BIM技术在市政管网工程中的问题解决方案研究

雷俊岩

兰州新区水务管理投资集团有限公司 甘肃 兰州 730300

近年来，随着社会的迅速发展和进步，城市规模与体量、人口的不断扩大与增加，城市的地下管线系统已成为其重要的基础设施之一[1]。与此同时，地下市政管网的种类越来越繁多，数量也在增加，分布也越来越复杂，因此，这对市政管网的工程建设提出了更高的要求。

1 地下市政管网的背景、现实情况及存在问题

1.1 地下市政管网的背景

城市管网是一个城市的基本结构，是一个城市的生存与发展所必需的。但是，地下市政管网是一个庞大复杂的系统，管网的类型超过20余种[2]。市政管网工程施工中的安全事故时有发生，严重影响了城市的经济、社会和人们的生活。

1.2 市政管网的现实情况

地下市政管网系统中存在繁多的管线类型、各种类型的设备与附属设施，其处在不同的位置，对于施工要求也不尽相同，导致存在很大的管理难度。市政管网工程的施工安全事故频繁发生，比如2022年，广州市广园路供水管网改造工程中爆发的工程坍塌事故。除此之外，在施工过程中挖断管线，使管网发生爆裂，非正常的泄漏事故时有发生[3]。

1.3 目前存在的问题

纵观以往的城市市政管网工程，大都采用二维设计的方法进行，但因各相关部门的关系，往往难以进行有效的施工。市政管网的安全事故时有发生，给人民带来了极大的经济和社会影响。随着城市规模的不断扩张，传统的粗放经营方式已经无法适应人们对于提高城市生活质量体验感的需要，对于更为精细化的运营方式的需求呼声越来越高。

本文拟采用BIM技术，提出解决上述问题的一种新思路。BIM，是以三维数字技术为基础的模型，中文翻译为“建筑信息建模（或建筑信息模型）”。这结合工程相关信息建立出的模型，从而实现对工程实体的数字化表达[4]。BIM技术的特征是模型的可视化、信息的集成化和智能化。

2 BIM技术概述

2.1 BIM技术的概念

从2002年开始，Autodesk公司就开始了BIM的概念，并且在业内引起了很大的重视。国内外关于BIM的各种不同解释，至今尚未形成一个统一、完整的定语。正义。美国 BIM标准在BIM中的定义相对比较完整：BIM是一种建筑工程数据表示的物理特征和功能特征；BIM可以是一个以合作共享为基础的标准化信息模型，它在工程建设的各个阶段之中，为各个利益群体中发挥着重要作用[5]。

目前，我国在BIM的认识和技术上还处在起步阶段。关于BIM的概念与认识，也存在着不同的看法。我国《建筑工程施工信息模型应用标准》对BIM作了较为详尽的阐述：BIM是基于3-D的信息模型，在整个生命过程中的各个环节进行建模；为工程项目的不同阶段增加各种工程信息，使其能够直观地表示出设备的实体和功能特性；BIM的工程信息可以在工程项目的各个阶段之中，与每个关联方责任主体之间进行无损地传递、分析和共享，便于BIM技术的应用在工程项目的寿命周期内进行协调操作和管理。

2.2 BIM技术的内涵[6]

近年来，由于BIM技术具有三维数据和属性信息集成的特点，使得BIM技术在工程建设的各个阶段都有很好的应用前景。它的应用价值得到了充分地体现，并得到了业内和学术界的广泛重视。本文在对BIM理论进行了梳理和分析的基础上，从三个方面进行了论述。

2.2.1 基于三维数字技术的BIM建模

相当于建立了一个工程的实际参数模型，该模式包含了工程项目的所有数据与信息。

2.2.2 BIM技术的流程视角

是以统一数据标准为基础，在工程项目中的各个阶段和各参与方都可以实时提取、修改和更新BIM模型的工程信息。在不同类型的项目中，数据的一致性，保证了项目的顺利进行。简而言之，BIM就是一个模型，通过对模型的信息的分享和管理，可以帮助决策更为科学和有效。

2.2.3 BIM技术的功能视角

BIM模型是一种与构件和管理均存在相关性的模型。管理常常包括成本估算、合同管理、文件归档等。

2.3 功能特点

2.3.1 可视化

可视化就是“看到的就是得到的”。BIM技术的可视化是指以三维实体的方式形成的信息模型，突破传统的二维方式设计平面图对设计、施工过程进行指导的生产方式，转而用数字技术显示工程部件或工程的整体内容。利用BIM技术，构建了一个三维数字模型，使所有参与方都能直观地了解项目的整个生命周期。这是一个具有共享性质的平台，以便为各个单位与各部门或所属专业的人员提供有效沟通和科学决策的前提条件。

