目前我国海绵城市建设工作正在全面推进,众多海绵工程项目正在设计与实施中。海绵城市建设是一项大型综合性工程^[1],建设内容复杂,涉及面广,需协调城市内的小区、公园、绿地、道路、河道、各类管线等进行集约建造,管理难度大;而且住建部执行定期督查考核制度,这些都要求对海绵工程项目从初始的规划阶段到后期的建设运维进行全过程准确、实时的跟踪管理。

当前海绵城市规划建设管理决策大多仍依赖于传统利用二维的GIS或者图片数据等^[2,3,4,5],难以及时、直观、有效地传递信息,存在项目建设过程及运营跟踪管理不便、效率低下的局限。现阶段蓬勃发展的BIM技术是应对海绵城市规划建设管理中一系列问题的有效手段,但目前如何结合BIM技术对海绵城市规划建设领域进行动态管控,尚无借鉴案例。因此,本文针对BIM技术在海绵城市规划建设动态管控的关键技术进行研究。

海绵城市规划建设运维管理工作难度较大,不仅要统筹多专业全过程管理,在综合协调源头减排、过程控制和末端治理的基础上,对项目进行全生命周期管理,而且要掌握城市水文内涝情况,跟踪评估海绵指标。

海绵城市建设的实质是水生态、水环境、水安全和水资源的“多水合一”,其规划建设过程涉及气象、规划、水文、水利、市政、环境等多个专业、多个部门,部门和专业相互间的统筹协调特点显著。

海绵城市的建设运维是一个包括源头-过程-末端全过程的整体系统,项目繁杂,涉及大量新建、改建、扩建工程项目,每个项目和环节涉及不同流程、文件信息,信息量大,信息整合管理特点显著。

海绵城市需要充分认识自然规律,以区域内水系统的相关情况作为支撑,对大量涉水问题做出决策,因此管理需清晰掌握城市水文情况,如区域内遭遇不同重现期暴雨时的模拟内涝情况、实际暴雨下的实时积水情况、历史内涝的统计等。

海绵城市项目建设运维均需要长期跟踪与管理,海绵相关指标的实现是评价及考核海绵城市相关工作的重点。因此,海绵城市规划建设管理需要明确掌握控制指标及目标值,并在建设、运维阶段跟踪监测海绵控制指标的变化,以及时有效管控海绵建设效果。

当前,海绵城市规划建设运维依旧使用传统措施进行管理,多方协调依靠“海绵办”进行协调沟通,项目流程依靠分散的二维图纸、文件信息交接等,对实际建设情况的把控是现场调研、表格信息汇总。

传统手段是海绵城市规划建设的管理中正在经历的阶段,其不可避免地存在以下局限性:一是信息难以直观有效的传递,二维平面信息抽象,在信息记录、展示、查询、关联等缺乏直观性;二是缺乏及时有效的统筹协调信息化平台,各参与方信息交换效率低,不便于项目建设效果及运营情况的持续跟踪反馈;三是无法直观查询城市水文内涝情况。

经分析,BIM技术的应用可按照以下思路进行:①创建海绵城市BIM三维模型;②以该海绵BIM为载体,提取、关联、集成、修改、保存、删除海绵城市规划建设过程中相关数据;③构建海绵城市BIM协同管控平台及相应功能模块,集成各类数据信息的多样化表达,开展海绵管控工作。

要实现BIM技术在海绵城市的应用,首先需要制定基于BIM技术的海绵城市规划建设运维管控技术框架,形成顶层设计进行指导。该框架包括BIM建模方法与标准、数据来源与标准化、海绵平台功能与开发等三方面,具体如图1所示。

BIM技术的核心在于三维可视化模型,该三维模型不仅作为工程项目的最直观表现形式,同时作为工程项目的信息载体,存储海绵城市建设的过程中各个阶段的相关信息,并对其进行直观表达。此外,海绵城市BIM应可进行扩展,即将不同阶段的信息与当前阶段的信息集成整合,形成新的模型,再向下传递,保证工程项目各个阶段信息的留存与利用。

海绵城市BIM的创建方法对于从源头-过程-末端全过程三维立体(地下+地上)可视化管理海绵设施的建设与运维至关重要,目前尚无相关案例,笔者针对该关键技术进行了研究,详见第4节。

BIM三维模型对工程项目信息的存储需要借助于数据库,同时模型本身的数据也需要存储于数据库中。海绵城市全生命期的工程信息跨越了规划、设计、施工、运营多个阶段,类别众多,数量庞大,因此,需要设计、创建面向海绵城市建设全生命周期的大型关系型数据库,集成所需信息并实现数据的组织、分类及关联。

