近年来,我国经济发展日新月异,城市地下管网的建设也进入了快速发展期,大规模的新城开发建设以及旧城区的管线改造给地下管网设计带来了巨大的需求量。城市综合管网工程是一个由许多专业共同参与构成的比较复杂的系统工程,其中所包含、涉及的管线有:电力管、通信管、燃气管、给排水管等。因此,城市地下管网工程项目复杂性越来越大、难度越来越高、设计周期短、工期紧张,这些问题给传统的CAD二维设计带来了不小的困难。尤其由于信息交流不通畅而造成的管线交叉、重复设计等问题已经开始影响到工程进度。

　　 目前,不同专业之间传统的沟通方式主要通过图纸或者效果图。对于较大的工程项目,考虑到成本因素,可以做些动画,但这些都属于静态沟通,对于较细节的问题沟通比较困难,不能将实际情况直接展示,难免有偏差。而BIM技术可以实现动态沟通,通过构建三维模型并进行实时漫游或对三维模型任意剖切,能很好地解决深层次的管线协调问题^[1],并且能够达到降低施工成本、缩短工期和提前预判的目的。BIM技术可对工程项目的整体和各个部分进行三维模拟,并集成其中各种有关的信息,使不可见的地下工程变为可视化的三维立体模型,因此,BIM技术在工程领域正被大力推广和应用。

　　 BIM思想源于20世纪70年代,始于美国^[2],是一种全新的技术和设计理念。2003年,美国总务管理局(General Services Administration,GSA)推出了国家3D-4D-BIM计划,并陆续发布了系列BIM指南^[3],在全美境内推广三维信息平台的应用,旨在促进各专业、领域之间的协同合作。

　　 目前,我国部分建筑设计机构已经开始运用BIM技术,并成立BIM小组^[4]。但是对于市政工程的项目,运用BIM处于起步阶段。我国已经有一些将BIM技术与市政工程项目融合在一起的案例。

　　 (1)北瞿路(外环线-中环线)快速路改造升级工程^[5]。上海的北瞿路位于虹桥枢纽,西起嘉闵高架,东至中环,是“一纵三横”规划项目的快速通道之一。该项目将原本为地面道路的北瞿路(外环线-中环线)升级改造成为城市快速路。该项目的特点为:规模大、条件复杂、管线较多、工期较紧。设计人员根据道路专业提供的资料,运用BIM技术对现状排水管线进行了模拟、还原,但并未对管线进行碰撞检查,没有对建模的结果进行深入探讨。

　　 (2)长江西路越江隧道改造工程^[6]。上海市长江西路越江隧道位于上海市东北角,连接宝山区和浦东新区。进行道路改造时,需要将现状管线迁移,施工人员运用BIM技术将现状地下管线以及所涉及搬迁的道路、房屋、交通等进行三维建模,并进行施工过程模拟、施工方案论证。由于该项目的主要目的是进行道路翻交即当线路与道路交叉口需进行临时道口敷设方案,为临时道口过渡方案,主要目的是为了施工时不阻断交通而临时而另开的新道口。故管线部分的BIM模型只是用于探明地下现状管线走向,简化了相关构筑物的模型。

　　 (3)天津塘沽南部新城管线综合工程^[8]。天津塘沽南部新城位于天津市滨海新区核心区西侧,占地面积约9.8km²。该项目运用BIM技术构建了新城排水系统模型,通过软件的碰撞检查功能,调整管线平面与竖向的关系,解决了碰撞问题,但没有将碰撞的类型、成因进行分类,无法为其他市政项目提供参考。

　　 综上所述,BIM技术在已有的相关市政工程中的应用仅限于勘察设计或方案设计阶段,或进行简单的碰撞检测,没有将碰撞检测结果进行深入分类研究,当其他工程碰到类似问题时无法提供参照。本研究以深圳市新区的地下管线改造工程及结果为研究对象,在新区现状地下管线梳理的基础上,找出影响市政排水管线综合协调管理的问题所在,分析管线碰撞的类型及原因,讨论BIM技术在市政工程改造项目中的技术可行性及特点。对新区及我国城市地下管线的综合协调管理进行理论探索,为我国地下管线管理研究提供深圳的案例资料,充实现有研究案例,同时也为政府的相关决策提供一定的参考。

