(安徽工業(yè)大學，馬鞍山 243000)

城市地下綜合管廊對于改變城市“空中蜘蛛網(wǎng)”和“馬路式拉鏈”等城市病，提高城市科學化和集約化程度具有非常明顯的作用[1]。隨著我國宏觀政策和財政資金投入的大力支持，城市地下綜合管廊得到了長足的發(fā)展，但是由于我國建筑行業(yè)長期處在傳統(tǒng)的建設模式當中，對于先進技術(shù)的應用和落后管理模式的改變動力不足，設計和施工兩個參建單位相互割裂造成相互之間信息難以有效協(xié)同[2-3]。因此，基于BIM技術(shù)在建筑工程領域中具有高度集成、深化協(xié)同等特點，將BIM技術(shù)應用于城市地下綜合管廊設計和施工階段，以提高設計、施工、設計—施工過程的協(xié)同性，進而提高管廊工程建設效率具有現(xiàn)實意義[4]。

1 綜合管廊設計施工一體化協(xié)同性研究

1.1 綜合管廊設計各專業(yè)協(xié)同問題分析

綜合管廊又稱市政管溝，是指將城市的電力、給水、排水、通訊、燃氣、熱力等市政管線納入地下建造的共同空間當中，形成科學化、規(guī)范化、集約化的城市地下基礎設施[5]。由于綜合管廊建設體量大、構(gòu)造形狀獨特、涉及專業(yè)眾多、建設周期長、技術(shù)難度高等特點，決定了綜合管廊的建設過程必然伴隨著曲折和坎坷，其中問題集中爆發(fā)在設計和施工階段。因此，著重分析研究綜合管廊設計施工過程中存在的信息流通和專業(yè)協(xié)同等問題具有一定的現(xiàn)實意義。

綜合管廊的設計內(nèi)容主要包括標準段斷面選型、橫斷面尺寸設計、入廊管線類型和尺寸的選取、以及管廊交叉節(jié)點處的管線設計[6]?？蓪⒁陨显O計內(nèi)容歸納為：綜合管廊廊體設計和管線入廊設計兩部分，依照專業(yè)的不同將綜合管廊分為建筑專業(yè)、結(jié)構(gòu)專業(yè)、MEP(機電設備)三個專業(yè)設計類別。在對綜合管廊傳統(tǒng)設計流程研究分析的基礎上，筆者將管廊工程的設計過程的三大階段(方案設計階段、初步設計階段、施工圖設計階段)進行詳細拆分，如圖1所示，為綜合管廊傳統(tǒng)設計流程，包含了從方案設計到施工圖出圖存檔全過程，過程中建筑、結(jié)構(gòu)、MEP各專業(yè)需要在方案設計選型、初步設計專業(yè)匯總、施工圖審核三個階段節(jié)點進行匯總檢驗，合格后方可進入下一階段。

圖1 綜合管廊傳統(tǒng)設計流程

在這種傳統(tǒng)設計模式下，綜合管廊建筑、結(jié)構(gòu)、MEP各設計專業(yè)割裂嚴重，呈現(xiàn)出單一的線性設計流程和信息傳遞路徑，橫向之間沒有相互聯(lián)系。只有在完成階段內(nèi)各自設計任務后才進行專業(yè)匯總：在方案設計階段的方案選型中，管廊設計專業(yè)需要MEP專業(yè)提供入廊管線的信息數(shù)據(jù)對標準斷面尺寸和分艙方式進行調(diào)整，節(jié)點設計不僅需要建立在標準段設計的基礎之上，同時還需要入廊管線的數(shù)據(jù)參與，對于出現(xiàn)的設計沖突，建筑設計和 MEP 設計都需要反復修改； 管廊初步設計過程是方案設計的進一步細化過程，該階段管廊建筑專業(yè)和MEP專業(yè)需要在設計節(jié)點上就設計成果進行階段性專業(yè)匯總，發(fā)現(xiàn)設計沖突等問題后需要進行設計返工，直至完成初步設計目標； 施工圖設計階段是設計單位的最終設計任務，該階段各專業(yè)各自的設計圖紙設計完成由專門的審核部門對施工圖進行審核，因此需要對管廊全部的設計結(jié)果進行全面的檢驗調(diào)整，以達到出圖效果，對于不符合條件的地方將信息反饋給相應的專業(yè)進行修改。因此，總結(jié)可得出管廊工程的傳統(tǒng)設計模式中存在的問題如下：

