综合管廊的智慧化建造及运维体系综述

2022-01-26冯天垚姚海波耿英宸尹力文

北京工业职业技术学院学报 2022年1期

冯天垚姚海波耿英宸尹力文庄璐

(1.北方工业大学，北京100144； 2.中化学路桥建设有限公司，北京 101100； 3.中冶京诚工程技术有限公司，北京 100176)

0 引言

综合管廊将电力、通信、给水、排水、燃气等管线统一规划，集中铺设，避免了因铺设不同类型的管线而造成的“马路拉链”现象，减小了路面开挖对交通的影响，方便了管线的检修与维护，提高了城市地下空间利用率[1]。在2015年前后我国掀起了兴建城市地下综合管廊的浪潮，逐渐形成了科学、合理的综合管廊的规划、设计、建设理念，同时国家也对综合管廊建设的法律法规、政策、管理办法不断补充与完善，并且相关装备及技术也在不断进步发展，综合管廊市场呈现出一片欣欣向荣的景象[2]。但是综合管廊后期的运营情况却不容忽视，因为一旦发生故障或灾害事故，就会产生连锁效应和衍生灾害，直接威胁整个城市的公共安全，给人民的生活造成重大影响。因此，建立智慧化综合管廊是管廊建设发展的趋势，是保障城市正常运行的重要一环。国内管廊起步较晚，截至目前还没有进入全面运营阶段，有关综合管廊后期运维的管理标准、法律法规还尚未出台，同时也没有专业的城市综合管廊运营公司，管廊智慧运维市场处于一片空白[3-4]。因此，对城市地下综合管廊进行智慧化管理的研究非常必要。

1 国内研究现状

国内关于综合管廊的相关研究，大多集中于综合管廊的可行性分析、规划、设计与施工方面，运维管理方面相对比较少，且只有少数学者开始将BIM、GIS、云计算等相关技术融入综合管廊运维平台。近几年我国建设的管廊项目还未进入全面运营阶段，运营管理方面的总体状况为：经验不足、法规不全、平台不专、标准不一，主要表现在管理方式落后，应急响应慢，权责无法可依、智慧运营管理的标准严重缺乏[5]。刘彬等[6]依托艮山路地下综合管廊工程，将BIM技术应用到施工场地策划、管线综合布线、施工模拟、工程量结算和质量控制环节，大幅度提升了综合管廊的施工水平和施工效率；王军等[7]总结了3种不同的综合管廊的投资建设模式，阐述了综合管廊运营期间的使用费构成、收费定价影响因素、收费机制，归纳了目前我国在综合管廊建设及运营方面存在的问题，并提供了解决问题的措施与建议；宋文波[8]归纳了2015年前后我国政府发布的综合管廊建设的政策和国内外管廊的研究探索历程，探讨了北京市管廊发展的规划构想和建设情况，并结合北京市政工程设计研究总院承担的综合管廊工程实例，进一步阐述了管廊未来的发展方向。杨党锋等[9]以某项目为依托，采用物联网、大数据等信息技术，建立了综合管廊运维管理系统。总之，综合管廊智慧化建造与运维的相关研究比较少，且主要针对BIM技术、GIS技术的研究以及综合管廊智慧化运维平台的构成部分，并没有详细阐述如何在综合管廊全生命周期内实现智慧化管控，所研究的内容只是针对某一个特定的管廊，并未在大范围内实现管廊的智慧化管理。

2 综合管廊管理体系的发展

从1958年北京市天安门广场下的第1条管廊开始，截至2021年，我国综合管廊发展已有60多年的历史，经历了从无到有、从弱到强的巨大飞跃。在此期间，可将管廊的发展历程划分为图纸时代→数字时代→智能时代→智慧时代4个时代。在初期的图纸时代，综合管廊的信息资料通过图纸卡片等纸质文件进行记录，导致记录不全、信息缺失严重，综合管廊的管理处于混乱之中。进入数字时代以后，综合管廊的信息开始向数字化发展，综合管廊内部开始配备视频安防监控设施、通信设施、环境与设备监控设施、火灾报警等基础监控设施，采用人工巡检的方式进行巡检，初步形成综合管廊的管理体系。随着技术的飞速发展，通过增加对廊内管线以及廊体构筑物的监测，采用AR眼镜、智能移动端设备、巡检机器人等智能装备对人工巡检进行辅助，并且搭建综合监控运维管理的系统平台，实现了对管廊的实时监控和应急事件的快速响应处理，以及一体化分析决策与综合管控等一系列功能，使综合管廊的运维成本和运行安全得到了有效的保障，综合管廊的管理体系走向成熟。伴随着云计算、大数据、人工智能等相关技术的发展，综合管廊步入智慧时代，实现了数据分析、智能巡检、预前控制、危机处理等功能，防患于未然，确保综合管廊的维检自动化、管理可视化、数据标准化、应急智能化、管控精准化、分析全局化。

