基于BIM技术的综合管廊全生命周期典型问题应对研究

张楠

（上海市隧道工程轨道交通设计研究院）

1 引言

综合管廊作为一种集约化的市政管线解决方案，能加快灾情响应、增强区域韧性、改善城市环境，对中国进一步城镇化发展和城市基础服务能力的提高有着重要作用。但由于国内综合管廊行业发展时间较短，规划设计、建设、运维各阶段所涉及的影响因素又纷繁复杂，导致管廊在其全生命周期的各阶段均面临各种各样的问题，如“规划过量或不足”“建设周期过长”“功能设置缺失”“管线入廊困难”“运维管理无序”等，严重制约了综合管廊功能的有效发挥。

BIM（建筑信息模型）是一种集成模型及信息的数字应用技术。就目前国内情况而言，BIM 在住宅建设、商业开发、轨道交通等领域均有了较多运用，但在综合管廊全生命周期上的应用还较少[1]。因此，本文通过对国内一些综合管廊案例的分析，从规划设计、施工、运维阶段讨论目前管廊开发建设中存在的典型问题，并浅谈BIM 技术的引入将提供怎样的针对性解决方案。

2 综合管廊全生命周期典型问题分析

2.1 规划、设计阶段

综合管廊规划设计主要包含基坑、结构、电气、自控、智能化、暖通、消防、排水、标识标牌等专业，同时需考虑管廊建设与相关道路、管线、桥梁、地块开发、地下空间、轨道交通等的关系，是一个复杂的系统性工程，以下梳理了设计过程中易出现的问题。

1）与相关规划协同性差

各市政管线专项规划制定时，通常还没有综合管廊的建设计划，管线的规划布置均匀分散。而当综合管廊专项规划编制后，各市政管线专项规划常常未能及时地做出调整，导致了规划间的冲突。管廊与道路的规划也常因建设时序的不统一导致问题频出。

2）各专业间存在冲突

管廊各专业设计图纸常因沟通不到位，易出现错误和冲突。如“爬梯护笼影响支架敷设”“落水管处支架未加长”“照明消防设备布置未预留机器人巡检通道”“预留洞口遗漏”“尺寸标注错误”等。此类问题经常造成施工停滞甚至破除返工。

3）内部空间布置不合理

综合管廊的部分功能节点内部空间复杂，以交叉口为例，需考虑相交管廊的管线连接、人员互通，同时还要保证每条管廊空间独立、互不影响。更有部分功能集成式交叉口，还需同时兼顾通风、设备吊装、管线引出、供配电、人员逃生等功能。如何在最小的空间内满足所有功能同时保证互不冲突，设计难度大，考虑不到位易出现局部不合理的情况[2]。

4）管廊设计与外部要素不协调

管廊建设对道路、直埋管线、桥梁、地块开发、地下空间、轨道交通、人防工程等都具有重大影响。就调查的工程实例而言，管廊设计与相关外部设计间的协调性较差，易出现各种冲突。如“管廊引出排管与道路直埋排管标高冲突”“管廊口部标高与绿化标高冲突”“管廊布置与桥梁桩基定位冲突”“管廊设计未按要求考虑人防”等。

另一方面，作为管廊建成后的实际使用者，各入廊管线设计对管廊设计影响巨大，但目前管线设计常常严重滞后于管廊设计，甚至存在管廊施工完成后尚未开展入廊管线设计的情况，造成了管廊大量后期的变更、改建，造成资源浪费。

2.2 施工阶段

综合管廊为线性工程，施工作业面大、周期长、环境影响控制要求高，且100 年的设计使用年限对管廊施工质量提出了较高的要求，以下梳理了施工阶段存在的典型问题。

1）施工组织能力有待加强

综合管廊施工时面临诸如“土建各工种协调施工”“安装工种与土建工种协调施工”“管廊安装与管线入廊同步施工”“不同管线单位协调施工”等多种施工组织问题，其中涉及质量控制、人员安全、资产管理、风险防控等多方面，据目前国内管廊实例调查结果显示，相关施工组织能力普遍有待加强[3]。

2）施工质量有待加强

管廊施工过程中常出现诸如“预留洞口缺失”“结构渗漏”“设备安装定位错误”“设备间相互冲突”“口部标高偏差”等各种问题，这些问题导致的返工修正，都将严重浪费建设成本和人力资源，且有些问题，如结构渗漏，一旦出现，将影响管廊整个使用期，难以完全修复。

3）与周边协同建设能力差

在国内，管廊建设通常和新区开发同步实施，这就意味着管廊施工时需同步考虑相关道路、管道、桥梁、周边建筑物等的施工情况。如何协同施工以实现“避免新建道路二次开挖”“管道敷设和管廊施工同槽共坑”“周边建构筑物与管廊同步施工时相互影响最小”等，需要包括管廊在内的所有参建单位共同提高协同建设能力。

2.3 运维阶段

综合管廊的运维管理是一个复杂的工程，涉及结构本体监测，入廊管线管理，通风、照明、供电、消防、排水、标识、监控、报警等设备的维护，人员组织，资料处理等，根据对国内目前已投入运行的管廊的调研，发现各地的运维管理都存在一些问题。

1）信息化程度不足

目前管廊运维管理中，部分工作仍采用人工纸质记录的方式，工作效率和协同度不高。此外，由于现场记录的纸质文件经常未能及时归档，导致资料大量缺失，不利于后期运维推进。

2）协同管理效率低

入廊管线的信息系统和管廊运维管理系统采用的标准不同，相互之间难以进行信息的有效共享，信息孤岛化问题严重，协同效率低[4]。此外，存在部分城市建设多条管廊但未采用统一管理标准的情况，导致多条管廊只能各自安排运维管理人员，制定不同的管理细则，无法统一。