(1)信息流轉(zhuǎn)

管廊工程各個設計專業(yè)之間僅在階段性的設計節(jié)點上存在信息提取，各專業(yè)間的橫向數(shù)據(jù)傳輸基本沒有，且信息資料大都以平面CAD圖紙和文本資料為主，信息的承擔載體不能全面反映設計數(shù)據(jù)狀態(tài)，從而導致信息傳遞丟失；

(2)專業(yè)協(xié)同

綜合管廊各設計專業(yè)之間的設計任務分工明確，設計模式程序化和階段性僵化，彼此之間缺乏關聯(lián)性，致使建筑、結(jié)構(gòu)、MEP專業(yè)間割裂現(xiàn)象嚴重，各專業(yè)的協(xié)同工作需要通過專業(yè)匯總進行，不僅費時而且費工；

(3)設計流程管理

由于不同設計專業(yè)在不同設計階段的割裂較為嚴重，而各階段設計專業(yè)間的匯總檢驗由設計管理者完成，管理者往往根據(jù)以往經(jīng)驗從設計階段的節(jié)點提取各個專業(yè)設計進度加以分析處理，再加上設計管理者需要多次大量的提取信息數(shù)據(jù)，難以保證信息共享的實時性，具有一定的信息延遲性，很大程度上限制了協(xié)同工作的開展，從而造成多次返工進而影響整體的設計進度。

1.2 綜合管廊施工各參建單位協(xié)同性問題

綜合管廊施工信息是指在管廊的整個施工過程產(chǎn)生的所有信息數(shù)據(jù)，信息流轉(zhuǎn)是指各參建單位為克服施工信息不對稱問題產(chǎn)生的彼此信息聯(lián)系溝通的渠道。管廊的施工包括了施工前準備階段(設計現(xiàn)場交底)、施工的實施階段(質(zhì)量管理、進度管理、安全管理)、竣工驗收階段(參建各方驗收)，涉及建設方、設計方、監(jiān)理方、施工方等多個參建單位和大量的施工信息。筆者基于以上施工包含的相關信息，建立如圖2所示的綜合管廊工程的傳統(tǒng)施工流程圖。

由圖2可以看出，在傳統(tǒng)的施工模式中，施工過程依舊是階段性的展開，各個階段是以一種近似于線性的方式進行信息傳遞。設計交底需要由設計單位主導聯(lián)合建設單位和施工單位，通過二維CAD圖紙，在短時間內(nèi)對管廊工程設計成果進行評價分析和制定施工方案； 進入到施工實施階段，現(xiàn)場管理部門需要統(tǒng)籌協(xié)調(diào)施工各個工種的進出場問題，控制好施工現(xiàn)場的質(zhì)量、進度、安全問題，及時協(xié)調(diào)建筑材料的供給問題。分析綜合管廊傳統(tǒng)施工模式，總結(jié)出以下三個方面的不足：

(1)施工信息載體方面：管廊工程的施工全過程都是通過二維CAD圖紙進行信息交流，給建設單位和施工單位帶來了一定的困難，導致一些設計問題很難被發(fā)現(xiàn)，增加了實施階段的施工隱患。

圖2 綜合管廊工程的傳統(tǒng)施工流程

圖3 管廊工程施工階段和設計階段銜接示意圖

(2)施工階段的傳遞方面：在傳統(tǒng)的施工模式當中，施工準備階段、實施階段、竣工驗收階段三者之間呈線性傳遞，沒有信息的逆流途徑，這導致設計交底遺漏的問題會傳遞到施工階段，造成問題發(fā)現(xiàn)滯后、反饋處理滯后的現(xiàn)象。

