文章来源：地下管线管理

    基于数据驱动的地下管线及构筑物BIM建模技术研究与实践

    胡绕，吴锋

    （上海岩土工程勘察设计研究院有限公司）

    摘要：本文对基于物探成果数据驱动的地下管线及构筑物一体化BIM建模技术进行相关研究。通过对地下管线及构筑物物探成果数据进行分析，制定了相应的建模数据规则；基于上述数据规则，设计并创建了一整套带参数的地下管线附属物及构筑物结构的标准化族库，可实现对族的大小、方向及空间位置的调整控制；基于AutodeskRevit平台，开发了一套完整的地下管线和构筑物BIM建模软件，集成了基于物探成果数据驱动的地下管线及构筑物三维模型精细化快速建模、三维动态显示、地下管线及构筑物与拟施工结构的碰撞检测等功能；形成了标准化的建模流程，并在实际工程中进行了示范应用，取得了较好效果，实现了从前期物探、设计到施工的全流程管控，可有效指导工程设计与施工。

    关键词：地下管线；地下构筑物；BIM技术；三维建模；数据驱动

    一、引言

    城市地下管网是城市社会经济活动的动脉，随着城市化进程的加快推进，作为城市基础设施重要组成部分的地下管线系统也越来越复杂，地下管线的信息化建设已成为城市管理的一项重点工作；而地下设施除了地下管线外，还广泛存在着各类地下构筑物。目前，传统的地下管线及构筑物探查成果通常以二维CAD图纸展示，图中管线及构筑物主要以点、线配合解释文字的方式呈现，据此仅能显示地下管线及附属设施、构筑物的平面位置，对于管线及构筑物在三维空间是否存在碰撞无法进行检查，且由于二维图纸所携带的对象属性有限，属性信息与管线、构筑物间关联度较差。由于工程建设过程中，地下管线及构筑物的迁改、保护及避让是一项基于前期物探成果的多专业参与的系统工程，目前物探、设计、施工及管理单位之间通过二维CAD图纸沟通的效率较低，无法实现全局分析，且经常出现成果的误读，影响后续工程实施，因此迫切需要引进更为先进的三维建模和协同管理技术。

    BIM技术在数据模型的建立、属性数据的管理、三维可视化表达以及协同作业等方面具有明显的优势，可以更好地解决地下管线及构筑物信息模型应用的实际问题，若地下管线及构筑物的探查成果以BIM形式进行展示，可真实地显示地下管线及构筑物的三维空间分布，视觉效果直观，便于进行三维空间碰撞检查和全局分析。

    目前BIM技术在地上建筑及可见设施的建模中应用已十分广泛，且有一套较为完整的建模数据规则及技术标准；而BIM技术在既有地下管线及构筑物建模方面的应用研究相对较少，尚处于起步阶段，主要集中于地下综合管廊系统平台、地下建构筑物、地下管线设计与管理等地下建模研究方面的尝试（吴锋和胡绕，2016；杨晓东等，2017；李敏和刘莉，2017；高峰等，2017；王慧琛等，2013；朱栩莹等，2016；马智亮等，2016），建模数据规则及技术标准尚为空白。本文基于BIM技术在既有地下管线及构筑物建模中的实际应用需求，通过对地下管线及构筑物探查成果数据特征进行分析，建立标准化的数据规则及技术标准，设计并创建相应的附属物及结构族库，研究地下管线及构筑物建模方法，形成了一套基于物探数据驱动的地下管线及构筑物一体化BIM建模流程，实现了地下管线及构筑物信息模型的自动化、规范化和标准化。

    二、地下管线及构筑物建模数据规则及技术标准的建立

    通过对地下管线及构筑物探查成果数据分析，制定了相应的数规则，主要包括信息分类与编码、地下管线属性规则、地下构筑物规则、模型创建等部分。

    信息分类与编码采用层次码结构，由4层、10位阿拉伯数字组成，代码结构如图1所示。

    图1地下管线及构筑物信息模型的代码结构示意图

    注：第一层为“地下管线及构筑物信息模型主代码”，用于地下管线及构筑物信息的代码均为“02”；

    第二层为“地下管线及构筑物模型分类代码”，具体分类见表1；

    第三层为“模型对象代码”，表示某一地下管线及构筑物的具体类型；

    第四层为“地下管线及构筑物构件编号或补位代码”，表示某一类型地下管线及构筑物的构件编号，如地下管线及构筑物无独立构件，则该层为补位代码。

    表1地下管线及构筑物信息分类代码表

    地下管线属性主要包括几何信息和非几何信息，其中地下管线几何信息包括管线形状、截面尺寸、连接逻辑关系、管点坐标等信息；非几何属性包括管线种类、数据来源、管点信息、权属单位、施工方式、技术参数、载体特征、材质信息以及建设年月等信息。地下构筑物属性主要包括几何信息和非几何信息，其中地下构筑物的几何信息包括基本几何信息、特征点坐标和特征点类别信息；地下构筑物的非几何信息包括构筑物类型、数据来源、材质和建设年月等信息。

