丁曉欣，蘇旭苒，高靜思，朱 佳

（1.吉林建筑大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118；2.深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料與環(huán)境工程學(xué)院，廣東 深圳 518055）

1 引言

隨著城市的快速發(fā)展，城市建設(shè)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，人們對(duì)水資源的要求越來越高，其產(chǎn)生的生活污水也越來越多。城市供排水管網(wǎng)作為城市的重要基礎(chǔ)設(shè)施，其是否正常運(yùn)行關(guān)系著人們的日常生活是否能夠穩(wěn)定進(jìn)行。管網(wǎng)的任何節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問題，都將影響人們的正常生活，所以供排水管網(wǎng)是城市的“血管”，其建設(shè)和維護(hù)占城市市政工程總投入的7%～10%[1]，可見供排水管網(wǎng)對(duì)于一個(gè)城市的重要性。

BIM具有協(xié)同性、可視化、模擬化等特點(diǎn)[2]，通過對(duì)BIM技術(shù)的合理運(yùn)用可以將項(xiàng)目數(shù)據(jù)進(jìn)行集中整合[3]，用于工程設(shè)計(jì)、施工及后期的運(yùn)維管理。我國(guó)自2003年開始引進(jìn)BIM技術(shù)[4]，主要應(yīng)用于建筑工程領(lǐng)域，在供排水管網(wǎng)中的應(yīng)用較少。

目前國(guó)內(nèi)有不少學(xué)者致力于BIM技術(shù)在市政管網(wǎng)、建筑給排水等方面的應(yīng)用研究，并取得了一定成效，包括市政管網(wǎng)、建筑物給排水等工程的設(shè)計(jì)、施工和兩者銜接階段，還有部分學(xué)者針對(duì)其運(yùn)維管理階段的應(yīng)用進(jìn)行了研究?；诖耍疚膶?duì)BIM技術(shù)在城市供排水管網(wǎng)的應(yīng)用進(jìn)行研究，并提出了存在的問題，為類似工程提供參考。

2 BIM技術(shù)在城市供排水管網(wǎng)的應(yīng)用

BIM技術(shù)在城市供排水管網(wǎng)的應(yīng)用是基于項(xiàng)目信息數(shù)據(jù)性、參數(shù)化的特點(diǎn)[5]，信息模型是對(duì)項(xiàng)目信息數(shù)據(jù)的集中整合，有助于數(shù)據(jù)的整理和各部門的信息傳遞。BIM技術(shù)可以將構(gòu)件的屬性信息、空間位置信息和結(jié)構(gòu)信息通過模型進(jìn)行展示，作為模型的數(shù)據(jù)化表達(dá)，為后期的運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐[6]。將模型屬性信息、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)信息等集成于一體[7]，并將模型信息有效連接數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)工程信息數(shù)據(jù)管理和高質(zhì)量信息交互，為項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維的數(shù)據(jù)管理做保障，BIM技術(shù)在供排水管網(wǎng)工程的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維階段分別有其各自的應(yīng)用情況。

2.1 設(shè)計(jì)階段

BIM技術(shù)在供排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用主要體現(xiàn)在通過BIM的可視性、協(xié)同性來實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能，即優(yōu)化圖紙、碰撞檢查、協(xié)同設(shè)計(jì)。

2.1.1 優(yōu)化圖紙

在現(xiàn)階段的建筑工程設(shè)計(jì)中，供排水的設(shè)計(jì)大多是通過CAD來完成的[8]，此種方式適用于比較簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，對(duì)于一些復(fù)雜的工程來說它的可行性比較低，并且各種參數(shù)信息會(huì)使設(shè)計(jì)工作變得更加復(fù)雜。城市供排水管網(wǎng)工程體量大、空間復(fù)雜，運(yùn)用BIM技術(shù)可以對(duì)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行優(yōu)化[9]，提高設(shè)計(jì)效率，降低失誤。

