BIM技術在市政管網工程中的問題解決方案研究

雷俊巖

蘭州新區水務管理投資集團有限公司 甘肅 蘭州 730300

近年來，隨著社會的迅速發展和進步，城市規模與體量、人口的不斷擴大與增加，城市的地下管線系統已成為其重要的基礎設施之一[1]。與此同時，地下市政管網的種類越來越繁多，數量也在增加，分布也越來越復雜，因此，這對市政管網的工程建設提出了更高的要求。

1 地下市政管網的背景、現實情況及存在問題

1.1 地下市政管網的背景

城市管網是一個城市的基本結構，是一個城市的生存與發展所必需的。但是，地下市政管網是一個龐大復雜的系統，管網的類型超過20余種[2]。市政管網工程施工中的安全事故時有發生，嚴重影響了城市的經濟、社會和人們的生活。

1.2 市政管網的現實情況

地下市政管網系統中存在繁多的管線類型、各種類型的設備與附屬設施，其處在不同的位置，對于施工要求也不盡相同，導致存在很大的管理難度。市政管網工程的施工安全事故頻繁發生，比如2022年，廣州市廣園路供水管網改造工程中爆發的工程坍塌事故。除此之外，在施工過程中挖斷管線，使管網發生爆裂，非正常的泄漏事故時有發生[3]。

1.3 目前存在的問題

縱觀以往的城市市政管網工程，大都采用二維設計的方法進行，但因各相關部門的關系，往往難以進行有效的施工。市政管網的安全事故時有發生，給人民帶來了極大的經濟和社會影響。隨著城市規模的不斷擴張，傳統的粗放經營方式已經無法適應人們對于提高城市生活質量體驗感的需要，對于更為精細化的運營方式的需求呼聲越來越高。

本文擬采用BIM技術，提出解決上述問題的一種新思路。BIM，是以三維數字技術為基礎的模型，中文翻譯為“建筑信息建模（或建筑信息模型）”。這結合工程相關信息建立出的模型，從而實現對工程實體的數字化表達[4]。BIM技術的特征是模型的可視化、信息的集成化和智能化。

2 BIM技術概述

2.1 BIM技術的概念

從2002年開始，Autodesk公司就開始了BIM的概念，并且在業內引起了很大的重視。國內外關于BIM的各種不同解釋，至今尚未形成一個統一、完整的定語。正義。美國 BIM標準在BIM中的定義相對比較完整：BIM是一種建筑工程數據表示的物理特征和功能特征；BIM可以是一個以合作共享為基礎的標準化信息模型，它在工程建設的各個階段之中，為各個利益群體中發揮著重要作用[5]。

目前，我國在BIM的認識和技術上還處在起步階段。關于BIM的概念與認識，也存在著不同的看法。我國《建筑工程施工信息模型應用標準》對BIM作了較為詳盡的闡述：BIM是基于3-D的信息模型，在整個生命過程中的各個環節進行建模；為工程項目的不同階段增加各種工程信息，使其能夠直觀地表示出設備的實體和功能特性；BIM的工程信息可以在工程項目的各個階段之中，與每個關聯方責任主體之間進行無損地傳遞、分析和共享，便于BIM技術的應用在工程項目的壽命周期內進行協調操作和管理。

2.2 BIM技術的內涵[6]

近年來，由于BIM技術具有三維數據和屬性信息集成的特點，使得BIM技術在工程建設的各個階段都有很好的應用前景。它的應用價值得到了充分地體現，并得到了業內和學術界的廣泛重視。本文在對BIM理論進行了梳理和分析的基礎上，從三個方面進行了論述。

2.2.1 基于三維數字技術的BIM建模

相當于建立了一個工程的實際參數模型，該模式包含了工程項目的所有數據與信息。

2.2.2 BIM技術的流程視角

是以統一數據標準為基礎，在工程項目中的各個階段和各參與方都可以實時提取、修改和更新BIM模型的工程信息。在不同類型的項目中，數據的一致性，保證了項目的順利進行。簡而言之，BIM就是一個模型，通過對模型的信息的分享和管理，可以幫助決策更為科學和有效。

2.2.3 BIM技術的功能視角

BIM模型是一種與構件和管理均存在相關性的模型。管理常常包括成本估算、合同管理、文件歸檔等。

2.3 功能特點

2.3.1 可視化

可視化就是“看到的就是得到的”。BIM技術的可視化是指以三維實體的方式形成的信息模型，突破傳統的二維方式設計平面圖對設計、施工過程進行指導的生產方式，轉而用數字技術顯示工程部件或工程的整體內容。利用BIM技術，構建了一個三維數字模型，使所有參與方都能直觀地了解項目的整個生命周期。這是一個具有共享性質的平臺，以便為各個單位與各部門或所屬專業的人員提供有效溝通和科學決策的前提條件。