关于BIM构件的概念，目前还没有一个统一的说法。但有人试图对BIM组件进行一个初步的界定，认为BIM构件是BIM模型中的一种可替换的实体，具有不可取代的特殊作用，正是它满足了BIM的整体界面规范，并且可以将 BIM构件与其它构件进行装配，最后形成 BIM模型。BIM构件的特性是复用性、扩展性、独立性和互联性。

2.3.2 协调性

BIM技术与传统的点对点的沟通方式相比，具有较高的效率。通过BIM协同平台，针对项目施工中存在的问题，各参与方在模型中直接进行了沟通与协调，对不同专业体系之间的问题进行及时地修改。而且，在三维信息化模型中，BIM的所有组件实体及功能特性都会以参数化的方式保存在数据库之中，数据库与视图、视图与视图之间都是双向的，如果模型中的任何一个点发生了变化，那么就会反馈到模型中的其他部位，其平面、立面、剖面、明细表视图等都会相应地进行调整。

2.3.3 模拟性

在工程项目的设计阶段，应用BIM相关软件，既能对工程实体进行建模，又能对实际情况下的物体进行建模。比如交通信号灯模拟，交通流量模拟。

2.3.4 优化性

BIM模型不仅能反映出建筑的真实情况，还能反映出建筑物的几何信息、物理信息、规则信息，同时也能反映出建筑物的真实变化。当模型复杂到一定程度时，参与者自身的力量是不可能完全了解这些信息的，需要借助一些科技手段和仪器。现代建筑的复杂性已经远远超出了工程设计人员自身的能力范围，因此，BIM及其相关的多种优化工具为复杂工程的优化提供了可能性。

2.3.5 可出图性

在对该模型进行可视化展示、协调、模拟和优化之后，就能得到该产品的设计产品，即二维图纸。

2.4 用于市政管网系统的建模软件

当前BIM建模软件主要分为以下三种。

2.4.1 Autodesk公司的Revit系列

Autodesk公司开发的AutoCAD之前在中国民用建筑与各行业的工业建筑市场上均得到广泛应用，所以与之互为补充的Revit软件系列目前占有相当的市场份额。

2.4.2 Bentley公司的建筑系列

Bentley产品优势在于其对于产品线整合后的统一平台，便于将各专业的设计内容集中体现。但其建筑系列与Revit系列相比，尚无明显优势。

2.4.3 Nemetschek公司的ArchiCAD系列

ArchiCAD是目前国内应用最为广泛的一款 BIM模型软件。由于其与国内众多设计机构的多学科整合经营模式相抵触，在市场份额上难以取得重大突破。

综合考虑，本文拟采用Autodesk公司的Revit系列软件，作为解决目前城市地下市政管网的现实难题的研究对象。

3 BIM技术下市政管网模型的建设

3.1 Revit平台建模

目前，基于 Revit技术平台开发的专业模块有：Revit Architecture （Revit建筑模块）、Revit Structure （Revit结构模块）、Revit MEP (Revit设备模块）三大专业模块，以适应不同领域的实际应用需要。

在Revit模式下，所有的图纸、二维和立体的视图和明细表都是在相同的基础模型上进行的信息表达。在绘图视图和列表视图中，Revit将会搜集与施工相关的信息，并将这些信息与工程的其它表达方式相结合。Revit参数修正功能可以在任意位置（比如模型视图，图纸，明细表，平面和剖面）自动地进行调整[7]。

3.2 Revit族库

3.2.1 Revit族库介绍

族库即构件库，是建立模型的基础单位。Autodesk Revit的族库分为两类：一是普通的家族库，它会随着软件进行升级；二是在软件中的安装选项中选定一个国家和地区即可安装基础级别的Revit族库。

创建一个族的基本流程为：新建一个族，确定族的类别，绘制参照面，确定所在视图，确定工作平面，建立形体，进行修改，建立参数，载入测试。

Revit族可以分类为三个层次：族的样板，族的类别，族的类型。族的样板包括，公制常规模型、标题栏、标注等。族的类别包括门窗、喷头、灯具等。族的类型可以按需求逐项添加，比如类型1、类型2、类型3等。其中，Revit族驱动形体的顺序为：参数-标注-参照面-形体。

