湛浩森

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510000；廣州京穗勘察設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

市政道路給排水系統(tǒng)極為復(fù)雜，設(shè)計(jì)難度也相對更高。因此，在市政道路給排水的設(shè)計(jì)中引入BIM 技術(shù)，可以極大提高工程項(xiàng)目的呈現(xiàn)效果，提高施工管理效率。應(yīng)用BIM 技術(shù)設(shè)計(jì)市政道路給排水系統(tǒng)，BIM小組參與項(xiàng)目決策及項(xiàng)目管理工作，可以為施工組織方案提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持，而且能夠在方案設(shè)計(jì)階段、初步設(shè)計(jì)階段、施工圖設(shè)計(jì)階段體現(xiàn)出較強(qiáng)的實(shí)踐性和參考價值。

1 BIM 技術(shù)在市政道路給排水項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用

方案確定階段并不需要直接設(shè)計(jì)出完整的市政道路給排水線路，而是需要把給排水管線走勢需求和外部環(huán)境呈現(xiàn)出來，以便設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和政府部門協(xié)同商議后續(xù)設(shè)計(jì)方案的可行性。所以，在方案階段僅為設(shè)計(jì)框架，后續(xù)填充細(xì)節(jié)內(nèi)容即可。

1.1 BIM+GIS實(shí)景模型

方案設(shè)計(jì)階段可以利用BIM+GIS 實(shí)景模型的方案來呈現(xiàn)設(shè)計(jì)理念。設(shè)計(jì)初期，需要對施工場地進(jìn)行實(shí)景再現(xiàn)[1]。為了更好地呈現(xiàn)施工場景，應(yīng)采用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)構(gòu)建周邊環(huán)境模型，并利用BIM 模型與實(shí)景模型的充分結(jié)合，最終直觀反映出市政道路給排水線路的概況，進(jìn)而為設(shè)計(jì)階段的空間關(guān)系和環(huán)境結(jié)構(gòu)指明方向。

1.2 模擬多種復(fù)雜工況并渲染效果

方案設(shè)計(jì)階段可以通過模擬渲染多工況流程環(huán)境來呈現(xiàn)設(shè)計(jì)理念。創(chuàng)建完成方案階段的BIM 模型后，可以導(dǎo)入 Artlantis、VectorWorks、SketchUp 等三維渲染軟件中，從而為設(shè)計(jì)師呈現(xiàn)多角度效果圖，全方位展示市政道路給排水線路的動畫效果。同時，利用BIM 軟件還可以構(gòu)建模擬多種復(fù)雜工況工藝流程，為項(xiàng)目經(jīng)理和設(shè)計(jì)師提供相互溝通的平臺，有利于加強(qiáng)設(shè)計(jì)師與項(xiàng)目負(fù)責(zé)人對市政道路給排水設(shè)計(jì)方案的溝通。

2 BIM 技術(shù)在市政道路給排水初步設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用

2.1 給排水線路總圖設(shè)計(jì)

總圖是指導(dǎo)各參建單位共同完成施工項(xiàng)目的宏觀方案，在初步設(shè)計(jì)中BIM 技術(shù)可以架構(gòu)出相對更為完整的工程結(jié)構(gòu)。在市政道路給排水線路總體方案中應(yīng)用BIM 技術(shù)，主要是通過Civil3D 軟件創(chuàng)建給排水線路的地形曲面圖，并對總體施工方案的土方量進(jìn)行計(jì)算[2]。同時可以將設(shè)計(jì)模型實(shí)體化，而后再導(dǎo)入到Revit 中賦予材質(zhì)界面效果，最后與市政道路給排水線路的相關(guān)建構(gòu)筑物整合在一起，便可以呈現(xiàn)出完整的工程結(jié)構(gòu)。

2.2 建筑物參數(shù)化設(shè)計(jì)

在市政道路給排水設(shè)計(jì)中，除了要設(shè)計(jì)出管線方位走勢，還要對相關(guān)建筑物進(jìn)行總體規(guī)劃，需要應(yīng)用BIM 軟件對相關(guān)建筑物進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。比如，化糞池、加壓泵站、砂濾池，混合絮凝沉淀池、加氯間、反沖洗泵房、鼓風(fēng)機(jī)房、深度處理加工間等等。這些建筑物空間位置和占地面積等詳細(xì)的數(shù)據(jù)資料，均需要通過BIM 軟件進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)師可以通過Grasshopper和Dynamo 等參數(shù)化矢量圖編程軟件，對建筑物的各種空間數(shù)據(jù)進(jìn)行核算，并最終呈現(xiàn)出標(biāo)準(zhǔn)化水池構(gòu)筑物的模型圖，如圖1所示。

