(1.武漢天興洲道橋投資開發(fā)有限公司，武漢 430074； 2.華中科技大學(xué) a．土木工程與力學(xué)學(xué)院； b．湖北省數(shù)字建造與安全工程技術(shù)研究中心，武漢 430074)

地下管線與城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展息息相關(guān)，是城市的生命線。地下管線包括給水、雨水、污水、電力、信息、電信燃?xì)獾榷喾N類型，而這些管線又分屬自來水公司、排水公司、電力公司、各電信公司、燃?xì)夤?、熱力公司、政府、部?duì)等多個(gè)單位建設(shè)、管理和維護(hù)。在管線建設(shè)的全過程中，各環(huán)節(jié)的管理又分屬于不同的政府管理部門，權(quán)屬單位復(fù)雜[1]。各類綜合管線系統(tǒng)繁多，并且根據(jù)高度還有不同分區(qū)，導(dǎo)致管線的布置也十分復(fù)雜[2]。

目前我國(guó)建設(shè)的大部分城市綜合管廊主要敷設(shè)于城市新區(qū)的主干道路，由于城市新區(qū)的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)較高，對(duì)城市道路交通、景觀、環(huán)境的要求較高[3]。但老城區(qū)的管線特征是設(shè)施陳舊，多采用直埋方式，地下布置錯(cuò)綜復(fù)雜，并且沒有完善的布置信息資料。如何加強(qiáng)老城區(qū)地下管線施工管理，改造更新，降低建設(shè)維護(hù)成本，減少風(fēng)險(xiǎn)，是亟待解決的問題。

1 地下管線管理現(xiàn)狀

目前，老城區(qū)地下管線的管理在規(guī)劃、建設(shè)、維護(hù)和信息資料管理等階段均存在不同程度的問題。比較突出的問題諸如，管網(wǎng)檔案與管網(wǎng)現(xiàn)狀不符，缺乏對(duì)綜合管線管理信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新的部門； 管理體制不完善，缺乏共享各部門數(shù)據(jù)及信息資源的有效暢通渠道； 部門協(xié)調(diào)比較困難，缺乏一個(gè)統(tǒng)一的協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)，各部門的協(xié)調(diào)配合困難，對(duì)實(shí)際工作實(shí)施造成了障礙，財(cái)力的嚴(yán)重浪費(fèi)，處理問題的效率低下，存在著諸如：“多頭管”、“無人管”等情況[4]； 有些權(quán)屬單位所提供的一些道路竣工資料，也存在實(shí)地施工過程中為了避讓其它管線或建、構(gòu)筑物發(fā)生局部變向或變深時(shí)在資料中不進(jìn)行表示和說明，對(duì)短距離管線改造不進(jìn)行繪制和說明的情況[5]。

在進(jìn)行土方開挖等施工過程中，由于對(duì)地下管線的布置不明確，對(duì)管線的破壞事故時(shí)常發(fā)生，造成搶修、返工、工程變更，不僅對(duì)施工的進(jìn)度、成本影響巨大，而且對(duì)周邊建筑物，基礎(chǔ)設(shè)施等造成不利影響。為了解決這些存在的問題，可以引入BIM技術(shù)，建立一個(gè)集成信息，共享信息的系統(tǒng)平臺(tái)，加強(qiáng)管效。

BIM 主要以信息的高度集中化和可視化為主要特點(diǎn)，貫穿項(xiàng)目的整個(gè)建設(shè)過程，為建設(shè)工程提供了方便的交流平臺(tái)和資源共享，信息化數(shù)據(jù)的統(tǒng)一完整解決了工程各方面的缺陷問題，避免了信息的不對(duì)稱性，為工程建設(shè)和分析提供了較好的根據(jù)[6]。將BIM 技術(shù)應(yīng)用到管線項(xiàng)目中，將施工過程中的問題前置，減少了設(shè)計(jì)、施工變更，確保施工進(jìn)度，降低了成本，提高了工程項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)控制能力[7]。因此，為了更好地進(jìn)行地下管線管理，提高工程項(xiàng)目對(duì)管線的管控效率，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，在管線的設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)、遷改過程中，我們能夠借助BIM三維可視化信息系統(tǒng)建立2D、3D、4D信息模型，集成化提升信息協(xié)同能力，為管線的現(xiàn)代化建設(shè)提出更好的解決方案。

2 基于BIM的全過程地下管線數(shù)字化管理系統(tǒng)