3 BIM在智慧管廊中的应用

综合管廊是在狭小空间内容纳多类型管道系统的空间，尤其是在管廊交叉节点、投料口、出线井等位置的管道、支墩、支吊架、楼梯、人员通行及材料运输通道，照明及供电，排水等情况相对庞杂。因空间狭小，当采用常规的二维设计模式开展设计时，不能及时发现设计方面存在的问题，从而导致了工期延长、费用增加、时间浪费。若基于BIM协同平台进行综合管廊设计，可以通过三维碰撞检查功能，使管道支墩、阀门、支吊架等的安装，管道交叉管线的分支、管道出线的连接更加合理；通过各专业对BIM模型进行共享，可以实现专业矛盾的及时发现并进行有效的化解，使综合效率和整体质量有很大程度的提升；通过BIM模型自动生成材料表、平面、剖面等图纸的功能，可以实现图纸和BIM模型二者之间的紧密联系，减少设计图纸中存在的错误，使工作效率得到进一步的提升[10]。

3.1 管廊工艺设计

管廊工艺设计包含标准横断面的设计、安装孔、交叉节点、出线井、通风口、变配电室、人员出入口等的设计。在对综合管廊进行横断面设计时，可直接对软件数据库中的标准横断面进行修改，快速简便的生成所需横断面，如图1所示。

图1 标准横断面设计

在综合管廊内进行管道布置时，按照相关规范，依次对管道与管廊土建部分之间的净距、管道支墩及支吊架与管道之间的净距、管道与管道之间的净距等参数进行设置与检查，从而使管廊标准横断面中管道敷设的布局更加合理。根据BIM模型自动剖切生成的关键位置平、剖面详图，并利用其具有的智能化标注功能，对出线井、交叉节点等位置的施工进行说明和指导，从而实现BIM模型与详图的自动持续更新。

3.2 管廊结构设计

基于BIM技术的综合管廊结构设计流程大致可分为3个方面，即BIM结构模型的创建、结构计算的分析、结构后处理。在综合管廊BIM模型创建完成后，将BIM数据模型导入至结构计算软件时，结构计算软件可以自动识别结构计算分析所需构件的属性，其中主要包括结构梁、轴网、楼板、墙、柱等，并且通过设定边界条件、划分单元、定义参数等方式实现其求解计算。利用得出的构件计算分析结果，对结构设计中不满足构造要求的部位进行调整。在得出配筋结果之后，根据配筋的结果，自动生成相应的BIM钢筋模型，从而实现从BIM模型到管廊结构设计计算的完美衔接[11]。管廊BIM模型如图2所示，管廊结构计算分析模型如图3所示。

图2 管廊BIM模型

图3 管廊结构计算分析模型

4 智慧化建造

4.1 深化设计

综合管廊的主体结构和管线模型建立完成后，可以利用BIM技术对管廊的机电部分，如通风、供电、消防、排水、疏散、标志标牌、照明等进行精准化设计。例如，在进行照明设备安装设计时，可对其光源功率、光源的光通量、镇流器功率、转换效率等规格参数进行设置，且利用BIM技术设计，还有助于日后用电量的统计。借助BIM技术自由快速参数化的特点，可对各种类型的摄像头、气体检测设备、温度湿度检测设备进行布置设计，实现模型搭建的快速布置。其他机电设备的设计，包括标志、消防灭火、扬声器或悬挂喇叭等相关装置，同样可以应用BIM技术做出近乎真实的模型。

4.2 虚拟设计与施工

虚拟施工技术可以采用5D技术对造价过程和施工进度进行可视化模拟，建造出一个可视化的施工环境。5D即将3D模型、工程进度和工程造价共同合为一体。利用5D技术的施工模拟可以在施工之前预测所需的材料、劳动力、资金等相关情况，从而对施工过程进行有效的成本控制。针对重点复杂区域的施工工艺进行模拟，检查施工方案中的不合理之处，最终确定最优施工方案。5D技术的施工模拟可应用于项目建造的整个过程，可以依次对项目进行前期指导、过程把控和结果校核，最终达到精细化管理项目的目标[12]。

4.3 工程概预算

将综合管廊的BIM模型导入软件三维模型算量模块，通过三维模型与工程量清单子目进行相互关联，软件可以灵活编辑每一个工程量清单子目计算公式，还可以根据要求，对算量基准进行对应的选择。在算量结果偏差的追踪检查方面，软件检查流程不但可以满足三维模型可视化的要求，同时还能满足精度检测的多角度要求，做到既能以模型构件为检查基准，又能以算量子目为检查基准。与此同时，用户可以选择自行创建新的工程量清单，或者将工程量的计算结果更新至已有工程量清单中。

