城市综合管廊作为现代化智慧城市建设的重要组成部分,国家已将城市综合管廊工程建设作为未来重点的建设领域,连续2年在全国范围内评选城市进行试点建设。综合管廊工程具有管线种类多、密度较高、口部设计复杂等特点,目前传统基于CAD的设计模式在设计过程中极易出现设计冲突,设计管理无序、施工图出图效率低等难题。近年来随着BIM技术的高速发展,为解决城市管廊工程设计难题提供了技术支持。本文以某市新区综合管廊工程设计为例,提出基于BIM技术的城市综合管廊工程协同设计方式,验证BIM技术在综合管廊工程设计阶段的应用。

　　 城市综合管廊又称市政综合沟,在《城市综合管廊工程技术规范》(GB 50838-2015)中将综合管廊的定义为:建于城市地下用于容纳2类及以上市政工程管线的构筑物及附属设施^[1] 。就现实而言,是把城市的给水、排水、燃气、热力、电力、通信、雨污等管线集中布置于一定范围的地下空间内,实现工程管线的集约化、规范化管理。综合管廊主要分为干线综合管廊、支线综合管廊、缆线管廊三大类。

　　 (1)工程环境复杂。综合管廊适宜建设于交通运输繁忙或工程设施较多的城市主干道以及配合兴建地下轨道、城市地下综合体等建设工程地段,多位于城市主城区、CBD核心区等地下、地上空间高强度集中开发区域。在进行综合管廊规划选线、断面选型、重要节点设计时应充分考虑项目地复杂的周边环境条件科学协调管廊与既有工程的关系。

　　 (2)管线高度集中、种类繁多。综合管廊规划设计时一般适度超前,长期规划入廊管线种类齐全。因此,入廊管线基本涵盖给水、再生水管道,排水管道,天然气管道,热力管道,电力电缆,通信电缆,雨污管道等七大类管线。综合管廊设计空间有限,管廊内部管线密度极高,同时管线布置时还应考虑不同管线间的可能相互影响,例如电力电缆与通信电缆不能同侧布置、燃气管道必须独立舱室敷设等。

　　 (3)附属设施工程庞大。由于综合管廊纳入高压电力线路、燃气管道等危险系数高的管线,为确保综合管廊安全运行,综合管廊必须配套诸多附属工程系统,包括消防系统、通风系统、供电系统、照明系统、监控报警系统、排水系统、标识系统等七大类。附属设施工程在设计过程中极易发生与管道、管线发生设计冲突情况。

　　 (4)管线出口及交叉口异形结构复杂。区别于传统城市地下管线工程,为支持运营阶段进行监控、检修工作,避免路面反复开挖的情况,综合管廊设计规范要求每个舱室应设有专门的人员出入口、逃生口、进风口、排风口、管线出入口、检修口、材料吊装口等多种口部,由于管廊周边环境复杂,各自口部结构设计时需根据口部周边地上、地下工程条件因地制宜进行调整。

　　 协同设计是指各专业设计师内部以及各专业之间在同一平台上进行设计协同作业。目的是解决由于各个专业设计人员单独设计所带来的如设计冲突、低效提资等问题^[2] 。综合管廊空间狭小、入廊管线及附属工程系统种类较多,设计过程中需结构、岩土、给排水、电力、燃气、通信等多个专业参与设计,传统设计模式下,各个专业设计成果相互割裂,形成专业信息孤岛,专业间提资料效率低下,在设计修改频繁的情况下极易发生错漏碰缺问题^[3] 。

　　 导入协同设计后,通过搭建基于BIM的协同设计平台,建立中心模型文件,各专业可实时通过同步本地与中心文件的形式及时获取其他专业设计成果,提升设计图纸质量,并减少人工协调次数,进一步提高设计效率。同时各专业设计成果以三维模型形式展示,通过可视化共享方式传递参数化的信息模型实现专业间的沟通和联系,通过对三维模型的整合有效检查设计过程中的突出问题并及时修改,避免错漏碰缺问题的发生。BIM协同设计在提升设计质量及效率方面有着传统CAD设计方式无法比拟的优势,因此,结合综合管廊设计复杂性,本文认为十分必要将BIM技术应用于城市综合管廊设计工作中。

　　 (1)工作流程的比较。传统CAD协同设计流程呈线性,流程上专业设计先后顺序明显,且工作基本上不宜逆向返回,否则造成很大的设计修改工作量。专业间设计任务分工明确,但缺少关联性致使专业间设计割裂现象严重^[4] 。基于BIM技术的协同设计是实现同步分工协作,这将各专业介入设计工作的时间点提前,以创建中心文件的形式关联专业间的设计工作。各专业设计工作基本平行开展,专业间设计意见提前反馈融合,有效避免了传统方式下信息不畅引起的设计返工。

　　 (2)数据流转方式的比较。传统CAD协同设计方式下,数据流转载体为二维图纸。协调过程中信息以图纸副本文件的形式在设计团队内部传递,基于二维图纸的设计信息传递效率低下,直接影响专业间协同设计水平。此外,传统CAD设计中专业间的设计图纸管理难度大,设计人员通过向外专业提供设计副本进行协同作业,在频繁设计修改、多项目交叉设计等情况下极易产生无序、无效协同设计问题。基于BIM技术的协同设计方式数据流转载体为三维模型。三维模型能够直观表达不同专业的设计思想,提高专业间信息传递效率。设计成果集中于项目中心文件,各专业的设计人员通过外部参照方式实现本地专业文件与中心文件双向同步,对于提高设计过程文件管理效率有很大价值^[5] 。基于BIM的协同设计平台在打通各专业间设计信息壁垒的同时打破时间和空间对设计工作的限制。