　　 光明新区位于深圳西部地区,东至观澜街道,西接松岗街道,南抵石岩街道,北临东莞市黄江镇。下辖公明、光明两个街道。光明新区面积155.33km²,其中公明街道面积100.27 km²,光明街道面积55.06km²。本工程主要针对深圳市光明新区公明街道松白路以东片区污水支管网工程,区域内主要涉及东坑社区、塘尾社区及将石社区。工程主要目的是改善上述三个社区的部分排水系统,提高区域污水收集率及管网覆盖率,该项目对社区的整体环境亦有较大改观。

　　 光明新区现状已建污水处理厂2座,位于新区玉律社区基本生态控制线范围内的公明污水处理厂已建规模10万m³/d,规划规模20万m³/d,主要处理石岩街道办及光明新区红星、玉律社区的生活污水;位于双明大道与茅洲河交叉东北侧的光明污水处理厂已建规模15万m³/d,规划规模25万m³/d,主要处理光明街道办除白花社区及红星和玉律社区部分外的的生活污水。

　　 本次污水支管管网建设工程是深圳市光明新区治理环境污染的项目之一。通过本工程建设、完善片区污水支管网建设,建成“用户—支管—次干管—主干管—污水厂”完整的污水收集体系,根本改善辅城片区的水环境质量。

　　 以公明街道、松白路以东的将石片区作为对象,运用Revit软件为片区内现状雨污管线进行三维建模并开展碰撞检查工作,为后续改造工作提供可视化模型,发现改造工程中存在的潜在问题。

　　 当前新区已陆续开展了一系列的排水管道完善工程,但是由于城市基础建设起步晚,排水管网历史欠账较多,而且污水收集是一个系统工程,从源头到末端都需要同步完善,工程量较大,此次工程特点具体如下:

　　 (1)区域包含面积大、管线复杂、数据多。

　　 (2)地形图不全,部分区域建筑用途不明。

　　 (3)现状管线信息不明确、错误,有些管线交错在一起。

　　 (4)图例比例不正确,管线走向混乱。

　　 (5)大部分管网为雨污合流,雨水、污水未进行分开排放,原有排水管道未发挥应有的功能。

　　 为了保证该项目如期按质按量的完成,对于其先行开展建模分析工作显得尤为重要。BIM技术的引入,为前提工作的开展注入了新的活力,也推动了将BIM技术融入市政项目的发展。

　　 目前,对于建模存在两种比较大的争议,一种观点认为:三维建模应当严格遵循二维设计图纸的内容;另一种观点认为建模过程可以适当优化,减少不必要的麻烦。这两种观点侧重点不同,第一种观点适用于工程规模不大、管线简单的项目,能够清楚的表达管线碰撞问题,第二种观点适用于工程规模较大、管线复杂、设计内容较多的项目。由于本次研究的重点是排水管道系统,故对于排水管道模型的构建严格遵循二维图纸,而管道之外的模型进行适当地简化,对于不重要的模型进行省略。

　　 对于建立这种工程较大的管线模型,前期准备工作是否准备充分,直接影响着后续工作的进度。在建模之前,所有可能使用到的构筑物模型以及管道参数必须事先建立好,以免在建模后期造成混乱,同时也能为计算机处理的模型量减轻负担。

　　 运用Autodesk Revit2014构建污水系统模型,该模型是以二维CAD平面图为底图,根据管道的标高、坡度,进行三维模型的绘制。

　　 市政排水管线大多数为重力管,必须具有一定的坡度。在建模时,可以通过设定管道两端的高度来间接调整坡度,也可以通过调整管道参数中“绕Y轴线旋转”值以改变坡度。

　　 在污水管道系统的基础之上,建立雨水管道系统。可通过对两个系统设置不同的颜色加以区分二者。

　　 建模后雨水管线相对于污水管线明显少了许多,这是因为雨污合流,雨水管接入到污水管进行排放所致。不仅增加了污水管的负担,同时也导致了整个片区排水不通畅。

　　 模型搭建后,需要进行管线碰撞检查。目的在于找出平面图上无法直观表现出来的碰撞以及局部空间不足等问题。对于局部管线错误复杂的情况,提供明确的技术指导,减少后期返工及变更设计、节约施工成本。

