吳　鋒，胡　繞

(1.上海巖土工程勘察設(shè)計研究院有限公司，上海 200438;2.上海巖土與地下空間綜合測試工程技術(shù)研究中心，上海 200438 )

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基于B I M技術(shù)的既有地下管線三維自動化建模的研究

吳鋒1,2，胡繞1,2

(1.上海巖土工程勘察設(shè)計研究院有限公司，上海 200438;2.上海巖土與地下空間綜合測試工程技術(shù)研究中心，上海 200438 )

針對工程項目中地下管線開挖和遷改存在的眾多問題，擬通過研究BIM(Building Information Modeling)技術(shù)在地下管線三維信息模型建模中的應(yīng)用，初步解決實際中可能遇到的問題。首先通過Micosoft Visual Studio平臺對BIM軟件進行二次開發(fā)，建立管線系統(tǒng)模塊，結(jié)合所創(chuàng)建的地下管線附屬物族庫，將已探明的電力、信息、給水等各類型地下管線信息數(shù)據(jù)(主要為Excel格式)與其相對應(yīng)的附屬物批量載入管線系統(tǒng)，建立地下管線三維模型。然后利用BIM軟件管線碰撞檢測功能及人工識別，獲取有用碰撞信息，依據(jù)實際經(jīng)驗或現(xiàn)場復(fù)測，修正其中錯誤的管線數(shù)據(jù)，更正管線模型，使其更為真實、直觀地反映地下管線的分布情況，為后續(xù)工程設(shè)計、施工、管理提供依據(jù)。

BIM技術(shù)；地下管線；三維；信息模型；碰撞檢測

1　引　言

城市地下管線是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，是現(xiàn)代化城市正常運行的基本保證，它被喻為城市的“生命線”，每時每刻擔(dān)負(fù)著傳遞信息、輸送能量及提供物質(zhì)等工作，為經(jīng)濟發(fā)展和市民生活提供了基礎(chǔ)和保障[1-4]。隨著城市化進程的加快，地下管線逐漸增多，它們錯綜復(fù)雜，相互交叉，出現(xiàn)了“密”、“亂”、“老”等狀況，困擾著地下管線的管理工作[5,6]。在建設(shè)施工過程中，經(jīng)常出現(xiàn)誤判挖斷地下管線的情況，造成停水、斷電、爆炸、火災(zāi)等事故，嚴(yán)重影響居民的日常生活及社會經(jīng)濟的發(fā)展[7]。落后的管線管理及現(xiàn)有的管線探測技術(shù)與高速發(fā)展的城市之間存在的矛盾日益尖銳，亟需解決。BIM技術(shù)的出現(xiàn)為解決地下管線問題提供了一種途徑，它能夠服務(wù)于地下管線的策劃、設(shè)計、運行和維護等，實現(xiàn)管線全生命周期管理。近兩年來BIM技術(shù)迅速發(fā)展，已經(jīng)受到政府部門、科研機構(gòu)、建設(shè)單位及行業(yè)協(xié)會等各方的關(guān)注，并在工程領(lǐng)域中得到應(yīng)用。顧海玲等[8]研究了BIM技術(shù)在上海中心大廈建筑給排水設(shè)計中的協(xié)同設(shè)計、管線綜合和碰撞檢測等應(yīng)用。紀(jì)凡榮等[9]將BIM技術(shù)應(yīng)用在施工模擬、碰撞檢測及管線綜合中。高遠等[10]主要基于BIM技術(shù)探討了市政管網(wǎng)設(shè)計、建筑協(xié)同設(shè)計及管線碰撞檢測。通過分析發(fā)現(xiàn)，前人主要將BIM技術(shù)用于建筑內(nèi)部管線理論模型的設(shè)計，而幾乎沒有對已施工完成的地下管線信息進行建?！，F(xiàn)今的既有地下管線錯綜復(fù)雜分布于城市，需要相關(guān)措施進行管理與維護，BIM軟件的出現(xiàn)提供了一種可以解決其中相關(guān)問題的方法。本文以上海某項目為例，通過物探方法探查城市各類地下管線[11-13]，獲取相關(guān)數(shù)據(jù)信息，將其載入二次開發(fā)的BIM軟件，建立地下管線三維信息模型，并進行碰撞檢測，根據(jù)實際情況分析碰撞處的錯誤管線數(shù)據(jù)，為地下管線的現(xiàn)場復(fù)測及遷改提供指導(dǎo)，同時亦為后續(xù)工程設(shè)計、施工、管理提供依據(jù)。

