劉曉東 王潔瑜 楊黨鋒 楊文棟

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710065)

0 引言

目前，地下綜合管廊信息化建設(shè)需求日益旺盛，根據(jù)國家提出秉承“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”的發(fā)展理念，以BIM(Building Information Model)技術(shù)為應(yīng)用核心，是促進(jìn)工程技術(shù)升級和轉(zhuǎn)型的重要手段，發(fā)揮其可視化、虛擬化、協(xié)同管理、成本和進(jìn)度控制等優(yōu)勢，將極大地提升工程的管理水平。而應(yīng)對工程質(zhì)量問題，若引入3D打印技術(shù)，可有效克服常規(guī)生產(chǎn)過程中的問題[1]。本文在分析現(xiàn)階段地下綜合管廊工程現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出將BIM技術(shù)和3D打印技術(shù)的融合，打破傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式，促進(jìn)技術(shù)變革。

1 BIM-3D技術(shù)的理論基礎(chǔ)

1)BIM-3D技術(shù)。

BIM-3D技術(shù)，即BIM技術(shù)與3D技術(shù)進(jìn)行融合，設(shè)計方及業(yè)主方能夠根據(jù)自己的想法影響建筑設(shè)計，將BIM-3D技術(shù)用于施工階段，實現(xiàn)動態(tài)可視化的管理過程，使得工程項目的交流更加有效率，有質(zhì)量，并且具有較高的安全性。

2)BIM-3D技術(shù)優(yōu)勢分析及實例引用。

截至目前3D打印技術(shù)已實際應(yīng)用于地下綜合管廊工程建設(shè)過程，如2018年重點工程廈門環(huán)東海域美山路地下綜合管廊工程利用BIM技術(shù)與3D打??；中國二十二冶北京崇建公司研發(fā)的建筑渣土3D打印技術(shù)于2018年推廣至地下綜合管廊領(lǐng)域開展相關(guān)應(yīng)用合作[3,4]；西安寧新區(qū)地下綜合管廊工程依托BIM模型，施工BIM全過程超視管理，充分運用3D打印模型、三維激光掃描等現(xiàn)代管理手段，達(dá)到管廊零失誤、零容忍建設(shè)。 將BIM-3D技術(shù)應(yīng)用于地下綜合管廊工程建設(shè)，能夠推動其工業(yè)化進(jìn)程，實現(xiàn)項目參與各方的信息交流及數(shù)據(jù)共享，結(jié)合云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)，提高人員對工程項目的分析能力及管理能力，從而推動管廊行業(yè)的信息化發(fā)展[3]。

2 BIM-3D融合技術(shù)研究與應(yīng)用

本文借助鴻業(yè)城市綜合管廊軟件、工業(yè)級3D打印機(jī)展開BIM-3D融合技術(shù)在城市地下綜合管廊建設(shè)的應(yīng)用研究，具體包括協(xié)同設(shè)計實現(xiàn)、3D打印過程應(yīng)用兩個方面，其中協(xié)同設(shè)計實現(xiàn)面向?qū)嶋H地下綜合管廊建設(shè)的設(shè)計過程，3D打印面向?qū)嶋H施工過程[4]。

2.1 BIM環(huán)境下的城市綜合管廊協(xié)同設(shè)計實現(xiàn)

以實際項目的管廊井室節(jié)點設(shè)計為例，著重突出BIM技術(shù)在模型建立、設(shè)計沖突檢測及在施工階段應(yīng)用等，且精度為LOD400，具體涉及廊體結(jié)構(gòu)、入廊管線等。廊體結(jié)構(gòu)主要包括廊體結(jié)構(gòu)、通風(fēng)口、逃生口、井室等；入廊管線包括給水、再生水管，熱力管道，電信電纜及通信電纜等4類管線；附屬設(shè)施設(shè)備包括消防系統(tǒng)、排水設(shè)施、通風(fēng)設(shè)施、供配電系統(tǒng)及儀表自控系統(tǒng)。圖1為該管廊工程三種典型節(jié)點設(shè)計，包括管道連接、橋架連接、電氣設(shè)備布置等。管廊結(jié)構(gòu)總體設(shè)計包括通風(fēng)口、井室、排水口等，如圖2所示。

