基于Bentley的BIM技術在綜合管廊工程的應用

黃文歡,劉 慧,劉厚全

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司,湖北 武漢 430063；2.湖北大學 藝術學院,湖北 武漢 430062)

0 引 言

近年來,隨著全國各地降雨量的增加，管線泄漏、爆炸、地面塌陷等事故的頻發,管道安全問題已不容忽視[1]。綜合管廊涉及消防、供電,照明、排水等多種市政公用設施,是保障社會生產和居民生活的重要基礎設施。為解決管線建設規模小、管理水平低等問題,并進一步發揮綜合管廊在保障民生、擴大投資等項目中的作用,應進一步推進綜合管廊的部署建設[2]。

文獻[3]提出一種城市地下綜合管廊規劃布局方法,該方法通過分析確定城市綜合管廊建設過程中的影響因子,結合層次分析法構建評價指標體系,合理規劃管廊選線，在此基礎上,結合城市功能結構、管線功能對管廊設施進行系統布局,實現城市地下綜合管廊的綜合規劃。文獻[4]根據城市綜合管廊規劃概況和不同類型管線的功能特性，設計其銜接方式,保證綜合管廊的布局與管線、道路相協調,并預留出重要節點、確定配套設施,從總體規劃、專項規劃和控制規劃3個層面實現綜合管廊的建設。然而因綜合管廊工程過程復雜、規劃量較大,上述2種方法難以實現全周期的監管,導致工程建設管理效果難以與工程進度有效結合。文獻[5]提出一種基于三維激光掃描技術的地下綜合管廊規劃方法,該方法利用三維激光掃描設備實景測量管廊的節點部位,將采集到的數據導入Cyclone軟件中,并通過數據去噪、拼接等處理建立實景模型,實現施工建設過程的規劃和管理。文獻[6]提出一種城市綜合管廊安全運行規劃管理方法,結合綜合管廊的建設與管理現狀,在總結影響綜合管廊安全運行因素的基礎上,從設計規范、安全指標等詳細規劃了綜合管廊的設計方案,針對不同用途的管線設計不同連接、管理方式,并提出管廊安全運行管理措施,實現城市綜合管廊的安全運行。然而文獻[5-6]在施工和設計中的應用效果較好,卻難以實現整體規劃和運行維護,應用范圍較小。

BIM技術是一種多維模型信息集成技術,該技術可以通過大量數據表達物體或工程的物理特征與功能信息,將其應用于工程項目的規劃、勘察、設計、施工、運營維護當中,可以實現信息化管理[7]。因BIM獨特的優化設計能力,使其在生產力、工作效率、質量與安全性方面都具有極大的競爭力。綜合管廊工程過程復雜、工程量巨大,若想實現該工程的全程設計監督,則采用BIM技術更為適合。

目前,相關專家對大范圍土地綜合建模的研究越發重視,本文研究的萬頃沙開發項目與綜合管廊項目就屬于該研究范疇。傳統的大范圍土地綜合建模方法,如文獻[8]提出基于Revit綜合管廊三維建模二次開發應用方法,將Revit作為創建信息化模型的平臺,根據構件特性創建綜合管廊構件信息數據庫,用于直接調取所需的構件創建,在此基礎上,創建基于Revit平臺的綜合管廊模塊,結合不同函數編寫程序設計可視化建模、施工安全管理、后期運營管理等模塊,實現對綜合管廊模型的快速設計，然而該方法的定位精度較差,難以為后續的施工管理和狀態監控提供支持。文獻[9]提出BIM在綜合管廊全生命周期智慧管控中的應用方法,將BIM技術引入綜合管廊全生命周期的設計階段、施工建設階段和運維階段等過程,利用虛擬三維的思維方式,通過多維信息集成對綜合管廊全生命周期實施數字化、互動化、可控化管控。然而該方法的細節處理量較小,導致建模效果較差。文獻[10]提出BIM技術在綜合管廊設計施工全過程中的應用方法,以城市副中心綜合管廊工程為研究對象,設計BIM技術在綜合管廊設計階段和施工階段的應用方法,在實現綜合管廊管線、主體結構的同步設計的同時,將施工階段的效益最大化,并實現綜合管廊的可視化化建設、互動運營和管理。文獻[11]提出基于BIM技術的城市地下綜合管廊可視化設計方法,針對城市地下綜合管廊的特點,從總體設計、施工設計、后期維護3個角度進行管廊工程綜合規劃,結合三維可視化技術實現對綜合管廊的三維建模、施工監管和運行監控。但文獻[10-11]方法的運行時間較長,效率較低,應用效果較差。

為此,本研究選取某萬頃沙地塊,在該范圍內對綜合管廊進行了全方位的BIM設計。主要建設內容包括綜合管廊主體及其附屬設施,綜合管廊主體包括為主體標準結構、投料口、通風口、集水坑、排水口等節點,附屬設施包括綜合管廊配套的消防系統、通風系統、排水系統、照明系統、監控系統、報警系統等工程。本研究從多角度進行分析設計,應用BIM技術進行平臺搭建與模型建設對該工程進行研究。