(3)參建單位協(xié)同方面：從圖2中可以看出，管廊施工實施過程中，設計單位、監(jiān)理單位、建設單位參與性不足，彼此之間也未建立有效的信息溝通渠道，且施工單位內(nèi)部的各個工種之間也是機械的串聯(lián)在一起，缺乏彼此間的協(xié)同工作。

1.3 綜合管廊設計單位與施工單位銜接問題

傳統(tǒng)的建設項目因?qū)I(yè)的分工導致了設計施工的長期分離，整個項目的設計工作由設計單位單獨完成，導致了設計施工組織結(jié)構(gòu)的解體，降低了設計施工之間的融合[7-8]。綜合管廊設計施工銜接即是將綜合管廊由設計概念轉(zhuǎn)化為建筑實體的一個過程。筆者基于設計和施工兩個階段的工作內(nèi)容，將兩者所聯(lián)系的部分，繪制成如圖3所示的管廊工程施工階段和設計階段銜接示意圖，發(fā)現(xiàn)施工圖設計交付是兩者銜接過程唯一的信息載體，且以二維平面CAD圖紙作為信息媒介，設計信息從設計方單向流入施工方。

可以看出這種以設計單位牽頭的設計施工模式，設計信息只在設計→施工過程中單向流動，導致設計階段出現(xiàn)設計缺陷會堆積到施工過程。這種設計缺陷引起的施工不僅影響建設進程，還無形中增加了管廊工程的建設成本。因此總結(jié)傳統(tǒng)的設計施工銜接過程存在以下不足：

(1)設計成果的可施工性：由于在這種設計到施工單向傳遞的信息流轉(zhuǎn)中，設計人員缺乏足夠的工程實際經(jīng)驗，導致設計的可施工性降低，而這些問題只有在施工單位或者在施工過程中才能被發(fā)現(xiàn)，存在非常大的時間延誤性。

(2)設計施工的分離性：設計施工兩個單位僅僅依靠平面二維施工圖紙進行信息傳遞，不能有效的將設計信息完完全全傳遞給施工單位，兩者之間相對割裂。

(3)施工單位相對滯后性：由于施工圖紙的設計全部由設計單位負責，在圖紙設計完成后才遞交給施工單位，施工方需要重頭開始理解設計意圖，不僅浪費了時間而且也可能導致上述(1)(2)問題的出現(xiàn)。

2 基于BIM技術(shù)的管廊設計施工一體化優(yōu)化模式研究

2.1 基于BIM技術(shù)的設計協(xié)同性優(yōu)化模式

工程建筑的協(xié)同設計是指設計單位內(nèi)部各個設計專業(yè)以及相關的設計管理人員放在同一設計平臺(中心文件)進行建筑工程的設計工作，以信息數(shù)據(jù)的實時共享為途徑，以設計高效為目標的一項多專業(yè)協(xié)作性的工作模式，旨在解決設計各專業(yè)關聯(lián)性不足所帶來設計沖突等問題[9]。針對1.1節(jié)中提到的設計協(xié)同等問題，筆者基于BIM技術(shù)對上述問題加以優(yōu)化，通過綜合管廊的BIM中心文件同步各專業(yè)的設計進度信息，各專業(yè)間也可以通過中心文件來調(diào)取所需參照數(shù)據(jù)。打破原有的階段性設計模式和僵化的節(jié)點處各專業(yè)匯總現(xiàn)狀，建立如圖4所示的基于BIM技術(shù)的綜合管廊協(xié)同設計模式。