3.2.2 Revit族参数举例

1）规程为“公共”的族参数

包括文字、面积、整数、体积、数字、角度、长度、坡度、货币、质量密度、图像、URL、材质等。

2）规程为“结构”的族参数

包括线性力、面积力、力矩、应力、单位重量、质量、热膨胀系数、点弹性系数、面弹性系数、位移等。

3）规程为“电气”的族参数

包括电流、电位、发光强度、频率、照度、光通量、效力、亮度、瓦特、色温、视在功率、功率、功率密度、电阻率、电缆桥架尺寸等。

4）规程为“管道”的族参数

包括密度、流量、摩擦、压力、温度、速度、动态黏度、管道尺寸、粗糙度、体积、坡度、管道隔热层厚度、管道尺寸、厚度。

5）规程为“HVAC”的族参数

包括密度、摩擦、功率密度、压力、温度、速度、风量、热增益、粗糙度、动态粘度、冷负荷、热负荷等。

6）规程为“能量”的族参数

能量、传热系数、热阻、热质量、热传导率、比热、汽化比热、渗透性等。

3.3 BIM技术在市政管网设计中的解决方案

3.3.1 建立信息交换与协同设计平台

BIM信息交流平台，是将BIM软件中的BIM模型和属性信息，通过 BIM的数据传输到数据库中，而不需要使用原有的 BIM软件，就可以自由的打开、调用、管理 BIM的各种数据。

通过构建一个协作平台，为BIM项目的有关各方提供一个协作的环境，从而对各个项目的信息进行有效的管理与控制，保证相关各方的信息准确、统一、安全，以及数据的保存和传输的准确性。

在 Revit平台上，利用现有结构作为参考，实现一体化模型的协同设计，并根据各专业的管网信息（材料、高度、尺寸等）进行更加精确的设置，从而为建立BIM信息库提供信息支持。

3.3.2 BIM模型的检查

在针对模型的检查过程中，应重点考虑检查以下几个方面的内容。

1）检查建立三维模型的完整性

主要指检查BIM模型包含的模型、构件等内容的完整性。BIM模型包含的内容和深度能否具备提交业主的条件。

2）检查建立三维模型的规范性

主要指检查BIM模型的建立是否满足了BIM模型的要求，包括 BIM模型的建立方法、模型各要素之间的相关性、模型各要素之间的空间关系、语义属性信息的完整性、交付方式和版本的正确性。

3）检查设计技术经济指标、相关规范

主要指检查 BIM 模型中的具体设计内容，设计师选定的参数是否符合项目的质量目标与要求，是否符合国家、地方以及所属行业主管部门的相关设计规范和标准等。比如BIM 模型及构件的尺寸、空间坐标定位、设备的规格型号等是否符合相关要求。

4）检查模型的协调性

检查模型的协调性，主要是指BIM模型中各模型与各组件之间是否有很好的配合，例如：各专业之间的模型是否有直接的矛盾，是否有足够的安全空间、操作与检修空间是否合理等。

5）保证BIM模型的准确性

BIM建模的精确度是指模型和模型部件的外形、大小、各部件的定位关系，并确保相应的属性信息的准确性。在模型交付之前，设计者必须对模型进行检验，以保证模型能正确地反应出实际的工程状况。

6）BIM模型的优化与改进

在工程设计阶段，必须将BIM核心模型与其它碰撞分析软件相结合，调整和优化模型中的不合理因素，从而达到提高设计精度和工作效率的目的。

Autodesk公司开发的Autodesk Navisworks是一套专业的建筑工程管理系统。Navisworks Manage的特点主要在于其具有实时可视化、整合完整的项目模型、碰撞检测更精确等优势。结合Navisworks提供的碰撞检测冲突报告，可以针对BIM信息化模型中的“错、漏、碰、撞”等传统问题进行逐项的详细分析。模型的信息化过程能够帮助团队成员在进行工程建设之前，通过数字化的方法来研究其主要的物理和功能的特征，从而达到缩短工程的交工时间、增加经济效益以及进一步降低对环境的影响等目标。

4 结语

本文针对我国国内城市目前地下市政管网粗放式的现实难题，提出以BIM三维数字化技术，以集约化的方式建设市政管网工程的建议与解决方案。以Revit软件为研究对象，本文介绍了利用BIM技术构建城市管网三维数字化信息模型的构想。最后，以Navisworks Manage为研究对象，提出BIM模型的调整与优化方案。