BIM技术在城市供排水管网中的应用研究

丁晓欣，苏旭苒，高静思，朱 佳

（1.吉林建筑大学经济与管理学院，吉林 长春 130118；2.深圳职业技术学院材料与环境工程学院，广东 深圳 518055）

1 引言

随着城市的快速发展，城市建设规模逐渐扩大，人们对水资源的要求越来越高，其产生的生活污水也越来越多。城市供排水管网作为城市的重要基础设施，其是否正常运行关系着人们的日常生活是否能够稳定进行。管网的任何节点出现问题，都将影响人们的正常生活，所以供排水管网是城市的“血管”，其建设和维护占城市市政工程总投入的7%～10%[1]，可见供排水管网对于一个城市的重要性。

BIM具有协同性、可视化、模拟化等特点[2]，通过对BIM技术的合理运用可以将项目数据进行集中整合[3]，用于工程设计、施工及后期的运维管理。我国自2003年开始引进BIM技术[4]，主要应用于建筑工程领域，在供排水管网中的应用较少。

目前国内有不少学者致力于BIM技术在市政管网、建筑给排水等方面的应用研究，并取得了一定成效，包括市政管网、建筑物给排水等工程的设计、施工和两者衔接阶段，还有部分学者针对其运维管理阶段的应用进行了研究。基于此，本文对BIM技术在城市供排水管网的应用进行研究，并提出了存在的问题，为类似工程提供参考。

2 BIM技术在城市供排水管网的应用

BIM技术在城市供排水管网的应用是基于项目信息数据性、参数化的特点[5]，信息模型是对项目信息数据的集中整合，有助于数据的整理和各部门的信息传递。BIM技术可以将构件的属性信息、空间位置信息和结构信息通过模型进行展示，作为模型的数据化表达，为后期的运营维护提供数据支撑[6]。将模型属性信息、动态数据信息等集成于一体[7]，并将模型信息有效连接数据库，实现工程信息数据管理和高质量信息交互，为项目设计、施工和运维的数据管理做保障，BIM技术在供排水管网工程的设计、施工和运维阶段分别有其各自的应用情况。

2.1 设计阶段

BIM技术在供排水管网设计阶段的应用主要体现在通过BIM的可视性、协同性来实现以下几个功能，即优化图纸、碰撞检查、协同设计。

2.1.1 优化图纸

在现阶段的建筑工程设计中，供排水的设计大多是通过CAD来完成的[8]，此种方式适用于比较简单的设计，对于一些复杂的工程来说它的可行性比较低，并且各种参数信息会使设计工作变得更加复杂。城市供排水管网工程体量大、空间复杂，运用BIM技术可以对设计图纸进行优化[9]，提高设计效率，降低失误。

2.1.2 碰撞检查

创建模型后，可以在三维视图中清晰直观地发现设计中的不合理，避免发生管道碰撞问题，节约后续施工时间和成本。李慧莉等人[10]对深圳某管网改造工程采用BIM技术对管网建模后进行碰撞检查并分析产生碰撞的原因，归结为原则性问题、技术性问题和细节性问题3类，同时发现BIM技术虽然能发现设计图纸中存在的问题，但是缺乏对问题的分析能力，仍需人力来研究分析，对于大面积的管网设计工程量很大。

2.1.3 协同设计

在工程设计工作中，各专业需要共同完成。以往的设计工作各专业之间缺乏有效的沟通，容易造成工期延误。BIM中包含了整个工程信息，管网设计时只需要提取需要的数据[11]，各个专业设计人员便可在同一个模型中协同工作完成设计，使沟通更加高效便捷。

另外，BIM技术现阶段在供排水管网设计中的应用，大多数项目还是采用翻模手段，即先设计二维图纸，再通过二维图纸建立模型，此过程存在一些重复工作，BIM的价值没有完全展现。采用BIM技术来进行正向设计，不同专业利用同一个平台，避免各专业交接时的繁琐过程，提高了设计效率[12]。李兵等人[13]对管网工程进行BIM正向设计，验证了BIM技术在管网工程中正向设计的可行性，探索了一套正向设计流程，提高了设计质量和效率，并且通过可视化设计，避免管线碰撞，可对现场施工进行指导。通过分解管网，BIM技术将复杂的管道分解成简单的单元，可以快速构建匹配的管道模型，节省大量人力操作[14]。