软件中的投标计价模块与工程量清单模块都能满足基于模型的数据可视化的要求，用户也可对这2个模块的工程量偏差进行可视化查看。除了上述提到的模块以外，其他与工程量清单子目有关联的任一模块都可实现数据可视化的要求，如部位模块、施工组织模块和账单模块等。

4.4 施工过程管理

采用5D模拟和施工计划的方式，可以协助项目设计最优化的施工方案，满足清单层级细化的项目要求，并且能够与多种项目管理软件相互集成，比如，可以和Primavera，Power Project，MS-Project可靠集成，最终完成进度计划的导入和导出等一系列工作。采用5D技术，可以制定不同的项目模拟方案，从而对不同的项目方案进行比较，同时自动进行财务分析与对比，最终达到优化方案的目的。

在1个项目中可同时建立多个日历，施工组织即可根据工程的安排做出对应日期的调整，从而使不同地区的进度管理得到更大程度的简化。在将不同方案进行模拟和对比时，可以将估算内容与施工组织的计划二者之间相互联系起来，其中的收益/成本可以和调整工程量或者清单工程量相互关联起来，同时也可以将其和BIM模型关联起来。除此之外，还可以将其进行动态的展示。

当施工组织的计划建立之后，5D模拟流水段的划分可以体现完成的工程量。在将清单与模型进行相互关联之前，需对模型进行分段切割，清单与切割后的模型分段关联，同时根据流水段编制施工进度计划，从而实现清单和进度的相互挂接、预算、清单、综合模型与项目实际情况的三维可视化比较。通过连接项目进度和成本的方式，确保对项目进度的实时追踪，并且可以掌握完成数量以及实际成本[13]。

5 智慧化运维

5.1 基于BIM的一体化综合管廊运营平台

建立基于BIM的一体化综合管廊运营平台，可以通过集成各组成系统，实现可视化管理，满足应急处理、日常维护管理和监控与报警的相关需要，并且可以与管廊内管线的运营单位以及上级管理单位二者之间进行数据的交换[14]。综合管廊运营平台示意图如图4所示。

图4 综合管廊运营平台

一体化综合管廊运营平台需要实现三维可视化、模型轻量化、管理智慧化和信息集成化4个方面的功能。三维可视化通过BIM技术所建立的综合管廊模型，在运营平台中实现漫游展示与仿真模拟的功能，对设备与模型进行查看，动态信息以数字、图表等方式显示在模型之上，如图5所示。

图5 综合管廊可视化模型

模型轻量化就是将各专业的子模型进行轻量化的处理，再在云端进行合模的操作，采用HTML-5技术实现模型的展示，最终可以在浏览器上查看全专业全要素的BIM模型。信息集成化是基于现代空间数据管理技术、云计算与云服务技术以及BIM信息模型技术，建立基于GIS与BIM二者融为一体的三维城市数据管理系统。其可以实现GIS与倾斜摄影地形、模型、综合管廊等多源空间数据之间的相互融合，具有微观与宏观相辅相成、室外与室内一体化的管理功能。管理智慧化通过结合海绵城市、智慧市政综合管廊、三维道路等一系列智慧工程，实现“智慧城市”，为城市交通分析、城市规划、资产管理、管廊运营、数字防灾、市政管网管理、建筑改造、应急救援等诸多领域提供有效的技术手段。

5.2 运营平台架构与管理内容

运营平台采用CS/BS的系统架构，将视频监控、SCADA自控系统、生产管理与BIM模型巧妙地结合起来，综合管廊运营管理系统在综合管廊内部现场的自动化监测与控制层以及管廊管理单位监控中心二者之间承担了必不可缺的工作。在数据库层面，将生产管理和实时监测数据、BIM三维模型、视频监控的数据进行统一，工作人员可以掌握某段管廊和任何一个运行设备的实时数据，同时又可以调阅各类附属设施、设备的管理数据。通过管理数据库的运行工作，可使控制层采集的数据直接传输到管理层，避免了可能发生的人为错误以及信息在传输过程中发生不必要的滞后现象，从而使控制和管理、运营与计划相互紧密的结合，最终达到管控一体化的目标[15]。

在综合管廊运维统一管理平台中，能够实现数据的采集、验收以及移交、共享等相关操作，可以保证综合管廊工程能够对施工进行更好的监控，并且能够采取相应的成本管理、资产管理、预警报警、风险跟踪等一系列措施。