综合管廊作为一种基础设施管网布置形式, 是解决城市地下空间布局不合理、提高城市地下空间利用率的有效解决途径。国务院为全面推进城市地下综合管廊的建设, 于2015年颁布了《关于推广城市地下综合管廊建设的指导意见》, 目标是到2020年, 建成一批具有国际先进水平的综合管廊并投入运营。

随着信息技术的快速发展, BIM技术已广泛用于工程建设的众多专业领域中。为了推广BIM技术在建设领域的应用, 住建部于2016年8月颁布了《2016～2020年建筑业信息化发展纲要》, 纲要明确提出要大力推进BIM, GIS等技术在综合管廊建设中的应用, 建立综合管廊集成管理信息系统, 逐步形成智能化城市综合管廊运营服务能力。可以说BIM与综合管廊的建设密不可分。

针对BIM技术在综合管廊项目中的应用, 国内一些学者已做了一些研究:姜天凌等以海东市综合管廊项目为背景, 探讨了BIM在市政综合管廊设计中的应用。王能林等进行了BIM技术在市政综合管廊建设运营中的应用研究, 得出BIM技术可作为管廊建设运营中的一个重要技术支撑。张婕对BIM技术在综合管廊建设和运维中的应用进行了研究, 得出BIM技术在综合管廊建设和运维中的应用尤为必要。

鉴于BIM技术在综合管廊中的应用较少, 同时考虑BIM技术在综合管廊项目应用的必要性, 本文以北京城市副中心综合管廊工程为依托, 对BIM技术在综合管廊设计阶段、施工阶段的应用进行探讨, 以期为后续管廊工程的设计、施工提供指导与参考。

北京城市副中心综合管廊工程位于北京市通州区, 全长9.8km。本标段主要包含QZDL, QZDJ, ZTDL 3段综合管廊, 综合管廊全长810m, 主体标准段为单层四舱结构, 局部为多层多舱结构, 标准高度为4.5m, 最大宽度为15.55m, 最大纵坡为14%, 管廊标准断面如图1所示。

综合管廊所在场地地形较为平坦, 根据沉积年代、成因类型可将场地地层划分为人工堆积层、新近沉积层和第四纪沉积层。场区内主要分布2层地下水, 地下水最低水位高程为8.480m。

考虑到综合管廊入廊管线较多, 管线空间排布较为复杂, 管廊在设计初期就引入了BIM技术。在设计阶段, 施工单位BIM工程师会同设计单位工艺工程师、结构工程师协同完成管线设计及主体结构设计。

①满足管线设计规范。②合理利用空间。③满足施工、维护空间要求。④满足装饰要求。⑤满足结构安全。

①电气桥架、水管、两外壁距墙壁最小距离100mm。②直管段风管距墙最小距离为150mm。③上下层桥架间距一般为250mm或200mm, 最小间距为100mm;强电与弱电间距一般为100mm;强弱电、高低压桥架间距一般要保证300mm。④桥架内电缆布置弯曲半径不小于电缆直径的4～6倍, 母线经过沉降缝与伸缩缝配件通常是母线尺寸的2倍大小。

小管让大管, 有压管让无压管, 水管避让风管。电管、桥架应在水管上方。

机电管线布置过程中需考虑送回风口、灯具、烟感探头、喷洒头的安装。

考虑到管线设计对管廊主体结构设计影响较大, 在综合管廊设计中, BIM工程师根据管线工艺图、综合管廊结构图建立综合管廊BIM模型 (结构+管线) , 然后通过三维浏览、碰撞检查、工艺模拟查找管线问题, 并将问题及解决方案反馈给工艺工程师, 最后工艺工程师会同BIM工程师协同完成管线的优化设计及设计出图, 通过优化解决了多层多舱管线出线及管线预留等设计难题, 如图3所示。

①满足主体结构设计规范。②满足管线容量需求。③满足管线安装及检修通行需求。④满足管道位置设计原则。

①平面位置设计 综合管廊需设置检查井、通风井、吊装口等各类洞口。②平面线形设计 综合管廊平面线形应与道路平面线形一致, 应考虑与现状或规划建筑物 (构筑物) 的平面位置相协调, 如遇桥梁墩柱等障碍物, 需在平面采取避让措施。