圖1 排水管線與化糞池的模型圖

2.3 非標(biāo)構(gòu)件參數(shù)化設(shè)計(jì)

在市政道路給排水設(shè)計(jì)中，由于地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜且工程量巨大，出現(xiàn)了部分非標(biāo)構(gòu)件，少數(shù)構(gòu)建需按照工程需求來自主設(shè)計(jì)[3]。比如，非標(biāo)管件、非標(biāo)閥門、非標(biāo)卡扣等均可以利用BIM 軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)師可以對非標(biāo)構(gòu)件的外形進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，而后與生產(chǎn)廠家對接，并對非標(biāo)構(gòu)件的具體參數(shù)和加工要求進(jìn)行協(xié)商，而后通過 Pro/Engineer、UGNX、CATIA 和 Para Cloud 等參數(shù)化軟件確定構(gòu)件各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，最終再手動擬合非標(biāo)構(gòu)件與管道線路的匹配情況。

3 施工圖設(shè)計(jì)階段的BIM應(yīng)用規(guī)律

3.1 設(shè)計(jì)全過程協(xié)同方案

市政道路給排水項(xiàng)目在施工階段往往存在參建單位較多且施工環(huán)境復(fù)雜的問題，各部門之間的信息溝通效率也相對較低。而借助BIM 設(shè)計(jì)全周期施工方案，能夠促進(jìn)各施工單位的協(xié)同作業(yè)效率。BIM 模擬平臺可以基于一個可靠的信息源快速進(jìn)行模型信息提取，在平臺上具體執(zhí)行命令都可以準(zhǔn)確地連接到項(xiàng)目BIM模型上。

設(shè)計(jì)師可以根據(jù)市政道路給排水項(xiàng)目BIM 模型信息來制定項(xiàng)目進(jìn)度計(jì)劃，為所有參建單位提供具體的執(zhí)行方案，并將施工計(jì)劃分發(fā)給參建單位，從而確保每一步分項(xiàng)工程都能夠順利開展，最大限度提高現(xiàn)場施工效率和協(xié)同作業(yè)能力[4]。應(yīng)用BIM 技術(shù)設(shè)計(jì)全流程施工計(jì)劃，需保證各專業(yè)間協(xié)同效率以及最終的出圖效果。通過在BIM 設(shè)計(jì)過程中不斷調(diào)整設(shè)計(jì)流程，最終形成可操作性最佳的施工組織方案，并將詳細(xì)流程設(shè)計(jì)為可視化動態(tài)展示。進(jìn)而幫助參建單位理解施工內(nèi)容和具體細(xì)節(jié)，并為推進(jìn)市政道路給排水項(xiàng)目提供可靠的參考方案。

3.2 各階段場控規(guī)劃和技術(shù)交底

施工之前必須對場地布置進(jìn)行詳細(xì)規(guī)劃，否則在施工階段則可能直接影響施工場地的正常開工秩序。尤其市政道路給排水項(xiàng)目的施工場地往往處于城市繁華街道，不合理的施工場地規(guī)劃，將導(dǎo)致施工組織混亂且造成環(huán)境污染。應(yīng)用BIM技術(shù)建立場控模型，主要是通過三維可視化下模擬施工布置，安排所有分段工程的施工周期，避免對施工場地周圍環(huán)境造成影響。通過BIM 場控模型合理規(guī)劃施工場地、提前設(shè)置施工圍擋、合理規(guī)劃材料進(jìn)場時間和順序、減少材料二次搬運(yùn)，進(jìn)而優(yōu)化施工部署，達(dá)到更為理想的施工組織環(huán)境。

技術(shù)交底是所有施工項(xiàng)目中最為重要的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，由于各參建單位的施工組織方案不同，且可能存在對總設(shè)計(jì)圖的理解偏差，所以技術(shù)交底工作也是極為重要的工程質(zhì)量安全先決條件。設(shè)計(jì)師可以利用BIM軟件設(shè)計(jì)三維可視化施工技術(shù)交底方案，從而增強(qiáng)施工組織方案的直觀性。同時應(yīng)用BIM 技術(shù)導(dǎo)出施工橫道圖和施工方案計(jì)算書，便于各參建單位核對施工數(shù)據(jù)。施工單位獲得BIM 流程圖，施工班組會獲得三維可視化的施工技術(shù)交底結(jié)果，才有利于提高市政道路給排水項(xiàng)目施工質(zhì)量。除此之外，在技術(shù)含量較低的工作中，還可以結(jié)合BIM 軟件功能，來加強(qiáng)針對施工單位的監(jiān)管，如：集中監(jiān)控、隱蔽工程查看、巡檢管理、設(shè)備管理與查詢、水質(zhì)監(jiān)測和應(yīng)急預(yù)案等，進(jìn)而改善技術(shù)交底工作中的可視化條件并提高施工管理質(zhì)量。