BIM 是設(shè)施物理和功能特性的數(shù)字表達(dá)，是一個(gè)共享的知識(shí)資源，是一個(gè)分享有關(guān)這個(gè)設(shè)施的信息，為該設(shè)施從概念到拆除的全壽命周期中的所有決策提供可靠依據(jù)的過程； 在項(xiàng)目不同階段，不同利益相關(guān)方通過在 BIM 中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映各自責(zé)的協(xié)同工作[8]。

2.1 系統(tǒng)開發(fā)

(1)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在基于BIM的地下管線數(shù)字化管理系統(tǒng)架構(gòu)上，根據(jù)信息的流動(dòng)、狀態(tài)及映射關(guān)系，可以將信息輸出分成以BIM平面為輸出信息系統(tǒng)過程核心的四個(gè)平面：目標(biāo)平面、信息平面、BIM平面、用戶平面[9]。

目標(biāo)平面首先根據(jù)需要將管線需求分解成各項(xiàng)項(xiàng)目目標(biāo)，根據(jù)管線的位置，不同的權(quán)屬方、信息收集者進(jìn)行綜合分解，直到分解成可以具體到人、地點(diǎn)、有效時(shí)間、可控的具體任務(wù)。

信息平面則是將控制目標(biāo)收集到的各類信息，根據(jù)管線單位，實(shí)施階段等進(jìn)行統(tǒng)一的編碼，使得分散、數(shù)量龐大的信息能夠通過一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的體系得到統(tǒng)一。

BIM可視化平面根據(jù)項(xiàng)目目標(biāo)分解，構(gòu)建相應(yīng)的BIM模型和總控平臺(tái)應(yīng)用于管線信息的目標(biāo)控制，建立統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的BIM數(shù)據(jù)命名規(guī)則和分類儲(chǔ)存方式，并于信息平面以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)編碼的信息掛鉤，相較于傳統(tǒng)的報(bào)告平面，BIM平面能夠基于所建立的規(guī)則，自動(dòng)對(duì)信息進(jìn)行分析，并將數(shù)據(jù)可視化，可視化能夠顯示計(jì)劃的進(jìn)展情況和正在進(jìn)行的工作狀態(tài)。BIM能利用直觀的圖表、數(shù)據(jù)、模型使原本繁瑣的報(bào)告信息更加直觀、簡(jiǎn)明的展現(xiàn)。解決傳統(tǒng)報(bào)告?zhèn)鬟f信息存在信息不實(shí)時(shí)，信息搜尋慢等問題，根據(jù)用戶需要生成實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、三維可視化的“報(bào)告”展現(xiàn)給用戶，提升用戶對(duì)信息的理解力。

(2)系統(tǒng)架構(gòu)

地下管線數(shù)字化管理系統(tǒng)的主要目的是快速高效的對(duì)地下管線信息進(jìn)行查詢和管理，并通過分析功能輔助相關(guān)部門決策。本文的管理系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示，采用三層架構(gòu)模式，由底層到頂層分別為基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層。

基礎(chǔ)層主要由設(shè)備和系統(tǒng)組成。提供最基本的物理硬件支持以及操作各類數(shù)據(jù)庫(kù)的接口，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，全面完整的收集信息。

數(shù)據(jù)層包括主要包括基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)、管線的屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)以及管線施工信息。

應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的管理分析，實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)管線信息進(jìn)行查詢、管理等功能的需求。

(3)系統(tǒng)建設(shè)

建立BIM地下管線信息管理系統(tǒng)，首先要對(duì)既有地下管線進(jìn)行管線普查，準(zhǔn)確的管線普查數(shù)據(jù)是建立一個(gè)優(yōu)良系統(tǒng)的基礎(chǔ)。地下管線的探測(cè)方式包括陀螺儀探測(cè)法、聲學(xué)探測(cè)法、直接法、感應(yīng)法等多種方式，探測(cè)的同時(shí)還要理清管線的權(quán)屬信息。在獲取準(zhǔn)確的管線屬性、位置、權(quán)屬信息后，將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)上傳到一個(gè)可供各組織各部門信息集成的共享平臺(tái)，并建立可視化3D模型信息，能夠更加清楚直觀的描述構(gòu)建特征，對(duì)管線建設(shè)的全過程皆有助益。在維護(hù)階段，還要實(shí)現(xiàn)對(duì)后續(xù)工程變更、新建、拆除的工程的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新，這樣，就能夠追根溯源，解決權(quán)屬不清晰的問題。后面的小節(jié)將分階段描述BIM在管線信息管理中起到的作用。

圖1 地下管線數(shù)字化管理系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 基于BIM的全過程地下管線數(shù)字化管理系統(tǒng)建設(shè)流程