2.1.2 碰撞檢查

創(chuàng)建模型后，可以在三維視圖中清晰直觀地發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的不合理，避免發(fā)生管道碰撞問題，節(jié)約后續(xù)施工時(shí)間和成本。李慧莉等人[10]對(duì)深圳某管網(wǎng)改造工程采用BIM技術(shù)對(duì)管網(wǎng)建模后進(jìn)行碰撞檢查并分析產(chǎn)生碰撞的原因，歸結(jié)為原則性問題、技術(shù)性問題和細(xì)節(jié)性問題3類，同時(shí)發(fā)現(xiàn)BIM技術(shù)雖然能發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)圖紙中存在的問題，但是缺乏對(duì)問題的分析能力，仍需人力來研究分析，對(duì)于大面積的管網(wǎng)設(shè)計(jì)工程量很大。

2.1.3 協(xié)同設(shè)計(jì)

在工程設(shè)計(jì)工作中，各專業(yè)需要共同完成。以往的設(shè)計(jì)工作各專業(yè)之間缺乏有效的溝通，容易造成工期延誤。BIM中包含了整個(gè)工程信息，管網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)只需要提取需要的數(shù)據(jù)[11]，各個(gè)專業(yè)設(shè)計(jì)人員便可在同一個(gè)模型中協(xié)同工作完成設(shè)計(jì)，使溝通更加高效便捷。

另外，BIM技術(shù)現(xiàn)階段在供排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，大多數(shù)項(xiàng)目還是采用翻模手段，即先設(shè)計(jì)二維圖紙，再通過二維圖紙建立模型，此過程存在一些重復(fù)工作，BIM的價(jià)值沒有完全展現(xiàn)。采用BIM技術(shù)來進(jìn)行正向設(shè)計(jì)，不同專業(yè)利用同一個(gè)平臺(tái)，避免各專業(yè)交接時(shí)的繁瑣過程，提高了設(shè)計(jì)效率[12]。李兵等人[13]對(duì)管網(wǎng)工程進(jìn)行BIM正向設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了BIM技術(shù)在管網(wǎng)工程中正向設(shè)計(jì)的可行性，探索了一套正向設(shè)計(jì)流程，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，并且通過可視化設(shè)計(jì)，避免管線碰撞，可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)行指導(dǎo)。通過分解管網(wǎng)，BIM技術(shù)將復(fù)雜的管道分解成簡(jiǎn)單的單元，可以快速構(gòu)建匹配的管道模型，節(jié)省大量人力操作[14]。

為了提高建模速率，一些學(xué)者還研究了軟件協(xié)同問題：鴻業(yè)軟件可以快速建模，但精度達(dá)不到要求；Revit軟件建模精細(xì)，但工作量較大。李亭等人[15]分析了現(xiàn)階段管網(wǎng)建模軟件的特點(diǎn)，綜合鴻業(yè)和Revit 2款軟件的優(yōu)點(diǎn)，為管網(wǎng)工程的建模工作提供了新的方案，實(shí)踐后證實(shí)通過此方案創(chuàng)建模型減輕了設(shè)計(jì)人員的負(fù)擔(dān)并且模型滿足工程要求。

2.2 施工階段

在施工階段主要通過BIM的可視化、模擬性來實(shí)現(xiàn)施工模擬、成本控制和技術(shù)交底等功能。施工人員可以參考BIM模型的設(shè)計(jì)標(biāo)高等開展施工，避免因?yàn)槭┕と藛T判斷失誤而造成施工效率下降[16]。

2.2.1 施工模擬

地下工程的建設(shè)是不可逆的，當(dāng)建設(shè)完成后再進(jìn)行改造會(huì)非常復(fù)雜，因此施工單位采用BIM技術(shù)來進(jìn)行施工方案模擬，對(duì)多種方案進(jìn)行比對(duì)分析，選出最優(yōu)方案。研究表明在供排水管網(wǎng)施工階段合理利用BIM技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)工程的施工進(jìn)度模擬，統(tǒng)計(jì)工程量，優(yōu)化方案，減少或避免返工。黃文歡[17]研究了將BIM技術(shù)運(yùn)用在管廊的施工過程中，利用BIM的可視化來完成對(duì)管廊施工過程的模擬，將BIM同施工進(jìn)度結(jié)合，實(shí)現(xiàn)進(jìn)度計(jì)劃的動(dòng)態(tài)仿真。