圖4 基于BIM技術(shù)的綜合管廊協(xié)同設計模式

如圖4所示，基于BIM技術(shù)的綜合管廊設計同設計模式中，管廊設計的三大專業(yè)(建筑、結(jié)構(gòu)、MEP)通過同步和共享的方式，建立與綜合管廊BIM中心文件的數(shù)據(jù)雙向傳遞通道，專業(yè)間也相互鏈接形成專業(yè)間的工作協(xié)同機制，設計管理部門通過調(diào)取綜合管廊BIM中心文件審核設計成果。隨著設計進度的推進，管廊BIM模型也逐漸完善，經(jīng)設計審核部門檢驗合格發(fā)出BIM出圖命令。至此，BIM技術(shù)的綜合管廊設計任務全部完成。

基于 BIM 技術(shù)的綜合管廊協(xié)同設計工作模式相較于傳統(tǒng)設計模式，各專業(yè)基本上是同步開始的，管廊結(jié)構(gòu)專業(yè)和MEP專業(yè)切入的時間相對于管廊的建筑專業(yè)有所前移，管廊設計的三大專業(yè)通過中心文件和相互鏈接機制，實現(xiàn)了設計信息的橫向流動，設計管理部門通過直接檢驗BIM中心文件的方式保證設計信息縱向間的傳遞。這種橫向加縱向的信息流通模式不僅減少了設計環(huán)節(jié)，降低信息傳遞次數(shù)，而且使得專業(yè)間的協(xié)同工作貫穿于設計全過程，設計缺陷和設計漏洞可隨時檢驗，做到了問題的及時發(fā)現(xiàn)、及時反饋和及時處理，很大程度上提高了設計的協(xié)同效率。

2.2 基于BIM技術(shù)的管廊施工協(xié)同性優(yōu)化模式

協(xié)調(diào)施工是指在建設項目施工的全過程，由施工管理部門對施工過程中的信息和數(shù)據(jù)進行實時的采集和處理，并在此基礎上實現(xiàn)與項目各參建單位、施工各個工種之間的信息互通渠道，打破“信息孤島”現(xiàn)象以提高施工管理協(xié)同效率[10]。綜合管廊工程的施工階段是整個建設壽命周期中持續(xù)時間最長、涉及工序最多、參與人員最多的階段，施工階段的好壞直接關系到管廊工程的建設效率、進度、成本和質(zhì)量問題[11-12]。筆者針對1.2節(jié)提出的傳統(tǒng)施工存在的問題，基于BIM技術(shù)將綜合管廊的各參建單位通過BIM建筑信息模型聯(lián)系起來，建立如圖5所示的以BIM模型為核心的管廊施工各專業(yè)之間的信息流轉(zhuǎn)路徑和協(xié)同工作模式。

圖5 基于BIM技術(shù)綜合管廊施工協(xié)同工作模式

如圖5所示，在基于BIM技術(shù)的管廊施工協(xié)同性優(yōu)化模式中，首先由設計單位將設計完成的綜合管廊的BIM模型交付給施工單位，并就該模型組織各參建單位進行設計交底，將設計存在的問題反饋到BIM管廊模型中，修改完善后由施工方在管廊BIM模型的基礎上，建立BIM綜合管廊的施工跟蹤模型，用于實時監(jiān)督管理管廊的實施過程，設計、監(jiān)理、建設等單位可以通過該模型了解施工相關情況，在最后的竣工驗收階段，該模型又可以作為驗收的數(shù)據(jù)模型進行輔助參考。

BIM技術(shù)應用于綜合管廊的施工階段與傳統(tǒng)施工模式相比，BIM模型貫穿于施工的設計交底、施工實施、竣工驗收全過程，整個綜合管廊施工過程各參建單位的參與方式都是以BIM信息模型為依據(jù)進行深度的信息交流和協(xié)同工作。弱化和模糊了施工的階段性，通過綜合管廊的BIM模型實現(xiàn)設計交付、施工實施、竣工驗收三者的有機結(jié)合。在管廊的施工建設管理過程中，施工管理人員可以利用BIM技術(shù)實時跟蹤施工的進度情況，對于可能發(fā)生的參建單位協(xié)同狀況進行預測和提前部署。利用BIM技術(shù)的信息共享性，將建設單位、設計單位、施工單位的內(nèi)部各個分工有效聯(lián)系起來，從而使管廊工程各參建單位更好地了解項目，以達到協(xié)同工作、信息共享目的，更好地為項目的實施提供技術(shù)和信息支持。