　　 碰撞检查的内容主要是管线之间的碰撞,包括雨-污(雨水管与污水管)碰撞、雨-雨(雨水管与雨水管)碰撞、污-污(污水管与污水管)碰撞,检查完成后,会生成一个冲突报告,该对话框会列出两者之间相互发生冲突的所有单元。

　　 图1所示为雨污BIM模型进行碰撞检查后某局部放大图。图中,发生碰撞的管段呈高亮黄色,图中圆圈的部分代表了发生碰撞的位置。

　　 根据碰撞产生的原因和重要性,将问题分为三类:原则性、技术性以及细节性。其中,原则性问题最为重要,其成因主要是由于管线标高的缺失或错误而导致的某一区域内管线成片碰撞,需要调整许多管线。这类碰撞情况较为隐蔽、涉及的管线较多,需要重新检查原设计图纸及数据,调整起来最复杂。

　　 技术性问题是由于设计与实际操作之间的矛盾形成的,图纸上表达的要求在实际操作时可能无法达到,比如检查井预留的安装空间不足、安装仪器无法进入狭小的空间等情况,解决这类问题需要调整原有的设计,增加预留空间。

　　 细节性问题是由于二维图纸表达不明确。二维图纸中,管线用一根直线代替,不能正确反映出实际的管径,多根管线距离稍近就可能发生碰撞。同时某些复杂的局部区域没有给出详图,不能明确表示出管线避让原则。解决这类问题需要增加局部详图,或者说明中给出避让原则或解决办法。碰撞结果如表1所示。

　　 表1中第一行数据表示的是不同管道类型发生碰撞的数目,包含了不同排水管道之间及同种管道内部碰撞的数目;第二行至第四行数据表示的是不同碰撞类型的数目以及占该管道碰撞类型的百分比;总计是该碰撞类型的合计以及占全部碰撞点的比例。

　　 对第一行数据进行横向比较发现,雨-污发生碰撞的概率最大,占所有碰撞数目的60.9%;其次是雨-雨碰撞,占到了26.1%;最少的碰撞是污-污碰撞。这就表明不同系统管线之间的碰撞问题仍然占主体地位。由于管线设计有先后顺序之分,不同系统之间的协调问题影响着管线之间的碰撞问题,所以在布线时,要考虑不同系统之间的协调问题。

　　 原则性碰撞中,雨-污碰撞所占的比例最高,说明在雨污合流制排水系统中,设计雨水管线与污水管线的衔接处的标高发生了错误或者遗漏,间接导致了碰撞问题,解决该问题,可能需要对整个区域的管道标高进行重新设计或定位。

　　 技术性碰撞的比例为36.2%,较原则性碰撞数目少了近一半。此类碰撞在三种管道碰撞中的比例相近,大约为1/3。这些碰撞大部分发生于管线较为复杂、管路走向较为混乱的区域,在传统的CAD图纸上可能无法直观发现这类碰撞,但是在施工现场进行操作时会出现问题。

　　 细节性碰撞的总体比例与原则性碰撞相等,主要发生于雨-污,设计时可考虑在复杂部分或者管线交错较多部分增加大样图,避免这种类型的碰撞。

　　 从竖向比较来说,技术性碰撞占主导地位,原则性与细节性碰撞相对较少,即对于老城区来说,地下安装空间的不足以及管线的交叉碰撞是碰撞的主导因素。综上所述,影响因素见表2。

　　 表2中数据是将BIM模型进行碰撞检查后,再对每一个碰撞点进行碰撞类型的统计,得出的结论。计算方式以雨-污原则性碰撞单因素数据0.29 为例:经过统计,雨-污发生碰撞总个数为42 个,其中原则性碰撞为20个,则这20个碰撞点占雨-污碰撞的比例为20/42=0.476,而雨-污碰撞占所有碰撞的比例为60.9%(见表1),则雨-污原则性碰撞占所有碰撞的比例为0.476×60.9%=0.29。