为了提高建模速率，一些学者还研究了软件协同问题：鸿业软件可以快速建模，但精度达不到要求；Revit软件建模精细，但工作量较大。李亭等人[15]分析了现阶段管网建模软件的特点，综合鸿业和Revit 2款软件的优点，为管网工程的建模工作提供了新的方案，实践后证实通过此方案创建模型减轻了设计人员的负担并且模型满足工程要求。

2.2 施工阶段

在施工阶段主要通过BIM的可视化、模拟性来实现施工模拟、成本控制和技术交底等功能。施工人员可以参考BIM模型的设计标高等开展施工，避免因为施工人员判断失误而造成施工效率下降[16]。

2.2.1 施工模拟

地下工程的建设是不可逆的，当建设完成后再进行改造会非常复杂，因此施工单位采用BIM技术来进行施工方案模拟，对多种方案进行比对分析，选出最优方案。研究表明在供排水管网施工阶段合理利用BIM技术可以实现管网工程的施工进度模拟，统计工程量，优化方案，减少或避免返工。黄文欢[17]研究了将BIM技术运用在管廊的施工过程中，利用BIM的可视化来完成对管廊施工过程的模拟，将BIM同施工进度结合，实现进度计划的动态仿真。

2.2.2 成本控制

在完成管网的碰撞检查之后，应利用BIM技术对整个工程所需要的各种材料及其使用量进行统计[18]，这是BIM技术的重要用途之一。施工过程中要及时结合施工进度对上述材料及其使用量进行科学分析，确保成本的动态化管理，获取更加准确的施工信息，为之后的材料采购和领取做好准备。

2.2.3 技术交底

传统的施工技术交底方法是让技术人员现场讲解或施工人员自行查阅资料来掌握技术要点。由于个人的理解和识图能力不同，很难保证每位施工人员能正确理解并掌握项目的施工技术，这种方式存在局限性，并且供排水管网在地下不方便去现场查看，所以在施工技术交底过程中运用BIM技术[19]，可以将技术交底的内容通过工程模型或是视频的方式进行展示，使施工人员能够更直观地了解整体施工流程和其中的重点难点，更为全面准确地理解施工交底的内容，达到施工指导的目的，从而使施工步骤更为规范。叶青等人[20]通过综合管网施工的实际应用表明BIM技术的应用使工程交底更为直观，便于施工模拟、优化施工工序、快速统计工程量。

为了避免在管网施工过程中发生潜在事故，需要对施工现场进行持续监测，以防止施工人员受到人身伤害和致命危险。将BIM监测数据在施工过程中动态使用，实现实时可视化，并与施工前的评估数据做对比，可以发现项目数据是否有偏差，以便及时采取相应措施[21]。

2.3 运行维护阶段

据统计，在整个建筑工程的生命周期内，运行维护阶段占比80%。运行维护管理效率低下是运行维护阶段造成损失的主要原因[22]，城市供排水管网工程也是如此。

《国家新型城镇化规划（2014—2020）》要求推进智慧城市的发展，智慧管网是智慧城市的重要内容。近些年，管网的改建、扩建工程不断增多，同时出现了一些急需解决的问题，如管线数据不全、数据未及时更新等；因管道设备未能得到有效监测致使故障应急处理不及时等。BIM技术为解决以上问题提供了新方向。储惠等人[23]提出将BIM技术运用到管网的智慧运行维护中，通过对系统硬件和软件进行升级，提升了运行维护效果。

BIM技术在供排水管网运行维护阶段的应用主要是通过BIM与GIS、物联网、云计算、AR等技术融合来构建新的运行维护管理平台，BIM+各技术实现的功能详见表1。

表1 BIM+各技术实现的功能

BIM模型的精细程度较高，但缺少大范围的空间数据，而GIS支持大范围的空间数据集，却缺少精细化管理，由此可见BIM与GIS是互补关系，所以一些学者通过研究BIM+GIS来探索管网新的信息管理模式。徐卫星等人[24]研究了高校的地下管网管理新模式，BIM技术与GIS的深度融合可以实现微观与宏观的信息整合和共享，提高对管网的运维管理能力，并证明BIM+GIS同样适用于高校多维度管网管理。段小妮[25]研究了GIS和BIM 2种技术的数据交互和信息共享，验证了该方法对地下管网的科学、高效、安全运行具有有效性，有助于水务行业的精细化管理。