2.3 BIM技術(shù)深化設計施工一體化優(yōu)化模式

鑒于傳統(tǒng)的設計施工分離現(xiàn)狀導致的一系列問題，筆者將BIM技術(shù)引入到設計—施工的銜接過程中，利用BIM綜合管廊的信息模型作為設計施工的銜接橋梁，建立如圖6所示的基于BIM技術(shù)的管廊設計—施工銜接模式。與傳統(tǒng)的設計—施工銜接相比，BIM的管廊信息模型加強了施工與設計的信息的雙向傳遞，施工單位通過管廊BIM模型與設計單位實現(xiàn)信息的互通，借助于BIM模型的三維視圖，施工單位更能清楚認識到設計單位的設計理念，實現(xiàn)無縫對接。

圖6 基于BIM技術(shù)的管廊設計—施工銜接模式

如圖6所示，在基于BIM技術(shù)的綜合管廊設計—施工銜接模式中，設計單位將該階段的設計成果交付給施工階段，形成BIM綜合管廊模型。施工階段通過該模型與設計單位建立信息和問題反饋機制，各參建單位將設計模型進行設計交底的審核，對不符合要求的內(nèi)容通過該模型反饋給設計管理部門，實現(xiàn)與設計階段的BIM中心文件的數(shù)據(jù)同步和信息共享。在施工實施過程中，施工單位可根據(jù)管廊施工跟蹤模型將設計的施工性問題反映到設計單位。

基于BIM技術(shù)的設計—施工銜接模式，是通過設計單位的綜合管廊BIM中心文件為媒介實現(xiàn)的，實現(xiàn)了從設計到施工的無縫銜接。管廊設計階段的成果不再單向不可逆地流向施工階段，而是通過管廊的BIM模型實現(xiàn)了設計和施工的深度融合，模糊了設計階段到施工階段的界限，使得施工等參建單位提前介入設計階段，不僅加快了施工等參建部門對設計理念的認識，而且提高了設計的可施工性。

3 案例分析

位于馬鞍山市博望區(qū)的綜合管廊工程，是為了配合博望新區(qū)的建設，提高博望綜合實力規(guī)劃的區(qū)域性的管廊工程，該項目包括遼河路、海河路等路段共計管廊里程24km，總投資約20億元。超長的管廊布局、海量的工程信息、眾多的參建單位是該管廊項目相較于其他建筑工程的獨特之處。采用EPC總承包模式，有利于在制度上保障設計施工一體化的實現(xiàn)。全程應用BIM技術(shù)，有利于設計施工一體化的協(xié)同。

圖7 綜合管廊節(jié)點BIM中心文件

在項目實施過程中，設計單位全程應用BIM技術(shù)建立綜合管廊的建筑、結(jié)構(gòu)、MEP模型。僅在設計初期，各專業(yè)內(nèi)部設計信息以文件鏈接的形式實現(xiàn)了共享，如平面、立面、剖面可以相互調(diào)取信息作為設計過程中的參照和對比。此外，各專業(yè)之間通過中心文件提取信息等方式提前發(fā)現(xiàn)并自行糾正節(jié)點專業(yè)碰撞(管線與建筑打架)、建筑設計不合理(艙室轉(zhuǎn)角過小)、管線排布錯誤(管線避讓方式不合理)等問題共計714處，使問題在形成初期就得到了很好的解決。隨著設計的不斷推進，管廊BIM中心文件也逐漸完善(如圖7所示)，設計審核部門通過對中心文件的實時監(jiān)控和最終審核，使得該管廊節(jié)點的設計返工次數(shù)由之前的10余次降低到現(xiàn)在的1次，設計周期也由過去的7天降低到3天，設計成本同樣得到了較好的控制。