2.2 勘察階段

在基于BIM的地下管線數(shù)字化管理，擁有完備、全面的管線信息是建立一個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)流暢、處理高效的系統(tǒng)的基礎(chǔ)。老城區(qū)地下管線存在的突出問題是信息不完善，埋設(shè)復(fù)雜。所以，在勘察階段需要對(duì)現(xiàn)有各類管道的屬性，特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)查，收集盡可能準(zhǔn)確、完備的信息資料。

其中需要經(jīng)過調(diào)查清楚的各類管道信息包括但不限于：

(1)線路名稱：通過編碼，幫助準(zhǔn)確快速檢索到目標(biāo)管線，輔助分類；

(2)起止地點(diǎn)：輔助施工單位理清管線整體布置，有益于管線維護(hù)、拆遷的完整性。

(3)權(quán)屬單位：明確權(quán)屬單位是管線工程中非常重要的一點(diǎn)，不僅能使管線物有所主，由管線權(quán)屬單位提供相關(guān)管線資料，而且在設(shè)計(jì)、施工過程中還能節(jié)省大量的協(xié)調(diào)管理時(shí)間。

(4)布設(shè)方式：在設(shè)計(jì)階段、施工階段和維護(hù)階段進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新，掌握管線真實(shí)布設(shè)方式，能夠減少因不了解地下情況而引發(fā)的各類問題。

(5)管線屬性：包括管線內(nèi)徑，材質(zhì)，型號(hào)等元素，有助于管線的維護(hù)、更替，在Revit三維建模中檢測(cè)出可能的物體碰撞。

對(duì)收集到信息進(jìn)行加工整理、傳輸、分發(fā)與檢索，儲(chǔ)存到信息管理系統(tǒng)中。以滿足工程項(xiàng)目各組成部分，各實(shí)施階段，參建各方都能及時(shí)迅速的獲得所需要的各類信息資源。

2.3 設(shè)計(jì)階段

設(shè)計(jì)階段通常決定了一個(gè)工程項(xiàng)目約80%的投資，制定一個(gè)合理、優(yōu)選的設(shè)計(jì)方案能夠有效地節(jié)約成本，控制工程造價(jià)。

在老城區(qū)管線項(xiàng)目中，管線的布置錯(cuò)綜復(fù)雜，無論是新建還是遷改都涉及到很多方面，比如每一次土方開挖，不僅僅是開挖造價(jià)，還要預(yù)估對(duì)開挖周邊建筑、交通、環(huán)境等等的影響，成本隨之增加。通過BIM管線數(shù)字化地圖系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)階段的可視化，模擬得到可能存在的碰撞沖突，管線碰撞檢測(cè)可以提前檢測(cè)出可能的設(shè)計(jì)缺陷，避免大部分因?yàn)樵O(shè)計(jì)問題而造成的不必要的損失，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，節(jié)約資源。

在管線遷改項(xiàng)目的過程中，擁有準(zhǔn)確的管線信息可以使得項(xiàng)目方可以及時(shí)就拆遷方案的制定上與施工單位和工程管理部進(jìn)行協(xié)調(diào)，根據(jù)管線的拆遷難度、拆遷周期合理的施工方案進(jìn)度設(shè)計(jì)。對(duì)于拆遷費(fèi)用高或協(xié)調(diào)難度大的管線，可通過經(jīng)濟(jì)可行性比較，對(duì)管線所處位置的施工設(shè)計(jì)方案進(jìn)行小規(guī)模變更，甚至避開管線變更。

2.4 施工階段

管線的施工過程是設(shè)計(jì)實(shí)踐的重要步驟，即使管線項(xiàng)目的設(shè)計(jì)沒有問題，但在實(shí)際施工過程中，也會(huì)造成各種各樣的問題。

其中有兩個(gè)最為突出的問題，當(dāng)進(jìn)行管線遷改項(xiàng)目時(shí)，在進(jìn)行具體施工之前，需先與管線的權(quán)屬部門進(jìn)行協(xié)商，在當(dāng)前條件下，由于老城區(qū)管線的直埋現(xiàn)象較多，管線標(biāo)識(shí)可能被腐蝕氧化，看不清標(biāo)識(shí)單位，管線信息檔案存貯不及時(shí)，信息遺失多，信息不完善，常常很難找到準(zhǔn)確的施工單位和管理單位。第二個(gè)問題是，在進(jìn)行土方開挖等施工過程中，由于對(duì)地下管線的布置不明確，對(duì)管線的破壞事故時(shí)常發(fā)生，造成搶修、返工、工程變更，不僅對(duì)施工的進(jìn)度、成本影響巨大，而且對(duì)周邊建筑物，基礎(chǔ)設(shè)施等造成不利影響。

