基于Bentley的BIM技术在综合管廊工程的应用

黄文欢,刘 慧,刘厚全

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司,湖北 武汉 430063；2.湖北大学 艺术学院,湖北 武汉 430062)

0 引 言

近年来,随着全国各地降雨量的增加，管线泄漏、爆炸、地面塌陷等事故的频发,管道安全问题已不容忽视[1]。综合管廊涉及消防、供电,照明、排水等多种市政公用设施,是保障社会生产和居民生活的重要基础设施。为解决管线建设规模小、管理水平低等问题,并进一步发挥综合管廊在保障民生、扩大投资等项目中的作用,应进一步推进综合管廊的部署建设[2]。

文献[3]提出一种城市地下综合管廊规划布局方法,该方法通过分析确定城市综合管廊建设过程中的影响因子,结合层次分析法构建评价指标体系,合理规划管廊选线，在此基础上,结合城市功能结构、管线功能对管廊设施进行系统布局,实现城市地下综合管廊的综合规划。文献[4]根据城市综合管廊规划概况和不同类型管线的功能特性，设计其衔接方式,保证综合管廊的布局与管线、道路相协调,并预留出重要节点、确定配套设施,从总体规划、专项规划和控制规划3个层面实现综合管廊的建设。然而因综合管廊工程过程复杂、规划量较大,上述2种方法难以实现全周期的监管,导致工程建设管理效果难以与工程进度有效结合。文献[5]提出一种基于三维激光扫描技术的地下综合管廊规划方法,该方法利用三维激光扫描设备实景测量管廊的节点部位,将采集到的数据导入Cyclone软件中,并通过数据去噪、拼接等处理建立实景模型,实现施工建设过程的规划和管理。文献[6]提出一种城市综合管廊安全运行规划管理方法,结合综合管廊的建设与管理现状,在总结影响综合管廊安全运行因素的基础上,从设计规范、安全指标等详细规划了综合管廊的设计方案,针对不同用途的管线设计不同连接、管理方式,并提出管廊安全运行管理措施,实现城市综合管廊的安全运行。然而文献[5-6]在施工和设计中的应用效果较好,却难以实现整体规划和运行维护,应用范围较小。

BIM技术是一种多维模型信息集成技术,该技术可以通过大量数据表达物体或工程的物理特征与功能信息,将其应用于工程项目的规划、勘察、设计、施工、运营维护当中,可以实现信息化管理[7]。因BIM独特的优化设计能力,使其在生产力、工作效率、质量与安全性方面都具有极大的竞争力。综合管廊工程过程复杂、工程量巨大,若想实现该工程的全程设计监督,则采用BIM技术更为适合。

目前,相关专家对大范围土地综合建模的研究越发重视,本文研究的万顷沙开发项目与综合管廊项目就属于该研究范畴。传统的大范围土地综合建模方法,如文献[8]提出基于Revit综合管廊三维建模二次开发应用方法,将Revit作为创建信息化模型的平台,根据构件特性创建综合管廊构件信息数据库,用于直接调取所需的构件创建,在此基础上,创建基于Revit平台的综合管廊模块,结合不同函数编写程序设计可视化建模、施工安全管理、后期运营管理等模块,实现对综合管廊模型的快速设计，然而该方法的定位精度较差,难以为后续的施工管理和状态监控提供支持。文献[9]提出BIM在综合管廊全生命周期智慧管控中的应用方法,将BIM技术引入综合管廊全生命周期的设计阶段、施工建设阶段和运维阶段等过程,利用虚拟三维的思维方式,通过多维信息集成对综合管廊全生命周期实施数字化、互动化、可控化管控。然而该方法的细节处理量较小,导致建模效果较差。文献[10]提出BIM技术在综合管廊设计施工全过程中的应用方法,以城市副中心综合管廊工程为研究对象,设计BIM技术在综合管廊设计阶段和施工阶段的应用方法,在实现综合管廊管线、主体结构的同步设计的同时,将施工阶段的效益最大化,并实现综合管廊的可视化化建设、互动运营和管理。文献[11]提出基于BIM技术的城市地下综合管廊可视化设计方法,针对城市地下综合管廊的特点,从总体设计、施工设计、后期维护3个角度进行管廊工程综合规划,结合三维可视化技术实现对综合管廊的三维建模、施工监管和运行监控。但文献[10-11]方法的运行时间较长,效率较低,应用效果较差。

为此,本研究选取某万顷沙地块,在该范围内对综合管廊进行了全方位的BIM设计。主要建设内容包括综合管廊主体及其附属设施,综合管廊主体包括为主体标准结构、投料口、通风口、集水坑、排水口等节点,附属设施包括综合管廊配套的消防系统、通风系统、排水系统、照明系统、监控系统、报警系统等工程。本研究从多角度进行分析设计,应用BIM技术进行平台搭建与模型建设对该工程进行研究。