2　理論和方法

2.1BIM技術(shù)的介紹

BIM(Building Information Modeling)，即建筑信息模型，它的原始概念是由Chuck[14]在1975年提出的，到2002年，BIM方法和理論被Autodesk公司提出，隨后受到了業(yè)界的普遍關(guān)注[15]。BIM技術(shù)主要利用三維建筑技術(shù)，把整個工程的三維數(shù)字模型建造出來，制成一個存于電腦之中的數(shù)字化工程模型，并添加該工程所有相關(guān)信息到該模型之中，形成一個工程信息數(shù)據(jù)庫[16]。它具有可視性、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性及可出圖性五大特點。利用BIM技術(shù)可以對地下管線進行三維動態(tài)模擬，能夠較為真實地反應(yīng)管線的時空分布情況。同時亦能夠?qū)Φ叵鹿芫€進行模擬，檢測所生成模型的沖突、管線碰撞等問題。通過BIM模擬，不僅能夠確定合理的施工方案、進度及工程建設(shè)所需的設(shè)備材料供給時間表，方便地計算出設(shè)計變更對應(yīng)的工程成本，快速生成工程預(yù)算。而且也可以對項目方案進行優(yōu)化，根據(jù)工程項目的需要生成相對應(yīng)的圖像。

2.2地下管線三維信息模型建模方法

圖1為地下管線三維信息模型建模的技術(shù)流程圖。首先利用物探技術(shù)對地下管線進行探測，初步獲取地下管線所涉及的相關(guān)屬性數(shù)據(jù)，得到所要模擬的管線信息。由于BIM軟件雖然可以對施工前期各類地下管線進行預(yù)建模，提供設(shè)計方案，但不能直接將探測的地下管線數(shù)據(jù)按照真實信息轉(zhuǎn)換為相應(yīng)三維模型，所以需要對BIM軟件進行二次開發(fā)，創(chuàng)建出管線系統(tǒng)模塊。然后通過所創(chuàng)建的管線系統(tǒng)模塊，實現(xiàn)地下管線數(shù)據(jù)批量自動化加載，初步建立各類型市政地下管線的三維模型。最后對它們進行碰撞檢測，根據(jù)碰撞情況進行具體分析。若地下管線存在碰撞，查明產(chǎn)生碰撞的原因和位置。如果這些碰撞屬于有用信息，則需要根據(jù)實際經(jīng)驗或者現(xiàn)場復(fù)測，修改碰撞點管線數(shù)據(jù)，即修改錯誤的地下管線數(shù)據(jù)，進而更新原始三維數(shù)據(jù)模型，使得地下管線模型與實際管線空間位置相符，為地下管線的開挖及遷改提供可靠的依據(jù)。同時也可設(shè)計出合理的地下管線遷改方案，以減少地下管線在施工現(xiàn)場中存在碰撞而引起的返工，避免造成不必要的浪費，從而降低工程成本，為項目的順利進行提供一定的指導(dǎo)。

圖1　技術(shù)流程Fig.1　The technique flow chart

3　應(yīng)用案例

3.1項目概況

該項目施工地點位于上海虹口區(qū)，工區(qū)面積約為11 453 m2(圖2)。項目所探測管線是埋設(shè)于

圖2　探測區(qū)域位置分布Fig.2　The location map of detection area

地下的上水、雨(污)水、燃氣、電力、電信、熱力、工業(yè)管道等市政和公用管線及鐵路、民航、軍用等其他專用管線，探測數(shù)據(jù)主要包括管線的種類、平面位置、埋深、管徑或根數(shù)、材質(zhì)等。

3.2BIM軟件的二次開發(fā)

基于Miscosoft Visual Studio平臺，對BIM軟件進行二次開發(fā)，建立了管線系統(tǒng)模塊，實現(xiàn)了地下管線數(shù)據(jù)批量自動導(dǎo)入、多孔管線排布設(shè)置、管線避讓、管線自動連接及管線數(shù)據(jù)導(dǎo)出等多項功能，并按照實際情況真實地建立了地下管線三維模型。