①纵断面应与道路纵段面一致, 以减少土方量。②纵坡变化处纵断面设计应满足管线折角需要。③纵断面设计应满足管道检修时自流排水需求。④纵断面设计应满足管线敷设、运输需求。

①满足廊内管线交叉布置需求。②满足管线安装及检修通行需求。③满足与所属地块小市政管道及部分大市政管道衔接需求。④满足规划设计需求。

①结构设计应满足结构设计原则。②防火分区及通风设计应满足相关设计原则。③附属设施设计应满足相关设计原则。

管线设计完成后, BIM工程师根据管线设计图、管廊结构图建立综合管廊BIM模型 (结构+管线) , 然后通过三维浏览、碰撞检查、工艺模拟查找主体结构问题, 并将问题及解决方案反馈给结构工程师, 最后结构工程师会同BIM工程师协同完成结构的优化设计及设计出图, 通过优化设计解决了多层多舱施工缝留设、墙板开洞、支吊架等附属设备留设等设计难题, 如图4所示。

考虑廊内管线出线需求, 在主体结构设计阶段, BIM工程师将管线模型与主体结构模型进行碰撞检查, 并对碰撞位置进行预留洞口设计和出图, 大大减少了管廊施工时因未考虑预留洞口需求而带来的返工问题。

BIM模型构建→管线设计、模型构建检查→管线、预留洞口复核分析及优化→机电安装施工图设计。

通信电缆、消防电缆、强电电缆、弱电电缆、照明系统、电气设备、预埋管线、预留套管等 (见图5) 。

管廊主体结构深化设计主要包括侧墙深化设计、节点深化设计、钢筋深化设计、预留洞口深化设计等。深化设计深度应达到LOD350。通过深化设计解决了复杂节点 (路口分支节点、地块分支节点) 的模板支设、钢筋绑扎及混凝土和钢筋工程量统计等难题, 如图6所示。

预留钢带、顶板吊钩、机器人预埋轨道、侧墙预留槽道、预埋螺栓、预留套管等。

①满足设计规范。②满足工厂加工需求。③便于加工、安装。

预埋件参数化设计及出图→生产商根据设计图纸加工预埋件→施工现场管理人员利用移动终端辅助预埋件安装。

为方便后续基坑开挖与支护, BIM工程师对综合管廊支护结构进行了深化设计, 深化设计深度为LOD350, 深化内容涵盖桩锚体系深化设计、双排桩支撑体系深化设计及桩撑体系深化设计, 如图7所示。

项目进场后, BIM工程师根据施工现场布置图、基坑支护设计图及管廊初步设计图纸、周边环境分析资料进行了场地模型构建和环境分析, 并对红线范围内障碍物进行了标记、归类。现场管理人员利用场地模型辅助协调, 提高了协调效率, 加快了协调进度 (见图8) 。

BIM工程师根据原有管线设计图纸, 结合现场实地现状, 建立了地下管线三维模型, 并对每条管线赋予其基本信息。

将地下管线三维模型与建筑红线、拟建管廊模型、支护结构模型以及周边场地模型链接, 并进行三维检查, 得出需改移管线, 最后对需改移管线进行注释、归类, 并结合工程实际制定管线改移方案。

通过BIM软件对综合管廊主体结构、管线走向、施工方案、施工工艺及关键节点进行可视化交底, 直观、高效。

考虑到管廊纵坡较多、节点较为复杂, 在施工前可用BIM模型对综合管廊标准段、路口分支节点、地块分支节点、排风井、进风井、吊装口进行详细交底, 并对特殊部位施工 (如汽车坡道、下沉舱体、承插口) 提出合理化建议。

BIM工程师将BIM模型与进度计划相连接, 并对施工计划进行施工进度动态模拟, 通过施工进度动态模拟, 实时分析项目进度计划的准确性, 并对进度计划进行优化处理。