1 信息化管理平台建设

由于BIM技术大多应用于大规模土地综合模型建设,因此要想完成相关模型的设计,需要先对BIM的信息化管理平台进行建设。信息化管理平台的建设分为硬件平台、软件程序两部分,并且需要模型中各专业组的积极配合才能实现[12]。

硬件平台主要包括实地检测装备与电脑综合评估。实地检测装备主要分为定位装置与移动装置,定位装置通过卫星进行定位,并可以通过卫星定位评估概括出该沙地粗略模型;而移动装置可以通过人为实地检测来对该地进行更加精细地分析。二者相结合得出的综合性数据会传输给电脑综合性评估设备,用于评估出综合管廊工程中相对较优的施工区域,进而帮助各部门专业工作组进行施工[13]。

软件程序采用与多家软件公司进行合作的方式获得相关软件的使用权，并对相关工作人员进行培训,通过专家系统和具体分工统计构成综合性信息化管理平台[14]。目前,平台各专业工作组主要应用的软件及相关工作内容如表1所示。

表 1 各部门专业应用软件归纳表Tab.1 Table of professional application softwares for each department

以上4个专业组构成了基于BIM技术的综合性信息化管理平台的基本机构,其中工艺专业组主要负责管廊项目的三维模型的平、纵、横设计,对万顷沙地的整体结构进行整体规划设计和数值估算,然后对综合管廊的主体结构中的投料偶、通风口、集水坑、排水口与附属设施中的消防系统、通风系统、排水系统、照明系统、监控系统、报警系统等结果进行详细规划设计,再将规划结果交予结构专业组、电力专业组与排水专业组。其中,结构专业组主要负责投料口、通风口、集水与排水口的整体钢筋结构的详细搭建与设计,这是综合管廊项目开发的基础工作[15]。电力专业组主要负责对各标准结构与提供电力设备的设计与安装,保障相关电力管线与支架安装的安全性。排水专业主要负责集水坑、排水口与排水系统的建设与监督。由于综合管廊项目繁杂,各管道线路进出水的正常使用十分重要。

在信息化管理平台中,由工艺专业组进行设计、修改、更新模型,其余专业组只需更新参考模型和图纸信息,无需做大量的修图工作,各专业组工作完成后,由工艺专业对模型进行整合,分工明确且效率高[16]。

各工作组合理分配完成相关任务,进而实现万顷沙开发项目综合管廊工程的信息化管理平台建设。

2 模型结构与应用分析

通过BIM技术对万顷沙开发项目综合管廊工程信息化管理平台进行了初步建设,在此基础上,本研究将对综合管廊工程进行整体建模,对模型的结构进行介绍与分析。模型的结构如图1所示。

该部分综合管廊为双舱室结构, 分为综合舱和燃气舱2部分。 每个舱室各设 22 个防火分区， 以每个防火分区为一个设计单位的原则, 在每个设计单元内按要求设置消防、 通风、 排水、 照明、 监控、 报警等附属设施, 纳入综合管廊的管线有给水、 电力、 通信、 燃气4类管线, 共同构成综合管廊的整体管线结构[17]。

在该部分设计中,综合管廊工艺专业组主要负责完成管廊的节点标准段以及平纵横面的相关设计工作[18]。节点位于标准端,即上述提到的22个防火区的相关区域,一个设计单元为1个节点,2个节点之间的间距即为标准端,节点与标准端的位置选取并不是针对同一数据进行定位,而是根据实际情况与地形区域，将选取数据固定于某一范围区域中。对综合管廊工程中的平纵横面进行设计主要应用Openroads Desinger软件，首先通过该软件导入道路中心线,然后采用交点法和积木法进行平纵面相关设计。积木法是优先确定关键位置关键线形,通过连接工具将不同的线元连接,得到贯通的一套路线。而交点法是通过设置曲线参数和线路转点的方式快速定义路线的设计方法[19]。通过Openroads Desinger软件进行模型线管结构的设计节省了大量的时间并且提升了效率,但是根据实际情况的不同可能会出现误差,因此针对软件的二次开发最好装备实地勘测系统来替代自身填补系统,这样能够更加贴近实际情况并且减少误差的产生[20]。

综合管廊结构专业组主要负责完成管廊结构标准段与通风口节点的建模配筋设计工作,该专业组主要应用了信息化综合平台中的ProStructures软件,该软件具有较强的三维设计功能,能够精确绘制三维钢筋,并且能开发出图像设计与算法模块。在Bentley平台2大核心功能模板的辅助下,可使得三维钢筋结构的制图过程更加智能、高效。该软件可以智能、快速地绘制三维钢筋结构,对于复杂的节点,钢筋三维展示功能让结构中钢筋布置清晰可见。相比较目前主流应用的CAD软件,该软件应用起来更加方便,为综合管廊行业全面实现三维设计提供支持[21-22]。