基于BIM協(xié)同設(shè)計流程包括方案設(shè)計過程、初步設(shè)計過程、施工設(shè)計過程，并借助revit中心文件來保持工程的BIM模型設(shè)計進(jìn)度，結(jié)合工程項目需求，著重突出針對以上階段的BIM模型建立，同時完成沖突檢測及處理[5]。

2.2 BIM-3D技術(shù)施工階段應(yīng)用

本文在研究BIM-3D實際輸出模型的研究中，采用工業(yè)級3D打印機(jī)來打印實體模型，同時將BIM模型格式轉(zhuǎn)換STL格式文件，應(yīng)用于地下綜合管廊施工階段，主要包括廊體結(jié)構(gòu)、澆筑的混凝土底板層等，如圖3所示為根據(jù)BIM平臺設(shè)計的模型所打印的等比例縮小實體模型[6,7]。

1)模型切片處理。以STL格式輸出三角網(wǎng)格模型，通過3D打印機(jī)配置的上層軟件對模型進(jìn)行切片處理，形成三維模型的逐層截面。

2)打印過程。3D打印機(jī)通過讀取文件中的橫截面信息進(jìn)行逐層打印。

3 基于BIM-3D融合技術(shù)下的應(yīng)用平臺構(gòu)建

由于BIM-3D融合存在模型格式轉(zhuǎn)換、打印比例等過程化問題，將影響工程實際建設(shè)的效率，為加強(qiáng)工程設(shè)計施工一體化，提高工程建設(shè)質(zhì)量，同時更好地表達(dá)BIM信息化模型與實體之間的關(guān)系，本文提出一種自主研發(fā)的基于BIM-3D融合技術(shù)的應(yīng)用平臺，該平臺支持動態(tài)可視化的模型及施工方案表達(dá)，并且實現(xiàn)對地下綜合管廊工程項目的性能、質(zhì)量、安全、進(jìn)度和成本進(jìn)行動態(tài)可視化的集成管理及綜合管控[8,9]。

3.1 BIM-3D技術(shù)平臺系統(tǒng)架構(gòu)

該平臺主要包括展示層、用戶層、交互層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)層及云端，其中應(yīng)用層以BIM技術(shù)在地下綜合管廊項目全生命周期的管理為基礎(chǔ)，進(jìn)行項目的設(shè)計，并結(jié)合3D打印技術(shù)進(jìn)行施工及后期的運維管理。該平臺的體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1)用戶層。通過終端與服務(wù)器進(jìn)行交互訪問，系統(tǒng)賦予不同身份的用戶相應(yīng)的登錄權(quán)限，如項目設(shè)計方、施工方、運維方、管理部門等。使其在應(yīng)用的權(quán)限范圍內(nèi)對項目進(jìn)行不同層級的查看。

2)應(yīng)用層。該層主要體現(xiàn)設(shè)計、施工、運維的功能應(yīng)用，由數(shù)據(jù)層作為數(shù)據(jù)支撐，結(jié)合BIM軟件進(jìn)行設(shè)計仿真模擬，由用戶層操作反饋對項目各階段進(jìn)行設(shè)計完善。

3)交互層。包括三維空間服務(wù)、虛擬仿真及3D打印及安全管理、權(quán)限認(rèn)證等多應(yīng)用支撐。其中虛擬仿真及3D打印是通過BIM技術(shù)和3D打印技術(shù)的融合，BIM技術(shù)實時把握工程項目的實際進(jìn)展情況，實現(xiàn)動態(tài)可視化管理，并在施工階段通過3D打印技術(shù)來加強(qiáng)施工過程中的安全，產(chǎn)品質(zhì)量及控制項目成本。

4)數(shù)據(jù)層。主要用于負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲，包括地理信息數(shù)據(jù)、地質(zhì)數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)等，同時根據(jù)不同用戶的需求進(jìn)行數(shù)據(jù)的調(diào)用和處理，并將數(shù)據(jù)處理結(jié)果反饋給用戶。

5)基礎(chǔ)設(shè)施層。主要負(fù)責(zé)與外部的數(shù)據(jù)進(jìn)行交換與整合，實現(xiàn)共享；通過云計算的大數(shù)據(jù)處理能力處理項目相關(guān)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行對比分析，完善所應(yīng)用的BIM軟件，以此提高對項目的綜合管理能力。