1 信息化管理平臺建設

由于BIM技術大多應用于大規模土地綜合模型建設,因此要想完成相關模型的設計,需要先對BIM的信息化管理平臺進行建設。信息化管理平臺的建設分為硬件平臺、軟件程序兩部分,并且需要模型中各專業組的積極配合才能實現[12]。

硬件平臺主要包括實地檢測裝備與電腦綜合評估。實地檢測裝備主要分為定位裝置與移動裝置,定位裝置通過衛星進行定位,并可以通過衛星定位評估概括出該沙地粗略模型;而移動裝置可以通過人為實地檢測來對該地進行更加精細地分析。二者相結合得出的綜合性數據會傳輸給電腦綜合性評估設備,用于評估出綜合管廊工程中相對較優的施工區域,進而幫助各部門專業工作組進行施工[13]。

軟件程序采用與多家軟件公司進行合作的方式獲得相關軟件的使用權，并對相關工作人員進行培訓,通過專家系統和具體分工統計構成綜合性信息化管理平臺[14]。目前,平臺各專業工作組主要應用的軟件及相關工作內容如表1所示。

表 1 各部門專業應用軟件歸納表Tab.1 Table of professional application softwares for each department

以上4個專業組構成了基于BIM技術的綜合性信息化管理平臺的基本機構,其中工藝專業組主要負責管廊項目的三維模型的平、縱、橫設計,對萬頃沙地的整體結構進行整體規劃設計和數值估算,然后對綜合管廊的主體結構中的投料偶、通風口、集水坑、排水口與附屬設施中的消防系統、通風系統、排水系統、照明系統、監控系統、報警系統等結果進行詳細規劃設計,再將規劃結果交予結構專業組、電力專業組與排水專業組。其中,結構專業組主要負責投料口、通風口、集水與排水口的整體鋼筋結構的詳細搭建與設計,這是綜合管廊項目開發的基礎工作[15]。電力專業組主要負責對各標準結構與提供電力設備的設計與安裝,保障相關電力管線與支架安裝的安全性。排水專業主要負責集水坑、排水口與排水系統的建設與監督。由于綜合管廊項目繁雜,各管道線路進出水的正常使用十分重要。

在信息化管理平臺中,由工藝專業組進行設計、修改、更新模型,其余專業組只需更新參考模型和圖紙信息,無需做大量的修圖工作,各專業組工作完成后,由工藝專業對模型進行整合,分工明確且效率高[16]。

各工作組合理分配完成相關任務,進而實現萬頃沙開發項目綜合管廊工程的信息化管理平臺建設。

2 模型結構與應用分析

通過BIM技術對萬頃沙開發項目綜合管廊工程信息化管理平臺進行了初步建設,在此基礎上,本研究將對綜合管廊工程進行整體建模,對模型的結構進行介紹與分析。模型的結構如圖1所示。

該部分綜合管廊為雙艙室結構, 分為綜合艙和燃氣艙2部分。 每個艙室各設 22 個防火分區， 以每個防火分區為一個設計單位的原則, 在每個設計單元內按要求設置消防、 通風、 排水、 照明、 監控、 報警等附屬設施, 納入綜合管廊的管線有給水、 電力、 通信、 燃氣4類管線, 共同構成綜合管廊的整體管線結構[17]。

在該部分設計中,綜合管廊工藝專業組主要負責完成管廊的節點標準段以及平縱橫面的相關設計工作[18]。節點位于標準端,即上述提到的22個防火區的相關區域,一個設計單元為1個節點,2個節點之間的間距即為標準端,節點與標準端的位置選取并不是針對同一數據進行定位,而是根據實際情況與地形區域，將選取數據固定于某一范圍區域中。對綜合管廊工程中的平縱橫面進行設計主要應用Openroads Desinger軟件，首先通過該軟件導入道路中心線,然后采用交點法和積木法進行平縱面相關設計。積木法是優先確定關鍵位置關鍵線形,通過連接工具將不同的線元連接,得到貫通的一套路線。而交點法是通過設置曲線參數和線路轉點的方式快速定義路線的設計方法[19]。通過Openroads Desinger軟件進行模型線管結構的設計節省了大量的時間并且提升了效率,但是根據實際情況的不同可能會出現誤差,因此針對軟件的二次開發最好裝備實地勘測系統來替代自身填補系統,這樣能夠更加貼近實際情況并且減少誤差的產生[20]。

綜合管廊結構專業組主要負責完成管廊結構標準段與通風口節點的建模配筋設計工作,該專業組主要應用了信息化綜合平臺中的ProStructures軟件,該軟件具有較強的三維設計功能,能夠精確繪制三維鋼筋,并且能開發出圖像設計與算法模塊。在Bentley平臺2大核心功能模板的輔助下,可使得三維鋼筋結構的制圖過程更加智能、高效。該軟件可以智能、快速地繪制三維鋼筋結構,對于復雜的節點,鋼筋三維展示功能讓結構中鋼筋布置清晰可見。相比較目前主流應用的CAD軟件,該軟件應用起來更加方便,為綜合管廊行業全面實現三維設計提供支持[21-22]。