2.2.2 成本控制

在完成管網(wǎng)的碰撞檢查之后，應(yīng)利用BIM技術(shù)對(duì)整個(gè)工程所需要的各種材料及其使用量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)[18]，這是BIM技術(shù)的重要用途之一。施工過程中要及時(shí)結(jié)合施工進(jìn)度對(duì)上述材料及其使用量進(jìn)行科學(xué)分析，確保成本的動(dòng)態(tài)化管理，獲取更加準(zhǔn)確的施工信息，為之后的材料采購(gòu)和領(lǐng)取做好準(zhǔn)備。

2.2.3 技術(shù)交底

傳統(tǒng)的施工技術(shù)交底方法是讓技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)講解或施工人員自行查閱資料來掌握技術(shù)要點(diǎn)。由于個(gè)人的理解和識(shí)圖能力不同，很難保證每位施工人員能正確理解并掌握項(xiàng)目的施工技術(shù)，這種方式存在局限性，并且供排水管網(wǎng)在地下不方便去現(xiàn)場(chǎng)查看，所以在施工技術(shù)交底過程中運(yùn)用BIM技術(shù)[19]，可以將技術(shù)交底的內(nèi)容通過工程模型或是視頻的方式進(jìn)行展示，使施工人員能夠更直觀地了解整體施工流程和其中的重點(diǎn)難點(diǎn)，更為全面準(zhǔn)確地理解施工交底的內(nèi)容，達(dá)到施工指導(dǎo)的目的，從而使施工步驟更為規(guī)范。葉青等人[20]通過綜合管網(wǎng)施工的實(shí)際應(yīng)用表明BIM技術(shù)的應(yīng)用使工程交底更為直觀，便于施工模擬、優(yōu)化施工工序、快速統(tǒng)計(jì)工程量。

為了避免在管網(wǎng)施工過程中發(fā)生潛在事故，需要對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，以防止施工人員受到人身傷害和致命危險(xiǎn)。將BIM監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在施工過程中動(dòng)態(tài)使用，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)可視化，并與施工前的評(píng)估數(shù)據(jù)做對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目數(shù)據(jù)是否有偏差，以便及時(shí)采取相應(yīng)措施[21]。

2.3 運(yùn)行維護(hù)階段

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在整個(gè)建筑工程的生命周期內(nèi)，運(yùn)行維護(hù)階段占比80%。運(yùn)行維護(hù)管理效率低下是運(yùn)行維護(hù)階段造成損失的主要原因[22]，城市供排水管網(wǎng)工程也是如此。

《國(guó)家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃（2014—2020）》要求推進(jìn)智慧城市的發(fā)展，智慧管網(wǎng)是智慧城市的重要內(nèi)容。近些年，管網(wǎng)的改建、擴(kuò)建工程不斷增多，同時(shí)出現(xiàn)了一些急需解決的問題，如管線數(shù)據(jù)不全、數(shù)據(jù)未及時(shí)更新等；因管道設(shè)備未能得到有效監(jiān)測(cè)致使故障應(yīng)急處理不及時(shí)等。BIM技術(shù)為解決以上問題提供了新方向。儲(chǔ)惠等人[23]提出將BIM技術(shù)運(yùn)用到管網(wǎng)的智慧運(yùn)行維護(hù)中，通過對(duì)系統(tǒng)硬件和軟件進(jìn)行升級(jí)，提升了運(yùn)行維護(hù)效果。

BIM技術(shù)在供排水管網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)階段的應(yīng)用主要是通過BIM與GIS、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、AR等技術(shù)融合來構(gòu)建新的運(yùn)行維護(hù)管理平臺(tái)，BIM+各技術(shù)實(shí)現(xiàn)的功能詳見表1。