海绵城市相关信息包括海绵城市规划数据、GIS数据、地形DEM数据、卫星地图数据、水文涝情数据、海绵设施基础信息、海绵设施建设运维信息,分别通过图纸、文字和数字等静态信息以及物联网传感系统动态信息获取。该部分内容与其他系统、平台数据库创建大致相同,因此不再赘述。

信息管理的目的,在于对所存储的信息加以利用并开展相关的工作。针对不同分工与需求,各参与方应可通过海绵城市BIM平台的相应功能模块进行操作与管控。这要求根据海绵城市规划建设运维管理的特点与需求,对海绵城市BIM平台进行应用功能设计与研发实现。

海绵城市BIM平台应实现对海绵城市三维可视化集成模型进行分析、处理、发布与管理,以获取海绵设施建设与运维的成效信息,进行城市水文涝情三维动态精确模拟,并对海绵设施工作状态、海绵指标进行监控与跟踪。基于三维可视化的海绵管控平台目前尚无相关案例,笔者针对该关键技术进行研究,详见第5节。

海绵城市BIM三维可视化模型不仅涉及各类海绵设施三维模型,而且需要以大尺度三维地形模型为依托,对区域内水文涝情进行可视化集成。

因此该模型创建方法思路如下:首先对海绵城市相关信息进行分类,根据不同信息创建并完善各类海绵设施模型,同时基于大尺度的水文地形数据创建三维地形模型,两者叠加后集成海绵城市建设运维三维可视化模型,并以此为基础对各类海绵城市BIM三维模型信息进行分析、利用与展示,具体见图2。

(1)对海绵城市规划建设运维信息进行分类与储存。从建模角度出发,海绵城市规划建设运维信息分为模型基础数据、模型拓展数据和水文地形数据等3大类:①模型基础数据为描述海绵设施模型构件的自身特征和属性的数据,对应海绵设施基础信息模块,包括几何数据、物理数据、功能数据。②模型扩展数据为海绵设施建设运维过程中所产生的与模型关联的信息或资料,对应海绵设施建设运维信息模块,包括成本数据、技术数据、病害数据、养护数据。③水文地形数据对应海绵城市规划数据模块、GIS数据模块、地形DEM数据模块、卫星地图模块和水文涝情信息模块,包括气象数据、水文数据、地理数据、地形数据、规划数据。

(2)提取海绵城市信息,应用BIM软件创建并归类海绵设施三维可视化单体模型。海绵城市三维可视化模型包括基本单元的海绵设施模型构件、完整的BIM单体模型和区域地形模型3类,模型创建相应分为以下3个步骤。

步骤1:应用Autodesk Revit等BIM软件,依据模型基础数据创建海绵设施三维可视化模型的各类组成构件,归类并存储在海绵城市BIM模型构件单元中。这些BIM模型构件用于组合构建BIM单体模型。步骤2:应用Autodesk Revit等BIM软件,依据模型基础数据和拓展数据,提取BIM模型构件单元中的BIM模型构件进行组合,并集成模型扩展数据而获得完整的海绵设施BIM单体模型。不同BIM软件创建的BIM单体模型应进行格式统一后,归类存储在海绵城市BIM模型成品单元。步骤3:应用Autodesk Revit等BIM软件,依据水文地形数据创建并完善区域地形三维模型。

(3)对海绵设施BIM单体模型与区域地形三维模型进行集成,得到海绵城市三维可视化集成模型,并进行模型轻量化处理。将海绵城市BIM模型成品单元中的各海绵设施BIM单体模型全部集成入区域地形三维模型中,形成海绵城市三维可视化模型成果。成果进行模型轻量化处理,在集成模型中显示各项海绵设施单体模型的简要BIM模型,链接查阅精细化的海绵设施BIM单体模型成品。

基于上述海绵城市BIM集成模型成果,BIM平台可采取MVC框架与B/S模式,依托模型轻量化、云平台技术,进行经典布局方式与自适应页面布局设计以实现网页端便捷登陆信息共享与互动操作。根据海绵城市规划建设运维特点,BIM平台宜具备以下12项功能模块。

作为平台登录首页,提供对海绵建设运维区域情况的整体性把握,快速了解区域基本信息、海绵政策文件和新闻,自动生成且实时更新海绵项目特定信息统计情况,便捷了解,查收系统消息与工作动态。如图3所示。

该模块为海绵设施BIM模型可视化单元,调取BIM模型层构建的BIM集成模型,进行可视化展示和剖切、空间漫游,并直观调取各类海绵设施分析统计后的全部信息。可根据需求点选建筑、河道、道路、海绵设施,或虚化地形显示管网、地块等信息。