圖8 施工圖深化過程中發(fā)現(xiàn)的門窗過低問題

由于該項目仍舊采用傳統(tǒng)的設計施工相分離的模式(DBB)，施工單位未能在EPC總承包牽頭下借助管廊BIM中心文件的形式參與到綜合管廊模型的深化設計過程中，同樣也未能基于圖6的設計施工銜接模式為設計方提供可施工性建議。導致施工單位在拿到設計單位提供的管廊模型時，需要就其中的難以施工部分向設計方提出相應訴求。如圖8所示，是施工單位在深化施工模型階段中發(fā)現(xiàn)管廊節(jié)點樓梯間門窗高度過低，暴露出設計階段的施工性差的問題依舊存在。與此同時，施工單位還要花額外的時間去理解管廊模型的設計意圖，這個過程勢必會造成設計信息的傳遞不完全，導致施工計劃的錯誤安排，這與設計單位未能完全介入施工過程也有一定聯(lián)系。

在管廊的施工階段，施工單位基于設計單位的管廊模型設計成果，建立了數(shù)字化的管廊施工模型，并通過Navisworks施工模擬技術(shù)對施工作業(yè)現(xiàn)場進行了模擬(如圖9所示)，對土方、混凝土、鋼筋、模板、吊裝、運輸、采購等部門的銜接順序進行了優(yōu)化，從而制定合理的施工方案和施工工藝?；跀?shù)字化施工模型同步跟蹤管廊施工的全過程，將采集的施工信息，以數(shù)字信息的方式匯總到管廊施工模型當中，并通過基于BIM技術(shù)的綜合管廊施工協(xié)同工作模式，共享給建設、設計、監(jiān)理等參建單位，不僅提高了各方的參與度，而且減少了工程變更，縮短了施工工期，降低了工程造價。

在該管廊項目工程中，由EPC項目總承包單位將設計單位的管廊BIM中心文件和施工單位的管廊施工模型整合到一起，盡管未能將三種模型完全融合，但也在一定程度上建立了基于BIM技術(shù)的設計—施工一體化協(xié)同機制的雛形。初步形成了對外匯報溝通、對內(nèi)高效協(xié)同、中間信息匯總的新型格局。實踐證明，這三種優(yōu)化模式及協(xié)同機制的應用對于提高管廊建設管理效率、加快信息互通、降低建設成本等具有一定的實際應用價值。

4 結(jié)論

為解決綜合管廊傳統(tǒng)設計施工長期的分離問題，提高設計—施工一體化效率，通過研究綜合管廊在傳統(tǒng)設計流程和施工管理模式方面存在的問題，將BIM技術(shù)應用到綜合管廊設計施工一體化過程中，建立了基于BIM技術(shù)的綜合管廊設計施工一體化優(yōu)化模式。

(1)建立了設計協(xié)同優(yōu)化模式，可以改變傳統(tǒng)設計流程的僵化局面，實現(xiàn)管廊建筑、結(jié)構(gòu)、MEP專業(yè)的信息共享和工作協(xié)同；

(2)建立了施工協(xié)同優(yōu)化模式，可以模糊施工階段性的邊界，有利于施工不同階段的融合，提高參建單位的工作協(xié)同程度；

(3)建立了設計—施工銜接模式，可以打破設計施工分離現(xiàn)狀，將施工階段的切入時間提前到設計階段，增加設計施工相互參與度，提高設計的可施工性，降低施工的返工失誤率；

(4)設計施工一體化協(xié)同機制整合方面，將基于BIM技術(shù)的綜合管廊協(xié)同設計、協(xié)同施工、設計—施工銜接三種優(yōu)化模式，應用于實際工程案例。實踐證明，上述優(yōu)化模式及協(xié)同機制具有一定的可操作性，對于管廊工程的建設具有一定的借鑒和參考意義。