為了解決這些存在的問題，引入BIM技術(shù)建立集成信息，共享信息的數(shù)字化系統(tǒng)平臺(tái)將成為一個(gè)勢(shì)在必行的解決方案。該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于能夠在信息產(chǎn)生的階段，即要求各參與方將數(shù)據(jù)信息傳入集成統(tǒng)一的平臺(tái)中，并在項(xiàng)目全周期不斷更新維護(hù)，實(shí)現(xiàn)信息共享化的及時(shí)性和準(zhǔn)確性。同時(shí)，對(duì)于已存在但不明確的現(xiàn)有管線信息進(jìn)行必要的勘探，查漏補(bǔ)缺。基于這些信息建立的三維模型，地下世界清晰完整地展現(xiàn)在我們面前，幫助管線建設(shè)水平得到顯著提升，減少誤工返工，道路重復(fù)開挖，節(jié)省工期，減少成本，為工程項(xiàng)目增值起到關(guān)鍵作用。

2.5 運(yùn)維階段

地下管線數(shù)字化管理系統(tǒng)不僅服務(wù)于管線的建設(shè)過程，在項(xiàng)目竣工完成后仍然能起到至關(guān)重要的作用?；谠谠O(shè)計(jì)階段、施工階段獲取的集成在系統(tǒng)中完備、清晰的管線數(shù)據(jù)信息，并通過及時(shí)的維護(hù)跟蹤，我們能夠直觀地看到管線的實(shí)時(shí)狀態(tài)。通過數(shù)字化建模，一張立體的管線網(wǎng)就能呈現(xiàn)在我們面前，形成數(shù)字化地圖。

顯然，如果擁有信息完善、檢索方便的集成共享信息系統(tǒng)，在未來，無論是在管線項(xiàng)目中還是在涉及到管線變更、遷改的其他建設(shè)項(xiàng)目中，都將有效提高管理效率。在項(xiàng)目初始階段，信息收集和協(xié)調(diào)權(quán)屬單位所耗費(fèi)的大量時(shí)間將不復(fù)存在，設(shè)計(jì)階段也能盡可能地避免新建管線對(duì)現(xiàn)有管線的影響，例如碰撞。在施工階段，既然明確了各管線的位置，也能大幅度減少以往因?yàn)閷?duì)地下管線狀態(tài)不清晰，導(dǎo)致對(duì)既有管線的頻繁破壞。

這是一個(gè)服務(wù)于地下管線建設(shè)的全過程，同時(shí)惠及于其他與地下管線密切相關(guān)項(xiàng)目的全過程。

3 案例：楊泗港長(zhǎng)江大橋項(xiàng)目

3.1 項(xiàng)目概況

楊泗港長(zhǎng)江大橋工程總長(zhǎng)度4.134km(K9+162.000～K13+296.377)，是國(guó)內(nèi)第一、世界第二大跨度的懸索橋，其中主橋段為單跨懸吊鋼桁梁懸索橋，全長(zhǎng)1.7km(兩座橋塔之間距離)，漢陽岸接線起于國(guó)博立交，武昌岸接線止于八坦立交，漢陽岸線路長(zhǎng)0.973km，武昌岸線路長(zhǎng)1.461km，兩岸接線全長(zhǎng)2.434km。楊泗港長(zhǎng)江大橋距下游鸚鵡洲大橋約3.2km，距上游白沙洲大橋約3.0km。工程總造價(jià)約為80億元，工期約54個(gè)月。

圖3 楊泗港長(zhǎng)江大橋

由于受到拆遷影響，進(jìn)度嚴(yán)重滯后，為了使工程建設(shè)管理目標(biāo)按計(jì)劃實(shí)現(xiàn)，針對(duì)大橋兩岸引橋區(qū)域的管線拆遷工程、新建工程，業(yè)主方聯(lián)合華中科技大學(xué)工程管理研究所應(yīng)用BIM技術(shù)開發(fā)武漢楊泗港長(zhǎng)江大橋數(shù)字化管線遷改系統(tǒng)。

圖4 楊泗港長(zhǎng)江大橋武昌側(cè)管線綜合平面布置

3.2 管線遷改系統(tǒng)

將數(shù)字化管線遷改系統(tǒng)應(yīng)用在在武漢楊泗港長(zhǎng)江大橋項(xiàng)目中，針對(duì)南北引橋區(qū)域內(nèi)整個(gè)建設(shè)過程中管線的拆遷，規(guī)劃工程進(jìn)行了系統(tǒng)的信息收集整理，同時(shí)基于BIM實(shí)現(xiàn)管線的可視化，使得各參建方、維護(hù)方、管理方能夠通過一個(gè)集成統(tǒng)一的平臺(tái)共同對(duì)管線信息進(jìn)行更新和管控。