电力专业组主要负责电力管线的安放与支架的衔接,在该过程中主要应用信息化综合平台中的Microstation软件,该软件会对综合管廊工程中的投料口、通风口、照明系统、报警系统、通风系统的电力提供管线安装设计,对该三维模型中的电力提供结构设计与修改[23]。

给排水工作组主要负责入廊管线的设计,主要应用了信息化综合平台中的Microstation软件进行入廊管线的预安放设计,对该三维模性中的入廊管线进行精确的安放,以达到对综合管廊工程中排水系统的合理安装。

3 实验研究

3.1 环境参数

为检测基于Bentley的BIM技术在万顷沙开发项目综合管廊工程中发挥的作用,设计如下对比实验,从定位精准性、细节信息处理量和运行时间3个角度,将本文所提方法与文献[8]中的基于Revit综合管廊三维建模二次开发应用方法，文献[9]中的 BIM 在综合管廊全生命周期智慧管控中的应用方法，文献[10]中的BIM技术在综合管廊设计施工全过程中的应用方法进行对比,比较不同方法的应用有效性。万顷沙开发项目综合管廊工程总长 5.2 km,施工时间3个月,统计数据30组,结果采用专家评估,仿真平台为Matlab,数据处理使用SPSS软件。

3.2 结论与分析

图 2 不同方法定位精确性对比Fig.2 Comparison of positioning accuracy of different methods

从图2可知,随着实验组数的增多,不同方法的定位精确性也在发生变化。文献[9]和文献[10]方法的定位精确性较为接近,且基本保持在82%～87%之间,文献[8]方法的定位精确性较小,保持在80%上下。相比之下,本文方法的定位精确性较高,最高可达到92%。这是因为本文方法下的BIM技术通过人力设备与卫星定位相结合的方式对综合信息化处理平台进行设计,2种定位过程相互弥补,提高了基于Bentley的BIM技术在该项目中的定位精确性。

3.2.2 细节信息处理量对比 利用BIM技术对综合管廊工程进行设计时需对模型和工程的细节信息进行处理,细节信息处理量能够反映不同方法的建模效果和精度。为验证不同方法的有效性,从角度细节信息处理量对不同方法进行测试,结果由SPSS软件自动统计,对比结果如图3所示。

图 3 不同方法细节信息处理量对比Fig.3 Comparison of processing amount of detail information by different methods

从图3可知,随着实验组数的增多,不同方法的细节信息处理量也在发生变化。文献[8]和文献[10]方法的细节信息处理量较为接近,保持在600～750个之间,文献[9]方法的细节信息处理量虽然程序上升趋势,但数量较少,最多的细节信息处理量仅为600个。相比之下,本文方法的细节信息处理量较高,最多可达到880个。

3.2.3 运行时间对比 万顷沙开发项目综合管廊工程不仅对工程细节要求较高,工程效率也是衡量工程质量的一项重要指标。因此,测试不同方法下的建筑信息模型对某一指令的运行时间随工程进度的变化情况,通过运行时间反映不同方法的运行效率,时间数据由Matlab仿真平台智能统计。实验结果如图4所示。

图 4 不同方法运行时间对比Fig.4 Comparison of running time of differentmethod

从图4可知,随着工程进度的推进,不同方法对某一指令的运行时间也在发生变化。文献[8]方法在开始时耗时增加缓慢,当工程进度超过40%后耗时加快。文献[9]和文献[10]方法的运行时间在工程开始时耗时呈线性增加趋势,当工程进度超过65%后,文献[10]比文献[9]的耗时少。相比之下,本文方法的运行时间为最少。

综上所述,基于Bentley的BIM技术在万顷沙开发项目综合管廊工程中的应用方法具有较高的定位精确性、细节信息处理量大且运行耗时较少,具有明显的应用优势。

4 结 语

将基于Bentley的BIM技术应用于万顷块开发项目综合管廊工程中,并设计一种新的应用方法,相较于传统的应用方法来说,新方法在设计上更加立体方便,管道模型设计分工更加详细具体,应用该方法构成的信息化综合平台综合管廊工程的设计与施工提供了巨大的支持。

研究中还发现,实地检测过程中,将卫星定位评估与移动装置实地测量相结合,能够更准确对万顷沙地块进行数据采集和建模;在信息化管理过程中,通过由专业组对综合管廊模型进行设计、修改和更新,其余组别负责根据专业组给出的结果整合模型的方式,能够有效减小信息建设管理过程的复杂性,避免资源浪费的同时,还能提高管理效率。