　　 对于老城区改造中管线碰撞问题,各种碰撞类型影响因素的大小排列顺序为:原则性>技术性=细节性>三因素>原则性+技术性>原则性+细节性>技术性+细节性。相较于单因素的影响,虽然双因素和三因素系数较低,但是其产生的情况较为复杂,主要出现在管网局部交错繁多的位置以及构筑物较集中的部位。由于这些区域地下空间有限,管道与构筑物本身需要占有一定的空间,导致了余留下的富裕空间较小,若设计时忽略了实际物体的尺寸以及施工时器械的操作空间,很容易造成多种类型碰撞,形成多因素影响。

　　 在设计中应当优先考虑影响因素较大的碰撞类型,同时,影响因素较小的碰撞类型也应当给予关注,因为项目的不同造成的碰撞因素及统计结果可能不尽相同。想要从数据中找出规律,还需要对更多的工程实例进行分析、总结,才能形成更加完整的数据库,为其他工程提供指导参考依据。

　　 目前,该项目已经进行到施工图设计阶段,设计人员进行了更为详细的设计与验算,更改了之前方案设计中的许多错误,采取了4种基本修改措施:调整碰撞管线走向、删除碰撞管线、调整碰撞管线管底标高以及增加大样图。这4种处理方式与上文中提及的三种碰撞类型的处理方法吻合,并且BIM检测结果存在问题的管线在施工图中均得以修改。图2为编号13的碰撞点,分析BIM模型时得知其为原则性碰撞,需要优化原设计,调整管线走向。其中13号碰撞点是根据碰撞检查后,按照碰撞结果顺序所形成的第13号碰撞点,实际碰撞发生位置为检查井SY182 处。发生碰撞的管道分别为SY182-SW173、SY182-SY183。此处的管道用两端检查井的标号表示,为简便以下采取标号的形式进行替代。

　　 施工图的处理方法为调整这两根管线走向,将这两根管线接入位于其上方的检查井,优化了原设计,这与BIM检测结果以及后续分析探讨结论相同。图3中“×”为删除的管段,下同。

　　 尽管BIM可以进行精确的碰撞检测,但是,工程项目的设计不仅要满足规范,也要满足施工时的具体情况以及周围环境。施工图中优化管线不仅仅考虑管线之间的协调问题,也会考虑周边地理环境、道路等级甚至大范围的排水走向问题。如图4所示。

　　 图4为本次改造工程的施工图,可以看出,施工图中优化了雨水井SY368周围的管线,原因是考虑到雨水井SY368排水压力过大,根据《室外排水设计规范》(GB 50014-2006,2014年版)排水管渠和附属构筑物4.4.9描述:“接入检查井的支管(接户管或连接管)管径大于300mm时,支管数不宜超过三条”。由于雨水口的作用已经不仅仅是收集并排放雨水,也承担了部分居民生活用水,故此处接入SY368雨水井的管道过多,即承担的排水压力过大。以SY368为中心的周边排水管道走向复杂,不利于排水,故进行区域管线重新调整。而BIM软件检测中显示此处并没有问题。这意味着BIM软件无法通过检测功能发现这类问题。所以在利用BIM软件的同时,也需要将环境、排水区域类别、道路等级等因素考虑进去;BIM确实能解决碰撞等问题,能够指导施工,但老城管线改造中碰到的问题也绝不仅仅只有管线碰撞问题。只有将BIM模型以及检测功能进行更加深入的研究,进行系统地总结归纳,才能真正的融入到工程项目中,发挥其应有的功能。

　　 近年来,市政工程中所存在的问题日益突出,地下管线现状混乱、新旧交互,增加了新建及改建项目施工的难度,成为了阻碍工程进度的一个不可忽视的因素。虽然BIM技术能够检测出管网系统中存在的问题,但是缺少后期分析能力,检测出的结果仍然需要通过设计人员进行研究比对,这对于大面积的管网系统无疑是一项巨大的工作。BIM软件应当增加与其他分析软件的兼容性,使得三维模型能够真正发挥其作用。