3.2.1 管線信息分類

首先，基于施工組織設(shè)計(jì)，項(xiàng)目被分為漢陽側(cè)和武昌側(cè)兩個(gè)部分，分別由兩個(gè)項(xiàng)目部分別施工。BIM管線遷改系統(tǒng)將管線信息也分為漢陽側(cè)和武昌側(cè)，并以CAD 二維圖紙中規(guī)劃或遷改的給水管線、雨水管線、污水管線、電力管線、信息管線、電信管線、燃?xì)夤芫€、廢棄管線八類管線為依據(jù)進(jìn)行信息收集。收集的信息包括名稱、地址、特征、管線權(quán)屬單位、管線狀態(tài)(現(xiàn)狀、規(guī)劃)、埋深，是否存在碰撞點(diǎn)，對(duì)這些信息進(jìn)行說明，以圖表形式簡(jiǎn)潔直觀的展現(xiàn)在用戶界面上。

圖5 管線遷改系統(tǒng)綜合界面

3.2.2 管線信息檢索

系統(tǒng)中設(shè)置有檢索功能，可以準(zhǔn)確迅速地指向需要查詢的管線信息，可供查詢的條件為名稱，特征，管線權(quán)屬單位，管線狀態(tài)，是否存在碰撞點(diǎn)等基本信息。

如果需要進(jìn)一步掌握更加詳細(xì)的信息，可通過點(diǎn)擊詳細(xì)按鈕，進(jìn)入管線詳細(xì)信息界面，詳細(xì)信息界面包括管線BIM編號(hào)、施工標(biāo)段、管線類型、埋深類型、建設(shè)年代、備注、附加信息等。

擁有一個(gè)完備的信息庫(kù)和功能健全的檢索平臺(tái)，以及不同權(quán)限等級(jí)的維護(hù)、查詢用戶。能夠改善以往不必要的信息收集速度慢、效率低、協(xié)調(diào)管理時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)，極大程度上提升項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)過程中的管理效率。

3.2.3 管線三維可視化

基于BIM建立管線的三維可視化模型，以二維CAD圖紙為建模基礎(chǔ)，通過Revit、3Dmax等建模工具將平面管線圖紙升級(jí)成為直觀、可視的三維參數(shù)化模型。減少傳統(tǒng)二維圖紙?jiān)斐傻男畔G失及信息誤解，能夠在施工前提前發(fā)現(xiàn)可能存在的設(shè)計(jì)問題，為設(shè)計(jì)方案提供合理建議，提高了項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工的質(zhì)量。

圖6 地下管線BIM模型

圖7 管線碰撞綜合報(bào)告

3.2.4 管線碰撞檢測(cè)

若基于BIM檢測(cè)出的管線碰撞，系統(tǒng)將展示給用戶問題編號(hào)、問題類型、問題圖名和圖號(hào)、相關(guān)專業(yè)、位置、問題描述、問題解決情況、登記日期等相關(guān)信息。同時(shí)，在碰撞點(diǎn)詳細(xì)界面中給出問題描述、解決方案建議、設(shè)計(jì)回復(fù)、復(fù)核、問題解決情況以及二維CAD圖紙和三維BIM建模信息。

通過分析碰撞沖突報(bào)告，可以提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)存在的缺陷，通過采取改進(jìn)措施對(duì)三維模型進(jìn)行優(yōu)化。同樣在施工過程中，可以幫助工作人員清晰地找出造成誤工返工浪費(fèi)的關(guān)鍵原因，有效提高施工質(zhì)量以及人材機(jī)的使用效率，減少了工程中不必要的資源浪費(fèi)。

4 結(jié)語

老城區(qū)傳統(tǒng)的地下管線信息管理存在著諸多問題和難點(diǎn)，本文將BIM手段與信息化管理結(jié)合起來，以武漢楊泗港長(zhǎng)江大橋地下管線信數(shù)字化管理系統(tǒng)作為案例研究探討解決方案。該系統(tǒng)能夠有效地解決管線遷改施工過程中，管線權(quán)屬單位復(fù)雜，地下情況不清晰，以及提前發(fā)現(xiàn)解決設(shè)計(jì)階段出現(xiàn)設(shè)計(jì)問題。通過本系統(tǒng)的建設(shè)，使傳統(tǒng)復(fù)雜繁瑣的管線遷改管理工作能在一個(gè)信息數(shù)據(jù)完備、信息傳遞迅速、界面簡(jiǎn)單直觀地共享集成平臺(tái)上進(jìn)行，有效地提高管理者工作效率。