表1為工程項目中所探測的地下管線數(shù)據(jù)，主要包含管點空間位置、管徑或孔數(shù)及附屬物。將以上數(shù)據(jù)匯總在Excel表格中，導(dǎo)入至BIM軟件地下管線模塊，對于其中包含的多孔管線及附屬物族類等相關(guān)信息， 通過相應(yīng)的功能模塊進行創(chuàng)建。比如通過多孔管線排布設(shè)置功能，將所探測管線的孔數(shù)按照實際情況進行排布設(shè)計，如35孔可以設(shè)計成5(行)×7(列)的陣列形式(圖3)；將所涉及到的各類型管線附屬物，如消防栓、窨井、水表及雨篦等(圖4)，通過相應(yīng)模塊進行創(chuàng)建，并放置在相對應(yīng)的空間位置。將所需功能模塊設(shè)置完成之后，通過地下管線數(shù)據(jù)批量自動導(dǎo)入功能(圖5)，生成相應(yīng)的三維管線模型。

表1　地下管線數(shù)據(jù)分布

圖3　多孔管線排布Fig.3　The porous pipeline configuration

圖4　部分地下管線附屬物族類型展示Fig.4　The display of part of the underground pipeline appendages types

圖5　地下管線數(shù)據(jù)批量導(dǎo)入設(shè)置Fig.5　The batch import settings of underground pipeline data

3.3地下管線族庫的創(chuàng)建

族是BIM模型中的基礎(chǔ)構(gòu)成單元，而參數(shù)化控制的族類是族創(chuàng)建中的精華部分。為了能使地下管線批量化建模，需要建立地下管線族庫。

根據(jù)建模需求和實際情況，創(chuàng)建了參數(shù)化地下管線族庫，其創(chuàng)建是基于地下管線規(guī)范的相關(guān)內(nèi)容，按照各類型管線所對應(yīng)的附屬物，結(jié)合實際需要建立相應(yīng)的族。通過優(yōu)化地下管線，規(guī)范種類眾多的族類型，建立了常用地下管線附屬物族庫(如窨井、閥門、水表、信號桿等)，約有20種；這些族的長、寬、高及方向受控于所創(chuàng)建的參數(shù)，可根據(jù)實際情況而改變，滿足了地下管線建模需求。圖5為族庫中的部分附屬物實例，建模過程中可按照實際情況自動改變方向、尺寸等參數(shù)，以滿足批量建模需求。

3.4管線碰撞檢測

工程項目涉及了電力、信息、上水、給水、聯(lián)通、煤氣、污水、信號、雨水、移動等10余種地下管線，包含窨井、消防栓、閥門、路燈及雨篦等多種管線及建筑附屬物。它們之間存在多種碰撞關(guān)系，主要包括不同類型管線之間的碰撞、管線與附屬物之間的碰撞以及附屬物與附屬物之間的碰撞關(guān)系，其中最為常見的是不同管線之間的碰撞，而不同附屬物之間的碰撞較少。經(jīng)檢測分析，該工程項目中不存在附屬物之間的碰撞，下面主要介紹其他兩種類型的碰撞關(guān)系。

通過對實際管線數(shù)據(jù)進行碰撞檢測，發(fā)現(xiàn)了管線之間存在1565處碰撞，而其中大部分碰撞來自于管線之間的連接點，屬于管線之間的正常連接關(guān)系，可以忽略。通過具體分析，發(fā)現(xiàn)管線之間僅有幾十處存在碰撞，如直徑較小的多孔管線與直徑較大的單孔管線存在交叉碰撞(圖6a)。這些碰撞關(guān)系在實際之中是不存在的，可能是探測數(shù)據(jù)存在誤差；亦可能是因為在碰撞處附近的某一段管線被向上或者向下移動一段距離進行繞道通過，而在實際工程中，很少探測碰撞處附近的繞道點，僅探測了地下某段管線末端的位置。因而對于這些管線間的碰撞點需要到現(xiàn)場進行復(fù)測，修正錯誤數(shù)據(jù)，并建立正確的管線模型。

對管線與附屬物之間進行碰撞檢測，發(fā)現(xiàn)它們之間存在1 730處碰撞，其中大部分碰撞來自于管線穿過窨井處，這與實際情況相吻合；僅有十幾處碰撞來自于兩種不同管線與同一窨井相碰，這與實際情況相悖(圖6b)。圖6(b)中不同顏色的管線代表不同的管線類型，它們與同一窨井相碰撞，這與實際不相符；通常情況下，窨井中僅存在同一類型的管線，不存在其他類型的管線穿過該窨井。由于探測數(shù)據(jù)沒有窨井實際大小及展布方向，其中產(chǎn)生的碰撞可能是由人為主觀設(shè)計窨井大小造成的。

