BIM技術(shù)在市政管網(wǎng)三維參數(shù)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

0 引言

市政管網(wǎng)系統(tǒng)作為現(xiàn)代城市不可或缺的組成部分，承擔(dān)著水資源輸送、廢水排放、能源供應(yīng)等重要職能，其設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)維的成效直接關(guān)系到城市的正常運(yùn)行、居民的生活質(zhì)量以及生態(tài)環(huán)境的保護(hù)[1]。然而隨著城市化進(jìn)程的加速，市政管網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行壓力日益增大。一方面，城市規(guī)模的擴(kuò)大和人口的增長(zhǎng)對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)的容量、效率和安全性提出了更高要求；另一方面，管網(wǎng)的復(fù)雜性和隱蔽性使得其設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)工作變得異常艱難。傳統(tǒng)上，市政管網(wǎng)的設(shè)計(jì)主要依賴(lài)于二維圖紙和手工計(jì)算，不僅效率低下，而且難以全面、準(zhǔn)確地反映管網(wǎng)的實(shí)際情況[2]。例如，二維圖紙難以直觀展示管網(wǎng)的立體布局和空間關(guān)系，容易導(dǎo)致設(shè)計(jì)錯(cuò)誤和施工沖突；手工計(jì)算則難以精確評(píng)估管網(wǎng)的水力性能、結(jié)構(gòu)安全等關(guān)鍵指標(biāo)，增加了運(yùn)維風(fēng)險(xiǎn)[3]。

近年來(lái)，BIM技術(shù)逐漸進(jìn)入市政管網(wǎng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，為市政管網(wǎng)的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)提供了新的解決方案。通過(guò)BIM技術(shù)，設(shè)計(jì)人員可以創(chuàng)建高度精細(xì)的三維模型，直觀展示管網(wǎng)的布局、材質(zhì)、尺寸等詳細(xì)信息；同時(shí)BIM技術(shù)還具備強(qiáng)大的參數(shù)化設(shè)計(jì)能力，允許設(shè)計(jì)人員在模型中直接修改參數(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的即時(shí)更新和優(yōu)化[4-5]。本文旨在深入探討B(tài)IM技術(shù)在市政管網(wǎng)三維參數(shù)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，以期為市政管網(wǎng)的設(shè)計(jì)與管理提供新的思路和方法，推動(dòng)城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展。

1項(xiàng)目概況及特點(diǎn)

1.1 項(xiàng)目概況

某城市新區(qū)規(guī)劃面積為 15km² ，規(guī)劃人口約20萬(wàn)人，定位為生態(tài)宜居與產(chǎn)業(yè)融合的綜合型城區(qū)。隨著區(qū)域開(kāi)發(fā)進(jìn)程加快，現(xiàn)有市政管網(wǎng)系統(tǒng)（包括給水、雨水、污水、再生水、燃?xì)饧半娏νㄐ殴芫€(xiàn)）已無(wú)法滿(mǎn)足未來(lái)發(fā)展需求。為提升市政基礎(chǔ)設(shè)施承載能力、優(yōu)化城市功能布局，需新建及改造市政管網(wǎng)系統(tǒng)。

工程主要內(nèi)容包括新建一條DN800主給水管線(xiàn)，全長(zhǎng)約 10km ，沿途設(shè)置加壓泵站及水質(zhì)監(jiān)測(cè)站，以確保水質(zhì)安全與供水穩(wěn)定。改造原有合流制排水管道為分流制，新建雨水管道DN1200與污水管道DN600各一條，總長(zhǎng)度約 15km ，增設(shè)雨水調(diào)蓄池，并對(duì)污水處理廠(chǎng)改造升級(jí)，以提升排水效率與水質(zhì)處理標(biāo)準(zhǔn)。

1.2項(xiàng)目特點(diǎn)

1.2.1地下環(huán)境復(fù)雜且數(shù)據(jù)缺失

城市地下空間已存在大量既有管線(xiàn)（如電力、通信、燃?xì)獾龋Y料不全或精度不足，導(dǎo)致設(shè)計(jì)沖突風(fēng)險(xiǎn)高。同時(shí)地質(zhì)條件復(fù)雜（如軟土、高水位、巖層等），需針對(duì)性設(shè)計(jì)管道基礎(chǔ)和防腐措施。同時(shí)不同管材（如球墨鑄鐵管、HDPE管）對(duì)施工工藝要求差異大，易出現(xiàn)接口滲漏、回填沉降等問(wèn)題。