電力專業組主要負責電力管線的安放與支架的銜接,在該過程中主要應用信息化綜合平臺中的Microstation軟件,該軟件會對綜合管廊工程中的投料口、通風口、照明系統、報警系統、通風系統的電力提供管線安裝設計,對該三維模型中的電力提供結構設計與修改[23]。

給排水工作組主要負責入廊管線的設計,主要應用了信息化綜合平臺中的Microstation軟件進行入廊管線的預安放設計,對該三維模性中的入廊管線進行精確的安放,以達到對綜合管廊工程中排水系統的合理安裝。

3 實驗研究

3.1 環境參數

為檢測基于Bentley的BIM技術在萬頃沙開發項目綜合管廊工程中發揮的作用,設計如下對比實驗,從定位精準性、細節信息處理量和運行時間3個角度,將本文所提方法與文獻[8]中的基于Revit綜合管廊三維建模二次開發應用方法，文獻[9]中的 BIM 在綜合管廊全生命周期智慧管控中的應用方法，文獻[10]中的BIM技術在綜合管廊設計施工全過程中的應用方法進行對比,比較不同方法的應用有效性。萬頃沙開發項目綜合管廊工程總長 5.2 km,施工時間3個月,統計數據30組,結果采用專家評估,仿真平臺為Matlab,數據處理使用SPSS軟件。

3.2 結論與分析

圖 2 不同方法定位精確性對比Fig.2 Comparison of positioning accuracy of different methods

從圖2可知,隨著實驗組數的增多,不同方法的定位精確性也在發生變化。文獻[9]和文獻[10]方法的定位精確性較為接近,且基本保持在82%～87%之間,文獻[8]方法的定位精確性較小,保持在80%上下。相比之下,本文方法的定位精確性較高,最高可達到92%。這是因為本文方法下的BIM技術通過人力設備與衛星定位相結合的方式對綜合信息化處理平臺進行設計,2種定位過程相互彌補,提高了基于Bentley的BIM技術在該項目中的定位精確性。

3.2.2 細節信息處理量對比 利用BIM技術對綜合管廊工程進行設計時需對模型和工程的細節信息進行處理,細節信息處理量能夠反映不同方法的建模效果和精度。為驗證不同方法的有效性,從角度細節信息處理量對不同方法進行測試,結果由SPSS軟件自動統計,對比結果如圖3所示。

圖 3 不同方法細節信息處理量對比Fig.3 Comparison of processing amount of detail information by different methods

從圖3可知,隨著實驗組數的增多,不同方法的細節信息處理量也在發生變化。文獻[8]和文獻[10]方法的細節信息處理量較為接近,保持在600～750個之間,文獻[9]方法的細節信息處理量雖然程序上升趨勢,但數量較少,最多的細節信息處理量僅為600個。相比之下,本文方法的細節信息處理量較高,最多可達到880個。

3.2.3 運行時間對比 萬頃沙開發項目綜合管廊工程不僅對工程細節要求較高,工程效率也是衡量工程質量的一項重要指標。因此,測試不同方法下的建筑信息模型對某一指令的運行時間隨工程進度的變化情況,通過運行時間反映不同方法的運行效率,時間數據由Matlab仿真平臺智能統計。實驗結果如圖4所示。

圖 4 不同方法運行時間對比Fig.4 Comparison of running time of differentmethod

從圖4可知,隨著工程進度的推進,不同方法對某一指令的運行時間也在發生變化。文獻[8]方法在開始時耗時增加緩慢,當工程進度超過40%后耗時加快。文獻[9]和文獻[10]方法的運行時間在工程開始時耗時呈線性增加趨勢,當工程進度超過65%后,文獻[10]比文獻[9]的耗時少。相比之下,本文方法的運行時間為最少。

綜上所述,基于Bentley的BIM技術在萬頃沙開發項目綜合管廊工程中的應用方法具有較高的定位精確性、細節信息處理量大且運行耗時較少,具有明顯的應用優勢。

4 結 語

將基于Bentley的BIM技術應用于萬頃塊開發項目綜合管廊工程中,并設計一種新的應用方法,相較于傳統的應用方法來說,新方法在設計上更加立體方便,管道模型設計分工更加詳細具體,應用該方法構成的信息化綜合平臺綜合管廊工程的設計與施工提供了巨大的支持。

研究中還發現,實地檢測過程中,將衛星定位評估與移動裝置實地測量相結合,能夠更準確對萬頃沙地塊進行數據采集和建模;在信息化管理過程中,通過由專業組對綜合管廊模型進行設計、修改和更新,其余組別負責根據專業組給出的結果整合模型的方式,能夠有效減小信息建設管理過程的復雜性,避免資源浪費的同時,還能提高管理效率。