關于BIM構件的概念，目前還沒有一個統一的說法。但有人試圖對BIM組件進行一個初步的界定，認為BIM構件是BIM模型中的一種可替換的實體，具有不可取代的特殊作用，正是它滿足了BIM的整體界面規范，并且可以將 BIM構件與其它構件進行裝配，最后形成 BIM模型。BIM構件的特性是復用性、擴展性、獨立性和互聯性。

2.3.2 協調性

BIM技術與傳統的點對點的溝通方式相比，具有較高的效率。通過BIM協同平臺，針對項目施工中存在的問題，各參與方在模型中直接進行了溝通與協調，對不同專業體系之間的問題進行及時地修改。而且，在三維信息化模型中，BIM的所有組件實體及功能特性都會以參數化的方式保存在數據庫之中，數據庫與視圖、視圖與視圖之間都是雙向的，如果模型中的任何一個點發生了變化，那么就會反饋到模型中的其他部位，其平面、立面、剖面、明細表視圖等都會相應地進行調整。

2.3.3 模擬性

在工程項目的設計階段，應用BIM相關軟件，既能對工程實體進行建模，又能對實際情況下的物體進行建模。比如交通信號燈模擬，交通流量模擬。

2.3.4 優化性

BIM模型不僅能反映出建筑的真實情況，還能反映出建筑物的幾何信息、物理信息、規則信息，同時也能反映出建筑物的真實變化。當模型復雜到一定程度時，參與者自身的力量是不可能完全了解這些信息的，需要借助一些科技手段和儀器?，F代建筑的復雜性已經遠遠超出了工程設計人員自身的能力范圍，因此，BIM及其相關的多種優化工具為復雜工程的優化提供了可能性。

2.3.5 可出圖性

在對該模型進行可視化展示、協調、模擬和優化之后，就能得到該產品的設計產品，即二維圖紙。

2.4 用于市政管網系統的建模軟件

當前BIM建模軟件主要分為以下三種。

2.4.1 Autodesk公司的Revit系列

Autodesk公司開發的AutoCAD之前在中國民用建筑與各行業的工業建筑市場上均得到廣泛應用，所以與之互為補充的Revit軟件系列目前占有相當的市場份額。

2.4.2 Bentley公司的建筑系列

Bentley產品優勢在于其對于產品線整合后的統一平臺，便于將各專業的設計內容集中體現。但其建筑系列與Revit系列相比，尚無明顯優勢。

2.4.3 Nemetschek公司的ArchiCAD系列

ArchiCAD是目前國內應用最為廣泛的一款 BIM模型軟件。由于其與國內眾多設計機構的多學科整合經營模式相抵觸，在市場份額上難以取得重大突破。

綜合考慮，本文擬采用Autodesk公司的Revit系列軟件，作為解決目前城市地下市政管網的現實難題的研究對象。

3 BIM技術下市政管網模型的建設

3.1 Revit平臺建模

目前，基于 Revit技術平臺開發的專業模塊有：Revit Architecture （Revit建筑模塊）、Revit Structure （Revit結構模塊）、Revit MEP (Revit設備模塊）三大專業模塊，以適應不同領域的實際應用需要。

在Revit模式下，所有的圖紙、二維和立體的視圖和明細表都是在相同的基礎模型上進行的信息表達。在繪圖視圖和列表視圖中，Revit將會搜集與施工相關的信息，并將這些信息與工程的其它表達方式相結合。Revit參數修正功能可以在任意位置（比如模型視圖，圖紙，明細表，平面和剖面）自動地進行調整[7]。

3.2 Revit族庫

3.2.1 Revit族庫介紹

族庫即構件庫，是建立模型的基礎單位。Autodesk Revit的族庫分為兩類：一是普通的家族庫，它會隨著軟件進行升級；二是在軟件中的安裝選項中選定一個國家和地區即可安裝基礎級別的Revit族庫。

創建一個族的基本流程為：新建一個族，確定族的類別，繪制參照面，確定所在視圖，確定工作平面，建立形體，進行修改，建立參數，載入測試。

Revit族可以分類為三個層次：族的樣板，族的類別，族的類型。族的樣板包括，公制常規模型、標題欄、標注等。族的類別包括門窗、噴頭、燈具等。族的類型可以按需求逐項添加，比如類型1、類型2、類型3等。其中，Revit族驅動形體的順序為：參數-標注-參照面-形體。