1.2.2多專(zhuān)業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)困難

市政管網(wǎng)工程涉及給水、排水、燃?xì)狻㈦娏Φ榷鄠€(gè)專(zhuān)業(yè)，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式下各專(zhuān)業(yè)圖紙分離，易出現(xiàn)管線(xiàn)交叉沖突。同時(shí)管網(wǎng)設(shè)計(jì)需滿(mǎn)足流量、壓力、坡度等動(dòng)態(tài)參數(shù)要求，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法難以快速響應(yīng)變更。

1.2.3 交通組織復(fù)雜

城市市政管網(wǎng)工程施工期間，施工場(chǎng)地狹窄，大量材料、機(jī)械設(shè)備和人員需要進(jìn)出施工現(xiàn)場(chǎng)，會(huì)對(duì)附近居民出行和車(chē)輛交通造成影響。

1.2.4 工期緊張

市政管網(wǎng)工程的工期通常較為緊張，尤其是在舊城

區(qū)改造工程中，施工需要在確保交通基本順暢的情況下進(jìn)行，且需要避開(kāi)交通高峰期，進(jìn)一步增加了工期的壓力。

2BIM技術(shù)概述

BIM技術(shù)是一種基于三維數(shù)字模型的建筑信息管理方法，其通過(guò)創(chuàng)建和利用建筑項(xiàng)目數(shù)字化模型，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目全生命周期內(nèi)的信息共享和協(xié)同工作。BIM技術(shù)具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性和優(yōu)化性等特點(diǎn)，能夠有效提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，減少錯(cuò)誤和返工。

在市政工程領(lǐng)域，BIM技術(shù)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，涵蓋了道路、橋梁、管網(wǎng)等多個(gè)方面。特別是在市政管網(wǎng)設(shè)計(jì)中，BIM技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)管網(wǎng)系統(tǒng)的三維可視化、參數(shù)化設(shè)計(jì)和信息集成，為管網(wǎng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維提供全面的技術(shù)支持[6-7]。

3BIM技術(shù)的具體應(yīng)用

3.1建立地下管網(wǎng)BIM模型

3.1.1 模型構(gòu)建環(huán)節(jié)

建立管網(wǎng)源BIM模型時(shí)，通過(guò)Revit軟件整合管網(wǎng)溯源排查數(shù)據(jù)，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化建模資源庫(kù)，包括定制化排水構(gòu)件族、專(zhuān)用項(xiàng)目樣板以及管道參數(shù)化系統(tǒng)。設(shè)置材質(zhì)參數(shù)時(shí)，建立管材性能數(shù)據(jù)庫(kù)。

在模型構(gòu)建階段，依托Dynamo可視化編程工具實(shí)施自動(dòng)化建模，通過(guò)解析溯源圖紙數(shù)據(jù)批量生成具有精確管徑、標(biāo)高與坡度的三維管網(wǎng)架構(gòu)，同步集成雨水篦、檢查井等附屬設(shè)施。為提升模型可讀性，運(yùn)用可視化編碼系統(tǒng)對(duì)雨污分流管道進(jìn)行色彩區(qū)分，并附加流向標(biāo)識(shí)紋理貼圖，建立地下排水管網(wǎng)模型。地下管網(wǎng)局部模型示意如圖1所示。

圖1地下管網(wǎng)局部模型示意

3.1.2模型信息深化環(huán)節(jié)

在模型信息深化環(huán)節(jié)，通過(guò)Revit參數(shù)化功能將管網(wǎng)整治數(shù)據(jù)植入模型構(gòu)件，包括管井定位編碼、結(jié)構(gòu)性缺陷坐標(biāo)、修復(fù)工藝工法等關(guān)鍵屬性。依據(jù)《城市工程管線(xiàn)綜合規(guī)劃規(guī)范》，構(gòu)建低壓燃?xì)夤芘c直埋電力管水平凈距 ?0.5m 、垂直凈距 ?0.5m 等規(guī)則，同時(shí)按“重力管 gt; 壓力管”、“大管徑 gt; 小管徑”設(shè)置避讓優(yōu)先級(jí)，動(dòng)態(tài)調(diào)整高程。這不僅實(shí)現(xiàn)了管網(wǎng)三維形態(tài)的精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)，更構(gòu)建起涵蓋空間關(guān)系與運(yùn)維數(shù)據(jù)的多維信息模型，為后續(xù)管網(wǎng)診斷與修復(fù)方案制定提供數(shù)字化基礎(chǔ)。在此次某段給水管網(wǎng)設(shè)計(jì)中，通過(guò)參數(shù)化規(guī)則自動(dòng)規(guī)避地鐵盾構(gòu)區(qū)間，減少人工調(diào)整時(shí)間 65% 。