3.2 基于BIM-3D技術(shù)的協(xié)同管理基礎(chǔ)平臺

集成已有的BIM引擎，形成BIM-3D協(xié)同管理基礎(chǔ)平臺，該平臺是一個貫穿整個管廊工程項目全生命周期的基礎(chǔ)平臺。在設(shè)計階段，BIM可視化管廊工程設(shè)計的理念和三維效果，提高設(shè)計成果會審效率，同時能夠快速計算工程量；在施工階段，結(jié)合3D打印技術(shù)，在模擬施工過程的同時完成實際建造，從而減少施工過程中的反攻，同時節(jié)約了建造成本。

3.3 BIM-3D技術(shù)平臺應(yīng)用詳細(xì)說明

本小節(jié)分別從設(shè)計階段、施工階段、運維階段說明BIM-3D平臺在應(yīng)用層實現(xiàn)的具體功能，如圖5所示為平臺應(yīng)用層框架。

3.3.1設(shè)計階段

在管廊工程設(shè)計階段中，運用BIM的設(shè)計仿真模擬建立可視化的工程模型[9]，地下綜合的BIM三維模型主要包括：管廊結(jié)構(gòu)總體模，電氣設(shè)備建模，管線建模等。主要功能有：

1)將3D工程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為3D可視化模型，便于工程人員及施工階段人員熟悉工程布置；

2)可賦予3D模型材料屬性與邊界條件后，用于工程力學(xué)仿真分析；

3)為施工階段的進(jìn)度仿真及動畫模擬提供實體模型。

3.3.2施工階段

施工階段應(yīng)用BIM-3D打印技術(shù)結(jié)合，打印管廊廊體結(jié)構(gòu)，同時系統(tǒng)結(jié)合進(jìn)度仿真實現(xiàn)基于BIM-3D的施工安全、質(zhì)量、進(jìn)度、成本的控制，主要功能有：

1)可獲取連續(xù)的現(xiàn)場施工信息，并不斷更新到BIM模型；

2)連接施工大型3D打印機(jī)，根據(jù)工程需求打印實體；

3)基于施工現(xiàn)場碰撞檢測，可對設(shè)施與結(jié)構(gòu)進(jìn)行動態(tài)碰撞檢測和分析;

4)通過動態(tài)展示各施工段的實際進(jìn)度，自動計算成本、人力、材料等，并進(jìn)行對比分析;

5)進(jìn)行施工期時變結(jié)構(gòu)與支撐體系任意時間點的力學(xué)分析計算和安全性能評估。

3.3.3運維階段

運維階段將建設(shè)設(shè)施過程中的所需要維護(hù)的管廊工程設(shè)施，包括操作方式等相關(guān)信息均記錄在系統(tǒng)中[10]。主要功能有：

1)計劃性維護(hù)。作業(yè)程序建立了每項維修的工作標(biāo)準(zhǔn)、操作流程，可以實現(xiàn)工作規(guī)范化管理；

2)資源調(diào)配。維修調(diào)度人員可通過資源調(diào)配功能合理安排檢修工作的優(yōu)先級，檢修時間及人力資源；

3)統(tǒng)計分析。支持對設(shè)備進(jìn)行故障分析，通過多個維度對分析結(jié)果進(jìn)行展示，并能夠顯示故障的發(fā)展趨勢。

4 結(jié)語

本文通過對BIM-3D技術(shù)原理與管廊工程實際應(yīng)用的結(jié)合，提出基于BIM的3D打印技術(shù)在管廊工程建設(shè)中的應(yīng)用，主要研究工作和研究成果如下：

1)基于BIM技術(shù)，將3D打印技術(shù)應(yīng)用于管廊工程建設(shè)，使得工程項目實現(xiàn)透明可視化的全生命周期的管理，同時實現(xiàn)施工階段的工業(yè)化生產(chǎn)，發(fā)揮3D打印技術(shù)優(yōu)勢，保證項目高質(zhì)量高標(biāo)準(zhǔn)低成本的實施。通過實際應(yīng)用舉例，BIM-3D技術(shù)對于傳統(tǒng)的管廊工程施工轉(zhuǎn)型發(fā)展具有潛在的價值。2)提出構(gòu)建適用于管廊工程的BIM-3D應(yīng)用平臺，本文從展示層、用戶層、交互層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)層、云端對平臺框架進(jìn)行介紹，主要將BIM-3D技術(shù)應(yīng)用于應(yīng)用層，并對該層做了相應(yīng)的功能說明。