    地下管线及构筑物信息模型采用BIM建模软件完成创建，可具备三维可视化、编辑、统计等功能，包含完整的属性信息，并能够与其他专业BIM模型、分析计算软件实现数据交换。地下管线信息模型创建对象的范围通常包括地下电力管线、通信管线、给水管线、排水管线、燃气管线等以及相应附属物的模型；地下构筑物信息模型的范围包括建构筑物基础、地下室、隧道、人行通道等模型。

    三、整套带参数标准族库的设计与创建

    BIM建模中的族是通过一系列参数定义的三维构件，参数保存了数字化构件的所有信息。参数化族允许用户自定义或修改任意参数，并且修改信息可即时体现在族构件模型上。任一视图上发生的所有变更都能参数化地、双向地传播到所有视图，以保证所有图样的一致性，无须逐一对所有视图进行更改，从而提高了建模效率和建模质量，保证了模型的标准化。

    族的信息化体现在其所携带的信息上，管线及构筑物信息模型区别于普通的三维模型，信息模型除了数据可视化之外，还需根据实际需求及发展模式来进行数据信息的展示和管理，因此，在制作族时，需要针对某个特定族相应的使用内容，在制作过程中输入相应的信息，并利用参数驱动族，以便在以后的建模过程中真正实现自动化、参数化建模。

    根据上述地下管线及构筑物建模数据规则和建模对象的实际形状，设计并创建了全套管线附属物、连接件及构筑物结构件的标准族库，它们的长、宽、高及方向受控于所创建的参数，可根据实际情况而改变，表2为其中地下管线的附属物分类表，主要按照给水、排水、燃气、热力、工业、电力、通讯等管线类型进行划分。图2为创建的部分地下管线附属物及构筑物结构件族，它们的尺寸、方向、埋深等可以根据实际需要进行调整，实现地下管线及构筑物一体化的精细化、快速建模。图3为其中地下管线附属物——窨井族的参数设置窗口，可根据参数控制附属物的大小、方向及埋深等。

    表2地下管线附属物分类表

    图2典型地下管线附属物及构筑物结构件族

    图3地下管线窨井附属物族参数设置窗口

    四、地下管线及构筑物BIM建模软件的开发

    基于AutodeskRevit平台，开发了一套完整的地下管线和构筑物建模软件，其主要包含三层构架，分别为数据层、逻辑层及应用层：数据层涵盖数据导入功能，使得地下管线和构筑物的探查成果数据能够顺利导入软件；逻辑层集成了基于数据驱动的地下管线及构筑物精细化快速建模、三维动态显示、三维模型交互、信息查询与分析、地下管线与拟施工结构的碰撞检测、数据库分析等功能，据此可实现地下管线及构筑物模型的快速创建；应用层可使本建模软件与外部第三方软件及系统进行交互和对接（图4）。

    本软件功能主要分为四大模块，分别为管线及构筑物创建、管线及构筑物检查、管线及构筑物编辑和修改、管线和构筑物数据库管理等功能。其中管线及构筑物创建主要是通过对项目信息、带参数的标准族库加载、物探数据加载等信息进行设置，以实现管线及构筑物数据的快速建模。管线及构筑物检查主要是对已创建模型进行三维空间的碰撞检测与检查，以确定管线及构筑物的空间位置、逻辑连接关系的正确性。管线及构筑物编辑和修改主要是对存在碰撞的管线及构筑物、与实际情况不符的管线与构筑物、以及相关属性信息进行编辑或修改。管线及构筑物数据库管理主要是对数据、格式及整体信息等进行管理操作。

    图4地下管线及构筑物BIM建模软件构架

    五、标准化的建模工作流程

    地下管线及构筑物BIM建模可采用上述开发的建模软件实现地下三维管线及构筑物模型的自动化创建，实现了从物探数据到三维BIM模型的快捷无缝转换，相对于传统手工建模而言，建模效率提升了数十倍，建模精度与标准化程度大大提高。标准化的建模流程主要包括以下步骤（图5）：

    （1）整理、调整地下管线和构筑物数据为标准格式（坐标、连接管线、附属物等信息）。

    （2）设置地下管线和构筑物数据的属性信息（几何信息和非几何信息）。

    （3）通过地下管线和构筑物建模软件自动创建地下管线和构筑物BIM模型。

    （4）人机交互三维碰撞检测、分析，查明存在碰撞的原因，指导现场复核。

    （5）对所创建模型进行再次检查及编辑，使之能够真实显示地下管线和构筑物的空间分布。

    （6）数据管理分析及入库。

    图5地下管线及构筑物建模工作流程图

    六、实际应用

    （一）工程概况

    在轨道交通建设中，车站施工影响范围的原有地下市政综合管线迁改是一项系统性工作，影响面广，流程复杂，涉及到前期地下管线物探、搬迁范围确定、迁改费用统计预算、迁改方案设计等多个环节，加之地下管线种类繁多、分布错综复杂、权属单位各异，涉及到物探、设计、施工、管线权属等多家单位，管线迁改工作量大、难度高、周期长。

