BIM技术解决海绵城市规划建设运维中存在的问题

高宁，杨永红，张紫红，王烘艳，卢辉

（西安交通工程学院土木工程学院，陕西 西安 710300）

0 引言

近年来，随着城镇化的快速发展，城市中的自然下垫面被屋面、道路、广场等灰色设施代替，城市下垫面过度硬化，导致雨水径流和汇流峰值增大，也带来了水资源短缺、水环境污染、水生态恶化、水涝灾害频发、城市热岛效应等一系列问题。

海绵城市作为城市涉水问题综合治理措施，涉及面广、内容繁多，是一项大型综合性工程，该工程的规划建设运维难度较大。迄今为止，影象和图片，文字或电子表格在海绵城市的规划、建设工作的开展中占据主导地位[1]，上述手段的不足主要有效率不高、运营和建设进度不能够及时掌握，数据不连续，展示效果抽象等。BIM技术的发展为海绵城市规划建设运维管理提供了可能，目前关于利用BIM技术对海绵城市规划建设运维进行三维动态管控，研究较少。文章的研究核心围绕BIM技术如何在海绵城市规划建设应用来展开。

1 海绵城市简介

“海绵城市”是在广泛汲取国外涉水系统建设的经验，并注重我国城市快速化发展需求的基础上提出的绿色发展理念。近年来《海绵城市建设指南——低影响开发雨水系统构建》在住建部公开发表，海绵城市指城市能够拥有海绵类似的特性，能够有效地应对自然条件变化，针对缓解自然灾害也能起到很好的效果，降水时能做到雨水的吸收、蓄存、渗透和净化，缺水时可将水进行有效的释放，缓解干旱带来的不利影响。从城市雨洪管理角度出发，海绵城市是一种可持续的城市发展模式，其内涵为现代城市应该像海绵一样能够将雨水资源吸纳、净化和利用，同时在应对气候变化、防灾减灾、维持生态功能方面具有充足的能力。“生态为本、自然循环”的理念是海绵城市发展的核心，城市原始地貌、绿色植被、土壤湿地和水体等地形地貌对于水环境的有效循环都起到了至关重要的作用。

2 海绵城市建设中存在的问题

海绵城市的建设是一项大型综合性工程，从规划设计、工程建设到运维管理，需要多个部门和多个专业统筹协调，而在实际工程中海绵城市建设存在一些问题。

2.1 规划设计阶段

海绵城市的规划设计是由多个专业协同配合来共同完成，涉及气象、水文、环境、景观等多专业的综合知识体系，各专业之间协调难度大，一些海绵设施的布局与建设层面可能会与现有管道走位或设施发生碰撞，隐蔽的风险不宜察觉。在海绵城市设施建设全过程中的文字图纸资料，如何确保其最终的更改到位，与建设过程中的修改保持一致，不造成信息的缺失遗漏，也是需要加强对建设过程的监督和管理，避免成果的延续性和继承性较差。

2.2 建设阶段

目前，海绵城市的建设主要依据平面图纸展示，可视性效果较差，造成操作人员对于某些复杂项目部位的理解不够准确。相较于三位立体模型，平面图形在雨水花园、下凹式绿地、雨水管网等设施的展示层面还存有许多不足，最重要一点为不够立体，多角度截面与多图层的结合展示在所难免，施工时容易，会造成与建筑、道路等碰撞冲突，需调整图纸，重新施工，延长施工工期。各工种间协调困难，施工效率较低。

2.3 运维阶段

海绵城市的运维阶段需要参考施工过程的二维图纸，平面图纸的信息准确性尤为重要，海绵城市的建设是个多专业综合知识运用的结合体，建设现场复杂，设施种类繁多，许多设施在建设过程中若存在不合理的问题都需要及时的进行技术交流，现场进行更改，并且此类事件较多。运维是海绵城市的后续接管阶段，符合确保运维信息与建设过程图纸信息一致，是摆在海绵城市建设过程中的一道难题，任何信息的缺失与失真都将导致海绵设施运维困难。

3 BIM技术在海绵城市规划建设运维中的应用

3.1 BIM技术的特征

BIM是一种包含项目信息在内的三维立体可视化模型。建筑信息模型贯穿于项目的整个生命周期，通过利用设计中相互协同、施工中相互协调以及节能分析和设施设备碰撞检查等多种方式，实现项目的优化设计、高效施工与高效管理。BIM技术在海绵城市规划建设运维管理中具有可视化、协调性和关联性三个特点。

3.1.1 可视化

BIM技术可将传统的二维图纸转换成虚拟的三维模型，将项目的实际效果以实物立体的形式进行展示，效果更加直观。

3.1.2 协调性

在项目建造前期BIM可通过碰撞检查对各专业的冲突问题进行协调，防止在施工过程中出现各部分冲突，减少不合理方案的变更，提高施工效率。通过三维施工模拟，确定施工方案，合理组织施工过程。

3.1.3 关联性

整个模型对象在平面、三维等多角度观察下均可通过识别功能建立联系，资料和图纸的构建是个复杂的过程，关键信息链为模型信息的识别和统计。若模型中某个模块在任一视图模式下与之前特性不同，与之关联的所有视图均会发生改变，模块信息的准确完整是非常重要的，实现的前提是做到一处修改，处处关联。