3）数据处理能力弱

管廊运维过程中产生的数据量巨大，但同时又非常分散，关联性不强。目前，管廊的管理系统普遍还是以二维形式呈现设备的运行状态，信息显示不够直观，涉及同一事件的各项信息通常分布在多个不同的界面，运维人员快速准确地处理此类信息、获取管廊运行状态并识别灾情预警的难度大，操作尤其是应急操作时相当不便利，严重影响响应速度。

3 BIM技术的应用

通过对上述管廊生命周期各阶段的典型问题的分析，本文认为造成各问题的核心矛盾可归为几点。

①传统设计分析针对复杂边界条件的整合、处理、协同能力弱。

②传统二维分析的平面化工作流缺少三维可视化功能，无法提前模拟，易引起错漏碰缺。

③传统管理模式的全盘统筹和细节处理的能力均有待加强。

④传统管理模式缺少信息存储、处理、分析平台，无法集中进行模块化利用。

而BIM 技术通过一系列先进的理念和技术手段，可以为解决上述矛盾提供方向，下文对此展开论述。

3.1 BIM设计协同管理平台

通过搭建服务于综合管廊建设项目的BIM设计协同管理平台，可实现跨区域、跨部门、跨单位、跨专业间的高效协同。依托于图元级协同设计环境，可构建在任何时间，任何地点对工程信息的轻量化安全访问、沟通、处理机制，如图1 所示。彻底打破传统设计分析时的信息壁垒和信息延迟，实现对相关复杂边界信息的快速收集和分析，进而提高设计准确性和可靠性。

图1 设计协同管理平台实时查看、批注功能示意

规划阶段运用此平台，可以更高效准确地分析相关上位规划和近远期需求，提高规划制定准确性。也能在规划过程中，实时对接相关市政管线专项规划，做到多规同步调整，也便于更前瞻性地分析规划落地可行性。

设计阶段运用此平台，最大的优势在于解决管廊设计和外部要素不协调的问题。通过将管廊、道路、管线、桥梁、地块开发、地下空间、轨道交通、人防工程等所有相关的要素纳入统一平台，形成关联模型，并实时联动变更，可大大减少各单位沟通过程中对时间和空间的依赖，提高沟通效率的同时，增加准确性，如图2所示。同时，平台对于提高管廊自身各专业间的沟通协同能力也有巨大作用，减少专业间错漏碰缺的发生[5]。

图2 管廊与外部要素相对关系，节点优化分析

3.2 三维协同设计

三维协同设计基于标准化、模块化的三维参数资源库，利用软件协同环境开展设计[6]。其有别于传统二维设计，大大提高了专业间的协调性和设计方案的指导性，有效减少了重复工作、效率低下、错漏频出的问题，如图3所示的工作井管线设计。

图3 三维协同管线设计

以该技术应用于管线综合设计为例，如图4 所示，当所有结构、设备、管线呈现在一个三维模型内，是否存在冲突或不合理处将变得清晰可见，模型可根据需求实时地调整，确保各专业无误后再生成施工图，避免了工作的反复。

图4 管线综合设计

3.3 基于BIM+GIS的建设协同管理平台

基于BIM+GIS技术搭建建设协同管理平台，可涵盖业主、勘察、设计、施工、监理、材料供应商等参建各方的建设行为、勘察成果、设计图纸、模型、技术资料、各类文档日志等。同时整合管廊及管廊周边相关道路、管道、桥梁、建筑物等外部要素的BIM 模型[7]。一方面有效提高施工协同性，以实现“避免新建道路二次开挖”“管道敷设和管廊施工同槽共坑”“周边建构筑物与管廊同步施工时相互影响最小”等需求，另一方面有助于提高施工组织管理能力，解决质量控制、人员安全、资产管理、风险防控等各方面问题。

其次，还可利用BIM三维可视化特点，针对项目的复杂施工难题进行专项施工方案模拟，实现先模拟后施工，降低施工难度和返工频率，提高效率[8]。

3.4 管廊智能运维管理平台

通过物联网技术（IoT）可实现监测目标与互联网的连接[9]，高效地获取非结构化数据所蕴含的有效信息。再通过对庞大数据的深度处理和综合分析，帮助运维人员及时、高效、准确地做出决策。

通过BIM轻量化及可视化技术将大量复杂数据（如资产数据、设施设备运行状态参数、统计分析的结果）进行叠加，并以三维模型图像方式进行表达，有效提高运维人员读取、利用数据的效率[10]。

通过移动互联技术和信息化台账管理，帮助管理人员随时随地获得通知、掌握信息、上传工作记录，保持移动端与运维管理平台信息同步，实现高效沟通，如图5所示。

图5 移动端可视化管理

4 结语

本文对综合管廊全生命周期各阶段存在的典型问题进行了分析，并从问题产生的根源上讨论了BIM技术的引入对管廊建设的积极影响，通过“BIM设计协同管理平台”“三维协同设计”“基于BIM+GIS的建设协同管理平台”“管廊智能运维管理平台”等技术的合理运用，综合管廊全生命周期的表现将会得到巨大提升。而如何在现有的传统建设框架下，适时适度地推进BIM 技术在综合管廊上的应用，并最终达成真正的信息化建设是值得深思和努力的。