联到相应构件上，对市政管线基础信息进行三维数据管控：包括构件分类编码等标识信息；结构物桩号、经纬度坐标等位置信息；管线管长、管径、壁厚等尺寸信息；管线材质、材料强度等级等材质信息。

2.4 迁改施工方案比选

根据BIM建模搭建三维应用场景后进行管线迁改方案三维设计，根据管线分布情况、物料资源和施工要求进行迁改方案设计，在三维应用场景中，通过动态模拟优化多套迁改方案，包括既有管线拆除方案与管线新建方案，通过对比分析各方案，确定最优迁改方案，达到质量控制、成本控制和进度控制的目标。

2.5 迁改工程量及造价估算

根据BIM模型综合计算管线工程量，包括既有管线拆除工程量和新建管线安装工程量，基于管线类型、管线构件和附属结构物分类分级统计工程量，基于工程量估算管线迁改造价。如将Bentley系列软件建立的既有管线和新建管线BIM模型输出为Revit系列软件文件格式，利用BIM安装算量GQI和BIM市政算量GMA产品(可读Revit系列软件文件格式)，计算迁改管线拆除和安装工程量。

2.6 流量与管压分析

根据BIM模型分析市政管线迁改中非电力管线流量和管压[14]。基于管线尺寸、管线形式、流体、流速等信息，分析迁改管线在使用阶段的流量情况，对比拆除管线和迁改管线，考虑使用量增加的问题，据此综合优化管线尺寸和排布，如基于Revit软件分析雨水管线流量，通过街区年降雨量统计数据，计算管网覆盖区域降雨量，修正流经既有雨水管流量，得到新建雨水管管径。可基于BIM模型分析管线管压，验算管线刚度后确定材质。

3 市政管线迁改施工BIM应用

3.1 施工场地布设

1)征拆区域与管线区域标识 基于BIM+GIS三维应用场景，直观展示管线迁改涉及的征地拆迁区域，通过倾斜摄影或激光点云技术建立现场实景模型，通过对实景模型单体化，可点击查阅拆迁房屋及赋予的属性信息，获取征地拆迁位置与大小、拆迁建筑类型、拆迁数据量等信息。同时，关联建设管理系统与模型，推送征地拆迁进度、问题解决情况。

2)物料堆集优化 基于BIM+GIS三维应用场景分析施工物料堆集，合理利用狭小的场地空间，根据施工顺序设置物料进场顺序和时间，实现物料最优化配置。

3.2 交通组织疏解

市政管线迁改多位于城市街区或小区，针对施工区域不中断交通通行要求，基于市政管线BIM模型进行交通组织模拟，可疏解交通、缓解压力、指导施工单位有序施工。在BIM+GIS三维应用场景中，参考已完成的场地布设模拟，结合交通量、通行高峰时段、施工高风险作业等因素，进行交通疏解模拟，分析输出最优化的交通疏解方案，确保管线迁改顺利和交通畅通。

3.3 虚拟施工与可视化交底

运用市政管线BIM模型进行虚拟施工模拟，可实现三维可视化技术交底，直观呈现拟施工的管线迁改顺序和施工方案，对管线迁改施工技术进行三维可视化展示，使技术交底向三维化、可视化、智能化方向发展(见图2)。

图2 管线迁改虚拟施工模拟

3.4 多维施工管控集成应用

在施工阶段开发部署用于项目建设信息化管理的BIM建设管理平台，其中业务模块用于业务办理，BIM+GIS三维应用场景对BIM，GIS、实景等数据进行有效融合、管理与应用，实现项目和周边环境的全方位立体展示。通过市政工程管线迁改项目工程划分，及对应的EBS和WBS编码，关联BIM构件与业务系统产生的信息，实现进度管理、质量管理、计量支付、安全管理、物资管理等多维施工管控集成应用，业务数据与BIM构件自动关联，实现数据自动推送，数据与BIM模型互联互通，同时可在BIM+GIS三维应用场景中叠加统计图表，对管线迁改施工进行可视化指导，实现工程管理从二维模式向三维可视化、精细化模式升级，全面提升管理水平。

4 结语

BIM技术在市政工程管线迁改中用于设计和施工阶段，降低管线迁改难度、解决施工突出问题、节约施工成本、提高建设效率。对管线迁改BIM应用点进行综合分析与阐述，丰富和加深BIM技术在工程领域中的应用广度和深度，推动BIM技术在市政工程管线迁改中的应用。

随着BIM技术在工程中应用的深入，管线迁改项目将更大程度地依赖BIM技术，未来将以BIM综合应用为引领、以点状应用为补充，融合GIS、物联网、AI人工智能等新技术，为市政工程管线迁改项目赋能，持续提升项目管理精细化程度和效率，为项目决策提供数据支撑。