3.2BIM協(xié)同平臺(tái)

BIM協(xié)同平臺(tái)為所有參與者提供了一個(gè)單一的數(shù)據(jù)源，與項(xiàng)目相關(guān)的信息均集中存儲(chǔ)在BIM協(xié)同平臺(tái)上。無(wú)論哪個(gè)專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)師進(jìn)行修改，其更新都會(huì)立即反映在整個(gè)模型中，確保所有團(tuán)隊(duì)成員都能訪(fǎng)問(wèn)到最新、最準(zhǔn)確的信息，實(shí)現(xiàn)市政管網(wǎng)的參數(shù)化協(xié)同設(shè)計(jì)。

通過(guò)云服務(wù)或其他在線(xiàn)協(xié)作工具，BIM模型支持實(shí)時(shí)同步功能，允許分散在不同地理位置的工程人員同時(shí)對(duì)同一項(xiàng)目進(jìn)行操作。這種即時(shí)性不僅提高了工作效率，還促進(jìn)了跨部門(mén)間的有效溝通，減少了誤解和沖突。

除此之外，相比于傳統(tǒng)的二維圖紙，三維模型提供了更加直觀的視角，幫助非專(zhuān)業(yè)人士更好地理解和參與到工程建設(shè)當(dāng)中來(lái)。例如，在設(shè)計(jì)評(píng)審會(huì)議中，利用三維模型展示設(shè)計(jì)方案，能夠使各方更容易達(dá)成共識(shí)。BIM平臺(tái)界面示意如圖2所示。

圖2BIM平臺(tái)界面示意

3.3市政管網(wǎng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.3.1管線(xiàn)局部碰撞檢測(cè)與方案優(yōu)化

基于三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)的管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)建立多維屬性檢索體系（含管井編碼、敷設(shè)工法、管材參數(shù)等12類(lèi)特征維度），能夠快速定位目標(biāo)管線(xiàn)并執(zhí)行空間沖突解析。如BIM平臺(tái)能夠自動(dòng)檢測(cè)新建雨污管道與既有管網(wǎng)的空間干涉情況，通過(guò)碰撞檢測(cè)算法預(yù)判后續(xù)施工沖突的概率，同步生成管線(xiàn)路由優(yōu)化建議方案。管線(xiàn)局部碰撞分析如圖3所示。

在確定管道修復(fù)方案時(shí)，設(shè)計(jì)人員可動(dòng)態(tài)分析整治點(diǎn)周邊地下管網(wǎng)分布密度、地表建筑限高等空間約束條件，結(jié)合管網(wǎng)缺陷評(píng)估參數(shù)庫(kù)，通過(guò)修復(fù)工法智能匹配引擎生成最優(yōu)施工方案。除此之外，還可結(jié)合GIS地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)，自動(dòng)標(biāo)記溶洞與松散土層區(qū)域、禁止管線(xiàn)穿越等。這種虛實(shí)融合的設(shè)計(jì)模式顯著提升管網(wǎng)改造工程的方案可行性，實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)決策向數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)決策的技術(shù)跨越。

3.3.2局部管線(xiàn)爆管模擬與方案優(yōu)化

通過(guò)模擬管網(wǎng)在不同工況下的水流狀態(tài)，評(píng)估管網(wǎng)的水力性能，包括流速、流量、壓力等關(guān)鍵參數(shù)，有助于發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)中的潛在問(wèn)題，如水流不暢、壓力不足等，并提前進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)流速和流量的分析，確定管網(wǎng)中的瓶頸和過(guò)載區(qū)域，可為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

此外，利用水力性能模擬計(jì)算管網(wǎng)中各點(diǎn)的壓力值，可生成壓力分布圖。通過(guò)對(duì)壓力分布進(jìn)行分析，評(píng)估管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定性，有助于發(fā)現(xiàn)潛在的壓力不足或過(guò)高區(qū)域，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行整改。

水力性能模擬還可以用于模擬管網(wǎng)中的故障情況，如管道破裂、閥門(mén)失效等。通過(guò)模擬故障情況下的管網(wǎng)水力性能，評(píng)估故障對(duì)管網(wǎng)運(yùn)行的影響，有助于制定相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。局部管線(xiàn)爆管模擬分析如圖4所示。