此外, 项目管理人员通过施工进度动态模拟, 可以在施工之前提前预测项目建造过程中每个关键节点的施工现场布置、大型机械及措施布置方案, 同时可对项目进展情况进行偏差分析, 减少因施工现场问题导致的施工进度延迟、施工现场协调困难等问题。

在移动终端上建立BIM平台, 平台包含BIM模型平台、人员组织平台。BIM模型平台主要用于BIM模型上传、维护及查看。人员组织平台主要用于人员邀请、人员信息修改以及人员权限设置。

考虑到综合管廊坡度较多、墙体及楼板类型不一、预埋件较多, 对综合管廊BIM模型进行如下信息化处理:①对模型总体信息、墙体信息、楼板信息、预埋件信息进行集中标注, 突出模型起止桩号、墙体及楼板类型、预埋件类型等。②对楼板、墙体通过属性信息录入方式添加板厚、墙厚、桩号及高程信息, 并在注释栏录入桩号、在标记栏录入高程, 使桩号与高程一一对应。③将预埋件添加到BIM模型中, 并在注释栏录入桩号、在标记栏录入预埋件类型信息, 如图9所示。

考虑到综合管廊的保密性、BIM模型的安全性, 对移动终端使用人员进行不同权限设置, 现场管理人员仅能查看模型, 不能分享、删除、修改模型。

BIM中心分阶段上传BIM模型, 并对模型进行实时更新和维护, 确保模型信息的完整性、精确性。

现场管理人员利用移动终端就可以查看模型的相关信息 (如高程、桩号、体积、类型等) , 协同云建造质量安全管理平台辅助现场管理, 并对发现的问题进行审核、处理。

常见的静态二维码主要有文本码、网址链接码、微信码。在施工管理中, 为方便日常工作信息 (如会议信息、通知信息等) 、施工管理信息 (如设计变更信息、技术交底信息、人员信息、设备信息等) 、主体结构信息 (如墙体材质信息、楼板材质信息等) 、管道信息的集成与共享, 项目部通过活码管理系统建立了一些静态二维码, 实现了相关信息的快速、高效共享。

动态二维码是一种可实时更新的二维码, 它主要包括文本码、图文码、文件码、网址链接码等。考虑到施工需要, 项目部将综合管廊主体 (如承插口) 的每一工序的过程照片集成于二维码上, 实现了综合管廊施工过程记录的存储与查看, 为后续综合管廊运维管理打下了坚实的基础。

高级活码主要有记录码, 溯源码。在施工管理中, 项目部可通过活码管理系统建立记录码, 以实现各个关键工序 (如基槽验收、钢筋验收、模板验收等) 验收记录的实时传递、快捷记录与高效共享。

考虑到二维码应用的快捷性, 项目部BIM工程师通过活码管理系统建立了二维码与移动终端的协同应用, 并将浏览权限附加于二维码上, 实现了BIM模型在二维码上的实时更新, 同时方便现场管理人员快速查看, 提高了模型信息的安全性。

BIM工程师将施工深化模型渲染转换成VR显示器可接受的数据, 项目管理人员通过沉浸式VR场景查看虚拟的综合管廊内部场景, 获取综合管廊中所有构件的真实逻辑信息。此外还可以通过VR技术模拟不同施工方法、体验不同场景, 实现施工方案的选择优化, 避免二次返工带来的成本增加及质量问题。

1) 通过BIM技术辅助综合管廊设计实现了综合管廊管线、主体结构的同步设计, 优化了综合管廊图纸设计。

2) 通过BIM技术在施工阶段中的应用, 减少了审图时间, 提高了协调效率, 优化了施工工序, 给项目带来了最大化效益。

3) BIM技术在综合管廊设计、施工阶段的应用为BIM技术在综合管廊全生命周期应用做足了准备。

4) BIM技术不只是一门技术, 更是一种管理方法, 一套成熟的BIM实施体系有助于推动项目创效, 有助于推动综合管廊的智能化建设、运营和管理。