物联网通过传感器来采集物体信息，将获取的信息上传至互联网，对物体进行监控和管理。运用BIM技术建立管网的三维模型，基于BIM的管道运维管理系统融合物联网可以实现对管道流量、压力的实时监测和阈值警示，快速定位故障。在污水治理方面，利用BIM技术建立城市管网模型，通过物联网技术监测水质情况，即将BIM技术同物联网融合，可以在模型中快速找到具体污染点，及时处理污染源，使污水治理得到显著成效[26]。

将云计算和多种算法同BIM技术融合起来对管网进行实时监测，可以降低运维成本并且实现自动化。BIM模型存放在云端，支持访问和操作项目的所有信息。BIM模型是数据管理的基础，但巨大的数据体量在平台交互时并不占优势。管网模型通过轻量化处理后，便于在平台间传输使用，且可以在Web端进行展示。采用BIM技术对地下管网进行建模，将管网模型轻量化后应用在B/S模式，在云端进行管网的三维可视化研究，通过HTML等编程技术，实现信息集成和模型的Web端浏览，并融合到管网实时监测系统[27]。

AR技术可以通过程序的计算将虚拟物体在真实空间显示。供排水管网一旦建成，工作人员就很难进入，可将AR技术和BIM技术互相融合并运用到管网运维过程。对BIM模型进行投影并进行动画演示，确定管道相对位置，既可减轻工作人员负担，又可提高操作效率。通过BIM+AR技术在真实空间中的展示，还可控制工程质量，降低沟通指导成本，推动智慧管网的建设进程。

3 供排水管网中BIM技术应用存在的问题

BIM技术在城市供排水管网设计、施工和运维管理阶段虽然具有一定优势，但由于多方原因，在应用过程中还存在如下问题。

3.1 BIM正向设计应用不广泛

目前BIM技术在供排水管网设计中的应用，多数项目还是采用翻模手段，即先设计二维图纸，再通过二维图纸建立模型，此过程存在一些重复工作，BIM的价值没有完全展现，主要原因是BIM正向设计标准不完善、族库不完整、国内环境制约等[28]。

3.2 BIM协同设计标准不统一

进行协同设计时，信息模型是各专业交流的基础，所有角色都将基于此模型开展工作，所以BIM协同设计时需要按照统一的标准、规范来进行。虽然国家和各级政府根据行业自身特点制定了模型的交付标准，规定了模型的广度和深度，但这些标准不统一，各有特点，不能通用，根据不同标准设计出的模型难以在项目全过程中应用，信息化实施困难。建模过程中应满足同一个标准，如统一文件及构件的命名规范、构件模型的精细程度等。

3.3 BIM在供排水专业中的族库不完善

族库的完善程度决定了BIM技术能否高效运用。现在很多专业均缺乏完整的BIM族库，尤其供排水专业的族库更少。由于缺乏完整、高质量的族库，一些复杂的构件建立起来比较困难，使得建模效率降低。

3.4 基于BIM技术的海量数据信息管理问题

在供排水工程中，参数信息数据庞杂[29]。随着不同角色对BIM模型的不断完善和日常操作，会产生大量过程信息，这些信息会逐年增加，使管理变得复杂。因过程信息容易丢失，难以追溯，给供排水工程的管理增大了难度。

4 总结与展望

本文研究了BIM技术在供排水管网设计、施工和运行维护阶段的应用状况。其在设计阶段主要实现了管网碰撞检查、各专业协同设计，提高了工作效率；在施工阶段实现了施工模拟、成本管理、技术管理和安全管理的应用效果；在运行维护阶段，通过与GIS、物联网、云计算、AR等技术融合来构建智慧管理平台，实现对管网的实时监测、阈值警示，及时进行应急处理。

根据现有发展和所需解决的问题，BIM技术在城市供排水管网的应用研究展望如下。

（1）目前的BIM模型在设计、施工、运行维护3个阶段大多相对独立，在项目全周期中不能形成一致性表达，给协同工作和数据管理带来一定困难。因此，未来应重点研究提升BIM模型的信息化管理水平即提升设计、施工、运行维护3个阶段数据信息的一致性。

（2）不断丰富和完善供排水专业的BIM族库，探究族库的更新管理工作，完善正向设计规范，以推动供排水领域的BIM正向设计。

（3）目前BIM融合物联网技术虽然可以检测管网系统中出现的问题，但因缺乏分析能力，得出的结果仍需人工进行研究比对，因此加强BIM软件和分析软件的系统兼容性，也是未来需要研究的重点。