3.3 設(shè)計(jì)關(guān)鍵部位標(biāo)注信息和虛擬呈現(xiàn)

市政道路給排水項(xiàng)目施工復(fù)雜度相對較高，尤其在部分關(guān)鍵部位，施工組織規(guī)劃中必須加強(qiáng)針對性的設(shè)計(jì)內(nèi)容呈現(xiàn)，必須在施工圖紙上標(biāo)注出關(guān)鍵信息來引導(dǎo)施工操作，以防出現(xiàn)大范圍偏差。BIM 模型可與施工圖紙集成，在保證市政道路給排水項(xiàng)目模型可視化瀏覽的基礎(chǔ)上，為重要施工環(huán)節(jié)添加構(gòu)件屬性信息，如管道的平面位置、管道直徑、長度、坡度，檢查井位置、編號，水流方向等重要信息[2]。從而方便施工單位查看并測量實(shí)際施工尺寸，同時還可以在施工圖紙中注釋文字，解釋施工環(huán)節(jié)中的主要注意事項(xiàng)，進(jìn)而確保市政道路給排水項(xiàng)目施工中可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)尺寸。

在市政道路給排水項(xiàng)目的施工階段，設(shè)計(jì)圖呈現(xiàn)效果最為理想的是“BIM+VR”沉浸式空間展示?；贐IM VR 的新型技術(shù)，主要是利用VR 終端設(shè)備來觀看BIM 的空間模型，增強(qiáng)市政道路給排水項(xiàng)目的外在展示效果。施工階段參建單位可以利用BIM VR 觀察圖紙中不易理解的施工內(nèi)容，可直接選擇與讀取源BIM模型中構(gòu)件的屬性，如尺寸、材質(zhì)、功能、wbs 劃分等原始BIM 信息。關(guān)鍵是VR眼鏡中模仿了現(xiàn)實(shí)環(huán)境，可以更好地呈現(xiàn)施工構(gòu)件、間距測量數(shù)據(jù)、或者是調(diào)整構(gòu)件的布局等操作。諸如，利用VR設(shè)備讀取BIM 模型中構(gòu)件的凈高數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀分析，或者是讀取BIM 模型中風(fēng)管的各項(xiàng)尺寸信息等等。設(shè)計(jì)師可以在Enscape、Fuzor、Twinmotion 等第三方平臺上運(yùn)用 ARCHICAD 內(nèi)置建模功能模塊，無需中間格式傳遞的情況下直接加載場景渲染即可，而后在場景效果編輯器中對部分細(xì)節(jié)內(nèi)容進(jìn)行整理。然后可一鍵啟動VR體驗(yàn)系統(tǒng)，利用HTCVIVE 及 Oculus 等主流 VR 設(shè)備輸出 BIM 源數(shù)據(jù)的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，最終可通過BIM 模型導(dǎo)出到VR，呈現(xiàn)可視化的互動體驗(yàn)效果，讓項(xiàng)目各參與方身臨其境的感受項(xiàng)目建成后的實(shí)際情況，從而提高施工單位對設(shè)計(jì)圖紙的理解力。

4 BIM技術(shù)在市政道路給排水設(shè)計(jì)應(yīng)用案例

4.1 項(xiàng)目概況

承德縣縣城給排水建設(shè)項(xiàng)目，承德縣下板城鎮(zhèn)金牛街、南環(huán)路、康寧路、富城路、帝賢家園小區(qū)排水出口、迎賓路、珠源北路、干溝河等道路。規(guī)模：分別在金牛街、南環(huán)路、康寧路、富城路、帝賢家園小區(qū)排水出口、迎賓路、珠源北路、干溝河等道路的排水管末端設(shè)置智能分流井共計(jì)10 座，新增智能分流井與原雨水管道的連接管、新增截污管道320m，新建壓力排水管線220m，在易澇積水點(diǎn)周邊增設(shè)雨水口20 座；新增雨水收水管400m，破除瀝青路面及恢復(fù)路面面積1818m2，建立智慧運(yùn)維系統(tǒng)一套，增設(shè)智能化終端自控系統(tǒng)，同步實(shí)施施工導(dǎo)水，截流等工程，估算額915.5萬元。

4.2 承德縣縣城給排水建設(shè)項(xiàng)目BIM設(shè)計(jì)流程

（1）依據(jù)項(xiàng)目地點(diǎn)對市政道路給排水線路規(guī)劃的具體功能要求，創(chuàng)建縱斷面圖和橫斷面圖。設(shè)計(jì)師可以在任意點(diǎn)創(chuàng)建縱斷面圖和橫斷面圖。通過動態(tài)橫斷面實(shí)時觀察后續(xù)設(shè)計(jì)內(nèi)容的更新情況，查看地面變化以反映設(shè)計(jì)編輯，包括地表特征、管道組件、以及管道布線位置可能存在的障礙物，對于重點(diǎn)內(nèi)容可以提前標(biāo)記并注釋。