圖4局部管線(xiàn)爆管模擬分析

3.4 應(yīng)用效果

在本項(xiàng)目中，通過(guò)BIM協(xié)同平臺(tái)自動(dòng)檢測(cè)管線(xiàn)與地下構(gòu)筑物（如地鐵隧道）的交叉沖突，發(fā)現(xiàn)并優(yōu)化了32處設(shè)計(jì)隱患（如排水管與燃?xì)夤荛g距不足）。同時(shí)結(jié)合EPANET（給水管網(wǎng)模擬軟件）和GIS空間分析功能，模擬不同工況下的水壓、流量分布，優(yōu)化管徑選擇和泵站布局，使供水效率提升 18% 。

通過(guò)構(gòu)建云端協(xié)同平臺(tái)，設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理單位實(shí)時(shí)共享模型數(shù)據(jù)，同步更新設(shè)計(jì)變更信息，減少溝通成本 50% 。利用BIM模擬技術(shù)，結(jié)合GIS地理圍欄，模擬管線(xiàn)分段施工順序，優(yōu)化土方開(kāi)挖方案，縮短工期 15% 0

市政管網(wǎng)BIM設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式應(yīng)用效果對(duì)比結(jié)果如表1所示。從表1中能夠發(fā)現(xiàn)，基于BIM的市政管網(wǎng)設(shè)計(jì)參數(shù)化建模和自動(dòng)化分析能夠大幅縮短設(shè)計(jì)周期，顯著減少施工風(fēng)險(xiǎn)，從設(shè)計(jì)到運(yùn)維的數(shù)字化貫通，為智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施奠定基礎(chǔ)。

表1市政管網(wǎng)BIM+GIS設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式應(yīng)用效果對(duì)比

4結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)BIM模型的多維度空間分析的市政管網(wǎng)參數(shù)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員能夠在地表實(shí)景三維環(huán)境中同步解析地下管分布關(guān)系，顯著提升跨區(qū)域管網(wǎng)工程的設(shè)計(jì)與施工過(guò)程控制能力，同時(shí)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離管線(xiàn)敷設(shè)方案的可視化推演與工程風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判。

與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式相比，BIM市政管網(wǎng)參數(shù)化設(shè)計(jì)和自動(dòng)化分析實(shí)現(xiàn)了市政管網(wǎng)設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)化、智能化和協(xié)同化，能夠大幅縮短設(shè)計(jì)周期，顯著減少施工風(fēng)險(xiǎn)，為智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施奠定基礎(chǔ)，驗(yàn)證了BIM技術(shù)在市政管網(wǎng)工程中的顯著應(yīng)用價(jià)值。

市政管網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)字化設(shè)計(jì)，不僅是新型城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的核心，更是城市治理能力現(xiàn)代化的重要載體。隨著B(niǎo)IM、GIS技術(shù)與云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷結(jié)合，地下管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)逐漸重構(gòu)傳統(tǒng)市政工程管理模式，為未來(lái)智慧城市的地下脈絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)提供持續(xù)創(chuàng)新。

參考文獻(xiàn)

[1]陳錦全，朱安邦.高密度地區(qū)市政管線(xiàn)高質(zhì)量統(tǒng)籌規(guī)劃和建設(shè)模式創(chuàng)新[J].中國(guó)給水排水，2024，40（24）：40-45.

[2]郭雪梅.海綿城市理念在市政給排水設(shè)計(jì)中的滲透式設(shè)計(jì)[J].建筑結(jié)構(gòu)，2023，53（8）：187.

[3]王光耀，朱律，王偉，等．面向智慧新城的市政管線(xiàn)全周期數(shù)字孿生平臺(tái)建設(shè)路徑[J].測(cè)繪通報(bào)，2024，（S1）：216-220.

[4]唐凌.BIM技術(shù)在市政道路EPC項(xiàng)目中應(yīng)用實(shí)例分析[J].綠色建造與智能建筑，2024（8）：47-49.

[5]丁曉欣，蘇旭苒，高靜思，等.BIM技術(shù)在城市供排水管網(wǎng)中的應(yīng)用研究[J].海河水利，2023（2）：63-66.

[6]易嘉.BIM技術(shù)在大高差室外場(chǎng)地管線(xiàn)綜合中的應(yīng)用[J].城市建筑空間，2023，30（S1）：301-303.

[7]程曉波.BIM技術(shù)在市政管網(wǎng)更新中的應(yīng)用[J].工程技術(shù)研究，2024，9（16）：72-74.