3.2 BIM技术在海绵城市规划建设运维中的应用

目前，BIM技术在海绵城市建设中主要用于某一阶段或某几个阶段的建设过程。例如上海市虹口区市政道路配套大修项目为依托，基于BIM技术对海绵城市的市政配套设施进行三维优化设计，通过构建族库的方法实现系统的高效规划，在三维模型基础上进行二次开发，实现对海绵设施的性能优化。将BIM技术用于玉溪海绵城市建设中的地形建模、三维场布、三维样板、智慧工地等方面，提高了项目各专业的相互协调、沟通效率，加快施工进度，节约施工成本，提升精细化管理水平。运用BIM、GIS、云计算、大数据等信息化技术构建小寨海绵城市设计、施工、运维管控（在线监测、预警预报、应急处理等子系统）智慧管理平台，实现西安小寨地区海绵城市项目设计数字化、建造过程信息化、运维管理智能化。

通过以上案例可以看出，BIM技术在海绵城市规划建设运维中已有一些应用，但其发展还处于初级阶段，各个项目之间相互独立，项目所在地区的地形地貌、水文、水利、降雨、道路、地下管线等参数千差万别，如何应用已建项目构建未建或在建项目的数字化平台，值得进一步研究。通过文献查阅，建立一个BIM标准化平台或许可以解决这一难题。

3.2.1海绵城市BIM模型的创建

建设项目海绵城市BIM模型的创建首先需要对和项目有关的不同专业领域信息进行分类，根据项目信息及海绵设施族库创建海绵设施三维模型，同时结合项目地形特征创建三维场地模型，在此基础上完成海绵城市三维可视化模型创建，该模型本身的数据及项目的信息都存储在对应的数据库中，不同的参与方都可基于平台查看项目的相关信息，需要时可借助平台导出建筑、道路、海绵设施、管网等信息。

3.2.2 数字化施工管理

基于BIM技术的标准化平台可首先对海绵城市施工全过程进行数据采集，在确保数据信息准确的前提下进行处理并分析，进而表达出合理完整的施工方案。该平台对于施工方案的合理选择提供了重要的借鉴价值，通过该平台的合理运用，可实现多方案比较，进而规避不足，比选出贴合的方案。平台的应用不仅在平面展示方面，在多维度视角方面可做到四维、五维立体展示，通过多维度视角的切入可以完善施工计划，使施工资源与现场环境相匹配，减少机械与场地匹配不足等突出问题。应用该平台可提高工程施工过程的信息化管理水平，降低施工成本，提高施工质量，保障施工安全。

3.2.3 智慧化运维管控

结合物联网、地理信息系统、BIM和数学模型等技术，该标准化平台可实现在线监测、预警预报、洪涝灾害应急处置、运维管理等功能，有效收集相关信息，并对信息进行处理、分析并决策，具备一体化、智能化和可视化等功能，最终构建基于BIM技术的海绵城市智慧化运营管控机制。

3.2.4 在线监测

该平台基于物联网、BIM和大数据等技术，可对各海绵体及降雨数据同步监控，将降雨量、径流量、水质指标、各海绵设施设备运行状况等监测结果接入数据库，并应用三维模型构建地表漫流模型，通过嵌套城市排水模型，模拟海绵体积水情况，在平台上直接观察内涝的动态变化过程，对有可能发生内涝的地区进行人工采样复核的管理方案。

3.2.5 预警预报

BIM标准化平台可实现城市内涝预警、水质预警、水位预警等，例如根据雨水管网液位高度和内河水位情况，设置一定的限值，在水位超过警戒值的特殊情况下及时警示。还可对仪器设备故障及泵站运行情况进行预警，并将结果按照图表方式进行动态显示，管理人员借助各项数据，能够及时分析信息并进行可视化管理，同时与监测系统实现联动，对各类异常情况进行及时预警和报警，减少不必要的损失。

3.2.6 应急处置

BIM标准化平台可在发生暴雨、洪涝灾害等紧急事件时，及时对排涝泵站、调蓄池和防汛物资及人员进行在线调度，同时平台及时记录指定区域内突发事件应急处理处置方案，跟踪相关操作人员的处置过程。进一步提高灾情警情的预判能力，避免和减少突发事件造成的人员伤亡和财产损失。

4 结语

文章论述了海绵城市规划设计运维中存在的问题，结合BIM技术的可视化、协调性、关联性的特点，以及BIM技术在海绵城市建设中的应用实例，提出BIM技术解决海绵城市规划建设运维存在问题的途径，建立标准化的数字化平台。从海绵城市三维模型的创建、施工过程管理、运维管控三个方面介绍了该平台的功能，该平台可实现各个专业间协同设计，可对土建、管道、海绵体等进行碰撞检查，可以实现参数化三维建模，并与施工方案的比选、分析计算实时对接，还可实现海绵体状态可视化跟踪管理。应用BIM平台可进一步促进海绵城市建设标准化、规范化，为智慧城市的实现提供基础平台，为建设智慧城市探索道路。