　　 某市新区某路段地下综合管廊工程规划于2015年获批,规划建设全长5.211km,入廊管线包含给水、再生水管道,排水管道,热力管道,电力电缆,通信电缆等5类管线,详见表1。本文以工程干线管廊交叉节点设计为对象,研究通过构建BIM协同设计环境,对BIM环境下实现协同设计的流程优化,并结合本工程设计需要选用合适的协同设计方式,着重突出BIM技术在模型建立、设计冲突检测、施工图出图等方面应用。

　　 基于BIM协同设计流程主要包括总体流程与阶段性设计流程,其中设计细化阶段包括方案设计阶段、初步设计阶段、施工图设计阶段。前者是BIM协同在设计阶段主要节点的应用,后者是针对每个阶段内BIM应用流程。本研究结合设计单位现行设计工作流程与BIM协同设计需要分别对总体流程(如图1所示)、阶段性流程进行再设计(如图2所示),并制定设计冲突检测及处理等关键流程(如图3所示)。

　　 协同设计平台的选择是保证设计质量的关键,根据本工程设计需要选用Autodesk Revit 2015为核心协同建模平台、Autodesk NavisWorks 2014为核心冲突检测分析平台、Fuzor 2016为漫游仿真平台,并配以相关专业辅助设计软件,组建协同设计平台。

　　 基于Autodesk Revit 2015建立综合管廊链接协同设计模式、工作集协同设计模式。其中,工作集模式是一种数据级的实时双向协同设计模式,即工作组成员将设计内容及时同步到文件服务器上的项目中心文件,同时同步项目中心文件其他专业模型至本地文件进行设计参考。而链接模式是在各专业完整模型文件之后,通过参照外部链接的方式将多个模型整合为整体,是文件级的阶段性协同设计模式。2种协同设计模式特点比较详见表2。

　　 通过分析2种协同设计模式的特点并结合本综合管廊项目设计特点,本项目采取2种协同设计模式混合应用。综合管廊工程是典型的线状结构,同一截面内专业内部以及专业间都极易发生设计冲突。因此,通过将本工程进行区段划分,将工程划分为15个区段,每个区段内采用工作集协同设计模式,成果为区段中心模型文件;区段间发生设计冲突可能性较小,采用链接协同设计模式,通过参照各个区段中心模型文件组成完整模型。结果表明,在满足协同设计的需求的前提下大大降低了对计算机硬件的要求。

　　 综合管廊交叉口是整个综合管廊工程最为复杂的设计节点,下面以本工程KD路与CC路交叉口设计为例阐述BIM协同设计模式在综合管廊工程中的应用。

　　 (1)工作集任务划分。同一区段各个专业在中心模型文件中建立模型,BIM设总通过工作集进行设计任务分配,确定专业模型编辑权限。根据本工程区段划分,BIM设计负责人按专业划分设计任务(见图4)及权限设计权限分配。

　　 (2)模型的建立与同步。项目基于工作集建立的共享中心模型文件作为信息化平台来完成协同设计,各专业设计师通过同步中心模型文件至本地,基于共享标高与轴网进行专业模型建立,并通过借用图元方式实现跨专业构件的编辑权限获取与释放。目前各专业设计文件并不能完成自动同步,因此项目制定文件的分专业定时错峰同步文件同步计划,保证中心模型文件的完整性、稳定性。

　　 (3)设计冲突检测与处理。项目设计冲突检测分为区段内设计冲突和区段间设计冲突2个方面。区段内设计冲突工作中各专业在设计过程中通过向本地同步最新中心文件设计模型,将阶段模型导入NavisWorks中利用Clash Detactive模块进行设计冲突检测(见图5)。根据导出的冲突报告以及冲突避让条件确定修改专业。区段内设计冲突检测在设计过程中根据设计师需求边设计边检测,保证保存的准确性。区段间设计冲突则需在本段模型完成之后通过链接方式整合相邻区段中心模型再将模型导入NavisWorks进行检查。本项目检查重点主要集中在(1)出线口部管道与结构的冲突;(2)交叉口不同管线间的冲突;(3)管线与附属设施的冲突。

　　 (4)净空检查。管廊工程设计需考虑管廊运营期间人员入廊检测维修的净空及净宽要求。项目将中心文件模型导入虚拟现实平台Fuzor中,通过放置人物对象,对人物高度及活动属性进行定义,以实景漫游的方式模拟真实工作情景,检测是否满足后期运营、维修、行人需求。其次通过模拟大型设备安装过程检查管廊净空是否满足设计规范间距要求及设备安装空间需求。

　　 (5)施工图出图。目前,国内设计企业成果交付以二维施工图为主,施工图设计是设计阶段的核心任务。项目利用Revit软件的视图控制功能对三维管廊模型进行关键平面剖切,并根据施工图出图规范的要求进行相应标注、标记等施工图二次加工。在设计修改的情况下也只需对模型进行调整,施工图即可自动调整,通过三维管廊模型生成施工图极大提高了出图效率。

　　 从应用的情况看,将基于BIM技术的协同设计引入综合管廊工程设计阶段明显提升管廊工程设计效率及质量。主要体现在以下3个方面:

　　 (1)各专业设计工作提前实现并行设计,专业间设计意见提前融合,避免传统CAD设计线性模式下“信息孤岛”的现象。

　　 (2)基于中心的文件的协同设计模式增强了项目设计模型、图纸管理的有序性、规范性,且基于中心文件模型提取对外专业设计模型降低了传统模式下频繁的人为协调过程。

　　 (3)基于BIM协同设计技术实现对综合管廊的参数化设计,通过参数化的三维模型进行设计冲突检测、施工图出图等工作较传统CAD设计在效率上有显著提升,且能有效应对后期频繁发生的设计修改难题。