表1 BIM+各技術(shù)實(shí)現(xiàn)的功能

BIM模型的精細(xì)程度較高，但缺少大范圍的空間數(shù)據(jù)，而GIS支持大范圍的空間數(shù)據(jù)集，卻缺少精細(xì)化管理，由此可見BIM與GIS是互補(bǔ)關(guān)系，所以一些學(xué)者通過研究BIM+GIS來探索管網(wǎng)新的信息管理模式。徐衛(wèi)星等人[24]研究了高校的地下管網(wǎng)管理新模式，BIM技術(shù)與GIS的深度融合可以實(shí)現(xiàn)微觀與宏觀的信息整合和共享，提高對(duì)管網(wǎng)的運(yùn)維管理能力，并證明BIM+GIS同樣適用于高校多維度管網(wǎng)管理。段小妮[25]研究了GIS和BIM 2種技術(shù)的數(shù)據(jù)交互和信息共享，驗(yàn)證了該方法對(duì)地下管網(wǎng)的科學(xué)、高效、安全運(yùn)行具有有效性，有助于水務(wù)行業(yè)的精細(xì)化管理。

物聯(lián)網(wǎng)通過傳感器來采集物體信息，將獲取的信息上傳至互聯(lián)網(wǎng)，對(duì)物體進(jìn)行監(jiān)控和管理。運(yùn)用BIM技術(shù)建立管網(wǎng)的三維模型，基于BIM的管道運(yùn)維管理系統(tǒng)融合物聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)管道流量、壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和閾值警示，快速定位故障。在污水治理方面，利用BIM技術(shù)建立城市管網(wǎng)模型，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)監(jiān)測(cè)水質(zhì)情況，即將BIM技術(shù)同物聯(lián)網(wǎng)融合，可以在模型中快速找到具體污染點(diǎn)，及時(shí)處理污染源，使污水治理得到顯著成效[26]。

將云計(jì)算和多種算法同BIM技術(shù)融合起來對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以降低運(yùn)維成本并且實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。BIM模型存放在云端，支持訪問和操作項(xiàng)目的所有信息。BIM模型是數(shù)據(jù)管理的基礎(chǔ)，但巨大的數(shù)據(jù)體量在平臺(tái)交互時(shí)并不占優(yōu)勢(shì)。管網(wǎng)模型通過輕量化處理后，便于在平臺(tái)間傳輸使用，且可以在Web端進(jìn)行展示。采用BIM技術(shù)對(duì)地下管網(wǎng)進(jìn)行建模，將管網(wǎng)模型輕量化后應(yīng)用在B/S模式，在云端進(jìn)行管網(wǎng)的三維可視化研究，通過HTML等編程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信息集成和模型的Web端瀏覽，并融合到管網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[27]。

AR技術(shù)可以通過程序的計(jì)算將虛擬物體在真實(shí)空間顯示。供排水管網(wǎng)一旦建成，工作人員就很難進(jìn)入，可將AR技術(shù)和BIM技術(shù)互相融合并運(yùn)用到管網(wǎng)運(yùn)維過程。對(duì)BIM模型進(jìn)行投影并進(jìn)行動(dòng)畫演示，確定管道相對(duì)位置，既可減輕工作人員負(fù)擔(dān)，又可提高操作效率。通過BIM+AR技術(shù)在真實(shí)空間中的展示，還可控制工程質(zhì)量，降低溝通指導(dǎo)成本，推動(dòng)智慧管網(wǎng)的建設(shè)進(jìn)程。

3 供排水管網(wǎng)中BIM技術(shù)應(yīng)用存在的問題

BIM技術(shù)在城市供排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維管理階段雖然具有一定優(yōu)勢(shì)，但由于多方原因，在應(yīng)用過程中還存在如下問題。