对所有海绵项目进行管理,从源头减排工程(建筑小区、市政道路、公园绿地)、过程控制工程(雨污水管网、截流管道)和系统治理工程(河道清淤、驳岸建设、生态修复和沿河公园绿地)进行系统分类。通过模块树目录,快速找到对应汇水分区的海绵项目;选择具体的项目信息,可显示该项目的模型信息;提供项目信息的添加、编辑、查看、删除功能。此外,可根据实际监测数据,跟踪计算区域内海绵指标的现状情况,如年径流总量控制率、年SS总量去除率等,如图4所示。

该模块为海绵设施规划和海绵指标管控信息,包括规划管控图单元、分区地块管控信息单元,可直观查询地块的海绵城市控制性详细规划管控指标、规划绿地率、采取的海绵措施等信息。

为实现技术审查电子化、信息化、规范化,简化工作程序,保留过程信息,设计开发该模块。选择不同汇水分区,可显示相应的项目方案信息列表;选择不同汇水分区、不同类型的项目,可查看该方案的项目设计信息、审查报告信息、三维模型信息;提供项目方案审查申请信息录入提交功能。

该模块提供项目进展信息,可视化而精准迅速地搜索查阅海绵项目BIM三维模型及该项目从立项至今的规划建设运维信息,所有过程文件、图片等信息、施工图纸、施工进度均能在线预览,实时协同更新。选择不同汇水分区、不同类型的项目,显示相应的建设信息列表;选择具体的建设信息条目,可查看该建设项目的详细信息,如图5所示。

对已竣工海绵项目进行验收管理,通过上传功能将项目竣工资料、归档图纸共享至云端,竣工验收过程中遇到的问题整改记录也在此模块进行管理。选择不同汇水分区、不同类型的项目,显示相应的验收审查信息列表;选择具体的验收审查条目,可查看该验收审查项目的详细信息。

显示海绵建设运维区域内的河道信息列表,或点选模型中的河道,提供河道详细信息(包括河道起终点、规划河宽、规划河长、规划河底高程、现状排口数量等、河道断面及涝水位等);同时,依托物联网技术对河道水量和水质进行跟踪监测,全程跟踪水体黑臭治理,反映水质监测指,在BIM三维模型中关联交互展示水体信息,从时空三维全程跟踪水体黑臭治理情况,如图6所示。

历史涝情是非常重要的基础数据,在项目规划、设计、建设、运营、管理决策过程中需要便捷查询该信息。因此,该模块主要提供:①历史台风的降雨过程数据以及产生的实际积水情况;②重要区位的涝情三维模拟展示;③在BIM三维模型中关联交互展示历史涝情。

不同降雨条件下的内涝预测是海绵城市规划建设运维中的重要支撑数据,能够辅助管理者的风险决策。该模块应用三维模型构建地表漫流模型,通过嵌套城市排水模型,可模拟内涝积水情况且直观可视化内涝的动态变化过程,主要提供:①不同风险等级的内涝模拟积水情况的直观可视化展示,降雨工况包括2年、3年、5年、50年一遇,同时可根据实际降雨特性,不断扩充降雨情景;②区域内涝风险区划展示,便捷查询风险等级;③三维动态形式展示模拟重要位置在降雨发生后的积水情况,直观显示积水面积、积水深度随降雨变化的数据,如图7所示。

海绵指标监测跟踪是海绵城市建设与运营的重要方面,该模块主要提供:①基于物联网、大数据等技术,实现水量和水质数据的同步监控显示,涵盖设施-项目-汇水流域三个尺度等监测数据接入系统,并可进行人工采样复核的监测管理;②以图表方式动态显示,可对各项数据进行查询,分析及可视化信息管理,实现对排水设施的智慧化管理;③基于管网液位和内河水位监测的基础,设置一定阈值,当超过警戒值时进行警示。

根据住建部定期检查内容与要求,系统分类整理、存档、查询海绵规划、建设、管理的相关文件,可提供组织领导、制度保障、技术保障、顶层设计、资本运作等文件筛选、查询、导出等功能,系统展示与方便查阅海绵城市建设运维的文件与依据。

本文针对海绵城市规划建设运维特点,探索利用BIM技术优势来应对传统二维管控措施的局限性,提出基于BIM技术的海绵城市规划建设运维管控关键技术。首先提出顶层设计技术框架,进一步提出海绵城市三维可视化模型的创建、分类和集成的方法,并以此为载体构建海绵BIM管控平台,通过提取、关联、集成、海绵城市全生命周期数据,以从源头-过程-末端全过程三维立体(地下+地上)可视化管理海绵设施的建设与运维,实现海绵指标可视化跟踪管理。

本文所述关键技术的成果平台打破了海绵城市建设过程中各阶段信息间的壁垒,有助于实现海绵城市建设运维的直观可视化全过程动态统筹管理,有力支撑参与方交叉查询与科学决策。同时,该平台还具备专业协同数字化设计平台的功能,可有效进行土建、管线、净高等碰撞检测优化,参数化建模功能可与方案比选、计算分析实时对接。