（2）可以參考GIS 地理空間位置信息來確定項(xiàng)目空間規(guī)劃是否合理。設(shè)計(jì)師可以提前將數(shù)百個坐標(biāo)系中標(biāo)注的地理空間信息集成到初始設(shè)計(jì)中，也可以通過OGC Web Map Server數(shù)據(jù)庫存儲部分重要信息，通過對比地理空間信息來鎖定項(xiàng)目位置和管道鋪設(shè)距離，尤其對易澇積水點(diǎn)、新增管道位置、以及連接管屬性或材質(zhì)等重要信息提前標(biāo)記，避免后續(xù)設(shè)計(jì)中遺漏。

（3）需結(jié)合城市空間環(huán)境來逐步完善管道路線設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)師可以提前到建設(shè)項(xiàng)目位置進(jìn)行地理信息采集，利用BIM 軟件整理勘測數(shù)據(jù)、實(shí)景圖像、點(diǎn)云數(shù)據(jù)、三維實(shí)景模型等關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息，并將這些數(shù)據(jù)信息集成到施工模型中。且必須對施工模型中的管道路線規(guī)劃進(jìn)行重點(diǎn)標(biāo)記，集成地理空間信息，確保模型的精確地理空間定位，然而卻不能直接顯示出最容易產(chǎn)生積水的路段。所以，為了確保該排水建設(shè)項(xiàng)目能夠達(dá)到預(yù)期排水量的標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)結(jié)合城市空間環(huán)境的整體特征，選定積水路面最為嚴(yán)重的施工段，以此增強(qiáng)施工設(shè)計(jì)方案的針對性。

（4）設(shè)計(jì)師需要對整個雨水和污水管網(wǎng)進(jìn)行建模。設(shè)計(jì)模型可以先將建設(shè)項(xiàng)目的地理環(huán)境信息整理出來，重點(diǎn)描述周邊環(huán)境的建筑物結(jié)構(gòu)特征。而后創(chuàng)建、操縱、設(shè)計(jì)、分析建設(shè)項(xiàng)目的雨水和污水管網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行效率。操縱平面圖或剖面圖視圖中的管網(wǎng)，顯示排放系統(tǒng)模型，同時觀察與其他公用設(shè)施的配置合理性（見圖2）。土石方建模可以使用3D 模擬挖填土石方模型，利用數(shù)字孿生模型來精準(zhǔn)核算土方量，并通過OpenRoads Designer等建模工具來細(xì)化土石方量工作流，實(shí)現(xiàn)給排水工程施工效率最大化，并同時節(jié)約施工成本。

圖2 地下綜合管線碰撞圖

（5）設(shè)計(jì)師可依據(jù)BIM 工作流導(dǎo)出設(shè)計(jì)圖的數(shù)字化交付成果，如IFC 格式文件。同時可以利用Asset Manager 組件功能進(jìn)一步完善對市政道路給排水設(shè)計(jì)方案的數(shù)據(jù)化呈現(xiàn)效果。在出圖階段，需要完善對工程量和施工時間的具體規(guī)劃，這樣可以確保深入了解整體項(xiàng)目績效，以獲得各種分析的最優(yōu)設(shè)計(jì)結(jié)果，如對排放系統(tǒng)、地形、安全性、坡度、現(xiàn)場可見性、滑水等方面的可視化分析。

5 結(jié)束語

綜上所述，BIM 技術(shù)在市政道路給排水項(xiàng)目早期方案階段的應(yīng)用形式，主要是通過BIM+GIS 實(shí)景模型，以及模擬多種復(fù)雜工況并渲染效果，為施工組織單位呈現(xiàn)工程規(guī)劃內(nèi)容；在初步設(shè)計(jì)階段中的應(yīng)用形式，主要是對給排水線路總圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，而后對建筑物進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，對非標(biāo)構(gòu)件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)；在具體應(yīng)用環(huán)節(jié)中，應(yīng)設(shè)計(jì)全過程協(xié)同方案，完成各階段場控規(guī)劃和技術(shù)交底，同時設(shè)計(jì)關(guān)鍵部位標(biāo)注信息和虛擬呈現(xiàn)。在承德縣縣城給排水建設(shè)項(xiàng)目中，應(yīng)用BIM 技術(shù)極大地提高了工程項(xiàng)目的呈現(xiàn)效果，對施工組織方案具有重要的參考價值，最大程度上提高了施工管理效率。