3.2.2 Revit族參數舉例

1）規程為“公共”的族參數

包括文字、面積、整數、體積、數字、角度、長度、坡度、貨幣、質量密度、圖像、URL、材質等。

2）規程為“結構”的族參數

包括線性力、面積力、力矩、應力、單位重量、質量、熱膨脹系數、點彈性系數、面彈性系數、位移等。

3）規程為“電氣”的族參數

包括電流、電位、發光強度、頻率、照度、光通量、效力、亮度、瓦特、色溫、視在功率、功率、功率密度、電阻率、電纜橋架尺寸等。

4）規程為“管道”的族參數

包括密度、流量、摩擦、壓力、溫度、速度、動態黏度、管道尺寸、粗糙度、體積、坡度、管道隔熱層厚度、管道尺寸、厚度。

5）規程為“HVAC”的族參數

包括密度、摩擦、功率密度、壓力、溫度、速度、風量、熱增益、粗糙度、動態粘度、冷負荷、熱負荷等。

6）規程為“能量”的族參數

能量、傳熱系數、熱阻、熱質量、熱傳導率、比熱、汽化比熱、滲透性等。

3.3 BIM技術在市政管網設計中的解決方案

3.3.1 建立信息交換與協同設計平臺

BIM信息交流平臺，是將BIM軟件中的BIM模型和屬性信息，通過 BIM的數據傳輸到數據庫中，而不需要使用原有的 BIM軟件，就可以自由的打開、調用、管理 BIM的各種數據。

通過構建一個協作平臺，為BIM項目的有關各方提供一個協作的環境，從而對各個項目的信息進行有效的管理與控制，保證相關各方的信息準確、統一、安全，以及數據的保存和傳輸的準確性。

在 Revit平臺上，利用現有結構作為參考，實現一體化模型的協同設計，并根據各專業的管網信息（材料、高度、尺寸等）進行更加精確的設置，從而為建立BIM信息庫提供信息支持。

3.3.2 BIM模型的檢查

在針對模型的檢查過程中，應重點考慮檢查以下幾個方面的內容。

1）檢查建立三維模型的完整性

主要指檢查BIM模型包含的模型、構件等內容的完整性。BIM模型包含的內容和深度能否具備提交業主的條件。

2）檢查建立三維模型的規范性

主要指檢查BIM模型的建立是否滿足了BIM模型的要求，包括 BIM模型的建立方法、模型各要素之間的相關性、模型各要素之間的空間關系、語義屬性信息的完整性、交付方式和版本的正確性。

3）檢查設計技術經濟指標、相關規范

主要指檢查 BIM 模型中的具體設計內容，設計師選定的參數是否符合項目的質量目標與要求，是否符合國家、地方以及所屬行業主管部門的相關設計規范和標準等。比如BIM 模型及構件的尺寸、空間坐標定位、設備的規格型號等是否符合相關要求。

4）檢查模型的協調性

檢查模型的協調性，主要是指BIM模型中各模型與各組件之間是否有很好的配合，例如：各專業之間的模型是否有直接的矛盾，是否有足夠的安全空間、操作與檢修空間是否合理等。

5）保證BIM模型的準確性

BIM建模的精確度是指模型和模型部件的外形、大小、各部件的定位關系，并確保相應的屬性信息的準確性。在模型交付之前，設計者必須對模型進行檢驗，以保證模型能正確地反應出實際的工程狀況。

6）BIM模型的優化與改進

在工程設計階段，必須將BIM核心模型與其它碰撞分析軟件相結合，調整和優化模型中的不合理因素，從而達到提高設計精度和工作效率的目的。

Autodesk公司開發的Autodesk Navisworks是一套專業的建筑工程管理系統。Navisworks Manage的特點主要在于其具有實時可視化、整合完整的項目模型、碰撞檢測更精確等優勢。結合Navisworks提供的碰撞檢測沖突報告，可以針對BIM信息化模型中的“錯、漏、碰、撞”等傳統問題進行逐項的詳細分析。模型的信息化過程能夠幫助團隊成員在進行工程建設之前，通過數字化的方法來研究其主要的物理和功能的特征，從而達到縮短工程的交工時間、增加經濟效益以及進一步降低對環境的影響等目標。

4 結語

本文針對我國國內城市目前地下市政管網粗放式的現實難題，提出以BIM三維數字化技術，以集約化的方式建設市政管網工程的建議與解決方案。以Revit軟件為研究對象，本文介紹了利用BIM技術構建城市管網三維數字化信息模型的構想。最后，以Navisworks Manage為研究對象，提出BIM模型的調整與優化方案。