    在上海某地铁车站建设过程中为了实现管线迁改从前期物探、设计到施工的全过程BIM管理，我们利用开发的BIM建模软件对车站施工影响范围内探明的各类地下管线、构筑物、建筑物基础及拟建车站结构进行三维建模，为管线迁改设计与施工提供三维空间碰撞检测指导，有效保证了管线迁改的安全及搬迁效率。该地铁车站位于两条城市主干道路交叉口，站体为地下两层结构。车站施工影响范围内各类管线纵横交错，空间排布复杂，车站建设过程中需迁改的管线量大，涉及各类管线总长度近4km，包括电力、通信、给水、燃气及排水等多种管线。

    （二）地下管线模型的创建

    表3为该车站施工影响范围内探明的地下管线成果表。借助自主开发的地下管线及构筑物建模软件，批量导入管线探测成果数据，加载创建的管线附属物标准族库，自动创建了地下管线的三维精细模型（图6）。图6（a）为地下管线BIM模型整体分布图，图6（b）为地下管线BIM模型局部分布图。管线模型创建完成之后，进行三维空间碰撞检测分析，输出碰撞点表，判断发生碰撞的原因，根据实际情况进行人工干涉或者现场复测，使得管线模型能够真实地反应地下管线的分布情况。

    表3地下管线探测成果表

    图6地下管线BIM模型

    （三）构筑物模型的创建

    根据物探探查成果数据，对车站施工影响范围内的房物基础、桥梁基础等借助自主开发的地下管线及构筑物建模软件，自动创建了房屋基础、桥梁基础等地下构筑物的三维精细模型（图7）。

    图7构筑物模型

    （四）地面场景模型的创建

    根据测绘的地形图及相关图纸资料，对地面绿化、建筑物、道路及其他附属设施模型进行同步创建，建立了地面场景的BIM模型（图8）。

    图8地面场景的BIM模型

    （五）拟建地铁站体模型的创建

    根据该地铁车站主体及附属结构的设计图纸，结合创建的带参数的标准化族，比如安监、售票机、轨道等，与地面场景、地下管线及构筑物同步创建，建立了地铁车站的BIM模型（图9）。

    在该地铁车站工程中，基于地下管线及构筑物物探数据，借助BIM建模软件创建了拟建地铁车站周边地面场景BIM模型、站体BIM模型、地下管线BIM模型及构筑物BIM模型，实现地上场景与地铁站体、地下管线及构筑物的一体化建模，直观展现了几者的空间相互关系，为相关的管线迁改设计、施工及后期数据维护提供更为真实的三维视图(图10)，有效保证了地铁车站建设过程中管线迁改工作的安全、高效实施。

    图9地铁站体BIM模型

    图10地上场景、地铁站体、地下管线及构筑物一体化模型

    七结论

    通过对地下管线及构筑物BIM建模数据规则及技术标准的研究，设计并创建了成套带参数的标准化族库，研究了地下管线及构筑物建模方法，并自主开发了与之对应的建模软件，形成了一套基于物探数据驱动的地下管线及构筑物一体化BIM建模流程，实现了地下管线及构筑物信息模型创建的自动化、规范化、标准化。通过建立地下管线及地下构筑物的一体化三维信息模型，可直观展示几者的空间相互关系，为设计、施工及管理提供更为真实的三维视图，将传统的物探成果形式从二维图纸转化为三维精细模型，实现了产品的转型升级，同时可大大提高相关各方的协同工作效率。

    参考文献

    [1]吴锋，胡绕.基于BIM技术的既有地下管线三维自动化建模的研究[J].工程地球物理学报，2016，13(04)：496-501

    [2]杨晓东，周峰，戴俊,韦凌志等.基于物联网和BIM技术在地下综合管廊建设运维中的应用[J].建设科技，2017，(10)：46-47

    [3]李敏，刘莉.地下综合管廊与BIM系统初探[J].建材技术与应用，2017，(02)：9-11

    [4]高峰，王幸来，程雄辉.BIM技术在城市地下综合管廊中的应用[J].江苏建筑，2017，(01)：72-76

    [5]王慧琛，李炎锋，赵雪锋等.BIM技术在地下建筑建造中的应用研究——以地铁车站为例[J].中国科技信息，2013，(15)：72-73

    [6]朱栩莹，吴迪，李丹.BIM技术在城市地下管线设计与管理中的应用[J].山西建筑，2016，42(22)：230-232

    [7]马智亮.基于BIM与GIS集成的城市地下管线运维管理系统选型[C].中国图学学会BIM专业委员会第二届全国BIM学术会议论文集，2016，5

BIM技术是未来的趋势，学习、了解掌握更多BIM前言技术是大势所趋，欢迎更多BIMer加入BIM中文网大家庭（http://www.wanbim.com），一起共同探讨学习BIM技术，了解BIM应用！