3.1 BIM正向設(shè)計(jì)應(yīng)用不廣泛

目前BIM技術(shù)在供排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，多數(shù)項(xiàng)目還是采用翻模手段，即先設(shè)計(jì)二維圖紙，再通過二維圖紙建立模型，此過程存在一些重復(fù)工作，BIM的價(jià)值沒有完全展現(xiàn)，主要原因是BIM正向設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不完善、族庫(kù)不完整、國(guó)內(nèi)環(huán)境制約等[28]。

3.2 BIM協(xié)同設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一

進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)時(shí)，信息模型是各專業(yè)交流的基礎(chǔ)，所有角色都將基于此模型開展工作，所以BIM協(xié)同設(shè)計(jì)時(shí)需要按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范來進(jìn)行。雖然國(guó)家和各級(jí)政府根據(jù)行業(yè)自身特點(diǎn)制定了模型的交付標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了模型的廣度和深度，但這些標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，各有特點(diǎn)，不能通用，根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)出的模型難以在項(xiàng)目全過程中應(yīng)用，信息化實(shí)施困難。建模過程中應(yīng)滿足同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，如統(tǒng)一文件及構(gòu)件的命名規(guī)范、構(gòu)件模型的精細(xì)程度等。

3.3 BIM在供排水專業(yè)中的族庫(kù)不完善

族庫(kù)的完善程度決定了BIM技術(shù)能否高效運(yùn)用。現(xiàn)在很多專業(yè)均缺乏完整的BIM族庫(kù)，尤其供排水專業(yè)的族庫(kù)更少。由于缺乏完整、高質(zhì)量的族庫(kù)，一些復(fù)雜的構(gòu)件建立起來比較困難，使得建模效率降低。

3.4 基于BIM技術(shù)的海量數(shù)據(jù)信息管理問題

在供排水工程中，參數(shù)信息數(shù)據(jù)龐雜[29]。隨著不同角色對(duì)BIM模型的不斷完善和日常操作，會(huì)產(chǎn)生大量過程信息，這些信息會(huì)逐年增加，使管理變得復(fù)雜。因過程信息容易丟失，難以追溯，給供排水工程的管理增大了難度。

4 總結(jié)與展望

本文研究了BIM技術(shù)在供排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行維護(hù)階段的應(yīng)用狀況。其在設(shè)計(jì)階段主要實(shí)現(xiàn)了管網(wǎng)碰撞檢查、各專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)，提高了工作效率；在施工階段實(shí)現(xiàn)了施工模擬、成本管理、技術(shù)管理和安全管理的應(yīng)用效果；在運(yùn)行維護(hù)階段，通過與GIS、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、AR等技術(shù)融合來構(gòu)建智慧管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)管網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、閾值警示，及時(shí)進(jìn)行應(yīng)急處理。

根據(jù)現(xiàn)有發(fā)展和所需解決的問題，BIM技術(shù)在城市供排水管網(wǎng)的應(yīng)用研究展望如下。

（1）目前的BIM模型在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行維護(hù)3個(gè)階段大多相對(duì)獨(dú)立，在項(xiàng)目全周期中不能形成一致性表達(dá)，給協(xié)同工作和數(shù)據(jù)管理帶來一定困難。因此，未來應(yīng)重點(diǎn)研究提升BIM模型的信息化管理水平即提升設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行維護(hù)3個(gè)階段數(shù)據(jù)信息的一致性。

（2）不斷豐富和完善供排水專業(yè)的BIM族庫(kù)，探究族庫(kù)的更新管理工作，完善正向設(shè)計(jì)規(guī)范，以推動(dòng)供排水領(lǐng)域的BIM正向設(shè)計(jì)。

（3）目前BIM融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)雖然可以檢測(cè)管網(wǎng)系統(tǒng)中出現(xiàn)的問題，但因缺乏分析能力，得出的結(jié)果仍需人工進(jìn)行研究比對(duì)，因此加強(qiáng)BIM軟件和分析軟件的系統(tǒng)兼容性，也是未來需要研究的重點(diǎn)。