根據(jù)實際經(jīng)驗，對不同管線間的碰撞進行具體分析，修改錯誤的管線模型，以符合實際情況，然后可以到現(xiàn)場復(fù)測，與模型再次對比，相互驗證。對于管線與附屬物(窨井)的碰撞，需要到現(xiàn)場探測附屬物的尺寸及方向，然后才能依據(jù)模型提供準(zhǔn)確的信息。

3.5 綜合出圖

根據(jù)探測的管線數(shù)據(jù)，利用BIM軟件將各類型管線依次建立模型。參照現(xiàn)行相關(guān)物探規(guī)范，把地下管線設(shè)置成不同顏色以便區(qū)分。將所探測到的電力管線、路燈管線、信息管線、聯(lián)通管線、移動管線、信號管線、上話管線、上水管線、煤氣管線、污水管線以及雨水管線分別設(shè)置為紅色RGB(255 0 0)、粉紅RGB(255 127 127)、綠色RGB(0 255 0)、綠色RGB(0 255 0)、綠色RGB(0 255 0)、綠色RGB(0 255 0)、綠色RGB(0 255 0)、藍色RGB(0 0 255)、紫色RGB(255 0 255)、深紅RGB(127 0 0)及深紅RGB(127 0 0)(RGB是代表三基色：紅、綠、藍)。建模完成之后，根據(jù)實際情況及地下管線探測規(guī)范對管線模型進行碰撞檢測分析，隨后調(diào)整避讓，得到所有類型地下管線的真實三維信息。圖7展示了部分管線及附屬物，能夠較為明顯地觀測到管線及附屬物的三維空間分布。圖8為匯總后所有類型地下管線的三維信息模型圖。

圖6　地下管線及附屬物碰撞檢測Fig.6　The collision detection of underground pipeline and pipelineappurtenances (a) the collision of different pipeline；(b) the collision of pipeline and appurtenances

圖7　局部地下管線分布Fig.7　The local distribution of underground pipeline

4　結(jié)　論

BIM技術(shù)的設(shè)計不僅能夠給用戶呈現(xiàn)出可視化的三維信息模型，而且為用戶進行二次開發(fā)提供了良好的環(huán)境。本文基于該特征，對BIM軟件進行二次開發(fā)，建立了管線系統(tǒng)模塊。該模塊適用于各類型地下管線建模，結(jié)合所創(chuàng)建的管線附屬物，可以對地下管線三維信息模型進行較為真實的建模，從而更為直觀地反映地下管線的實際分布情況，為工程后續(xù)的設(shè)計、施工、管理提供依據(jù)。

通過分別對不同類型管線、管線與附屬物間以及不同附屬物間進行碰撞檢測，發(fā)現(xiàn)了多處碰撞點或者沖突點，結(jié)合實際情況進行分析，推測這些碰撞點可能是未探測區(qū)或者探測失誤區(qū)， 需要

現(xiàn)場進行復(fù)測，修正錯誤數(shù)據(jù)，并更新模型，使得模型中的地下管線的空間位置與實際情況更加吻合，以便為后續(xù)的地下管線開挖和遷改提供依據(jù)。

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The Research of 3D Existing Underground Pipeline Automation Modeling Based on BIM Technology

Wu Feng1,2，Hu Rao1,2

(1.ShanghaiGeotechnicalInvestigation&DesignInstituteCo.,Ltd.,Shanghai200438,China； 2.ShanghaiEngineeringResearchCenterofGeotechnicalTestforUndergroundSpace,Shanghai200438,China)

Aimed at many problems of underground pipeline excavation and movement in engineering project, the paper preliminarily solves the actual problem which may be occurred by applying BIM technology to 3D underground pipeline modeling. It established pipeline system module mainly through Microsoft Visual Studio platform based on BIM software for secondary development, combined with underground pipeline appurtenances library, and then 3D underground pipeline model was established by loading detected electricity, information, water supply and various kinds of underground pipeline data (mainly for Excel format) and their corresponding appendages to the piping system. It makes use of BIM software pipeline function of collision detection and manual analysis to get useful collision information, which could help modify the wrong pipeline data and pipeline model. Finally, we got a real model of underground pipeline, which could intuitively reflect the reality of the underground pipeline distribution. It provided the basis for subsequent engineering design, construction and management.

BIM technology; underground pipeline; 3D; information model; collision detetion

1672—7940(2016)04—0496—06

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.04.016

上海市科學(xué)技術(shù)委員會資助項目(編號：14DZ2292800)

吳鋒(1988-)，男，主要從事工程物探方法的研究與應(yīng)用工作。E-mail:wfeng_1@126.com

P631

A

2016-01-25