綜合管廊建設BIM與CAD技術大比拼

導讀

在綜合管廊建設中，傳統CAD設計與BIM協同設計兩者有何異同？本文將傳統CAD設計與BIM協同設計兩者進行對比，並以某市新區綜合管廊工程設計為例，從協同設計流程、協同平台及方式、協同設計應用點實現3個方面，探索BIM技術在綜合管廊工程設計中的應用。

前言

城市綜合管廊作為現代化智慧城市建設的重要組成部分，國家已將城市綜合管廊工程建設作為未來重點的建設領域，連續2年在全國範圍內評選城市進行試點建設。綜合管廊工程具有管線種類多、密度較高、口部設計複雜等特點，目前傳統基於CAD的設計模式在設計過程中極易出現設計衝突，設計管理無序、施工圖出圖效率低等難題。近年來隨著BIM技術的高速發展，為解決城市管廊工程設計難題提供了技術支持。本文以某市新區綜合管廊工程設計為例，提出基於BIM技術的城市綜合管廊工程協同設計方式，驗證BIM技術在綜合管廊工程設計階段的應用。

1 城市綜合管廊工程特性分析

1.1城市綜合管廊工程概念

城市綜合管廊又稱市政綜合溝，在《城市綜合管廊工程技術規範》（GB 50838-2015）中將綜合管廊的定義為：建於城市地下用於容納2類及以上市政工程管線的構築物及附屬設施。就現實而言，是把城市的給水、排水、燃氣、熱力、電力、通信、雨污等管線集中布置於一定範圍的地下空間內，實現工程管線的集約化、規範化管理。綜合管廊主要分為幹線綜合管廊、支線綜合管廊、纜線管廊三大類。

1.2城市綜合管廊工程設計影響因素分析

（1）工程環境複雜。綜合管廊適宜建設於交通運輸繁忙或工程設施較多的城市主幹道以及配合興建地下軌道、城市地下綜合體等建設工程地段，多位於城市主城區、CBD核心區等地下、地上空間高強度集中開發區域。在進行綜合管廊規劃選線、斷面選型、重要節點設計時應充分考慮項目地複雜的周邊環境條件科學協調管廊與既有工程的關係。

（2）管線高度集中、種類繁多。綜合管廊規劃設計時一般適度超前，長期規劃入廊管線種類齊全。因此，入廊管線基本涵蓋給水、再生水管道，排水管道，天然氣管道，熱力管道，電力電纜，通信電纜，雨污管道等七大類管線。綜合管廊設計空間有限，管廊內部管線密度極高，同時管線布置時還應考慮不同管線間的可能相互影響，例如電力電纜與通信電纜不能同側布置、燃氣管道必須獨立艙室敷設等。

（3）附屬設施工程龐大。由於綜合管廊納入高壓電力線路、燃氣管道等危險係數高的管線，為確保綜合管廊安全運行，綜合管廊必須配套諸多附屬工程系統，包括消防系統、通風系統、供電系統、照明系統、監控報警系統、排水系統、標識系統等七大類。附屬設施工程在設計過程中極易發生與管道、管線發生設計衝突情況。

（4）管線出口及交叉口異形結構複雜。區別於傳統城市地下管線工程，為支持運營階段進行監控、檢修工作，避免路面反覆開挖的情況，綜合管廊設計規範要求每個艙室應設有專門的人員出入口、逃生口、進風口、排風口、管線出入口、檢修口、材料吊裝口等多種口部，由於管廊周邊環境複雜，各自口部結構設計時需根據口部周邊地上、地下工程條件因地制宜進行調整。

1.3導入協同設計的必要性

協同設計是指各專業設計師內部以及各專業之間在同一平台上進行設計協同作業。目的是解決由於各個專業設計人員單獨設計所帶來的如設計衝突、低效提資等問題。綜合管廊空間狹小、入廊管線及附屬工程系統種類較多，設計過程中需結構、岩土、給排水、電力、燃氣、通信等多個專業參與設計，傳統設計模式下，各個專業設計成果相互割裂，形成專業信息孤島，專業間提資料效率低下，在設計修改頻繁的情況下極易發生錯漏碰缺問題。

2 傳統CAD協同設計與基於BIM的協同設計比較

（1）工作流程的比較。傳統CAD協同設計流程呈線性，流程上專業設計先後順序明顯，且工作基本上不宜逆向返回，否則造成很大的設計修改工作量。專業間設計任務分工明確，但缺少關聯性致使專業間設計割裂現象嚴重。基於BIM技術的協同設計是實現同步分工協作，這將各專業介入設計工作的時間點提前，以創建中心文件的形式關聯專業間的設計工作。各專業設計工作基本平行開展，專業間設計意見提前反饋融合，有效避免了傳統方式下信息不暢引起的設計返工。

（2）數據流轉方式的比較。傳統CAD協同設計方式下，數據流轉載體為二維圖紙。協調過程中信息以圖紙副本文件的形式在設計團隊內部傳遞，基於二維圖紙的設計信息傳遞效率低下，直接影響專業間協同設計水平。此外，傳統CAD設計中專業間的設計圖紙管理難度大，設計人員通過向外專業提供設計副本進行協同作業，在頻繁設計修改、多項目交叉設計等情況下極易產生無序、無效協同設計問題。基於BIM技術的協同設計方式數據流轉載體為三維模型。三維模型能夠直觀表達不同專業的設計思想，提高專業間信息傳遞效率。設計成果集中於項目中心文件，各專業的設計人員通過外部參照方式實現本地專業文件與中心文件雙向同步，對於提高設計過程文件管理效率有很大價值。基於BIM的協同設計平台在打通各專業間設計信息壁壘的同時打破時間和空間對設計工作的限制。

3 BIM環境下城市綜合管廊協同設計實現

某市新區某路段地下綜合管廊工程規劃於2015年獲批，規劃建設全長5.211km，入廊管線包含給水、再生水管道，排水管道，熱力管道，電力電纜，通信電纜等5類管線，詳見表1。本文以工程幹線管廊交叉節點設計為對象，研究通過構建BIM協同設計環境，對BIM環境下實現協同設計的流程優化，並結合本工程設計需要選用合適的協同設計方式，著重突出BIM技術在模型建立、設計衝突檢測、施工圖出圖等方面應用。

3.1協同設計流程

基於BIM協同設計流程主要包括總體流程與階段性設計流程，其中設計細化階段包括方案設計階段、初步設計階段、施工圖設計階段。前者是BIM協同在設計階段主要節點的應用，後者是針對每個階段內BIM應用流程。本研究結合設計單位現行設計工作流程與BIM協同設計需要分別對總體流程（如圖1所示）、階段性流程進行再設計（如圖2所示），並制定設計衝突檢測及處理等關鍵流程（如圖3所示）。

3.2協同設計平台與模式的選擇

協同設計平台的選擇是保證設計質量的關鍵，根據本工程設計需要選用Autodesk Revit 2015為核心協同建模平台、Autodesk NavisWorks 2014為核心衝突檢測分析平台、Fuzor 2016為漫遊模擬平台，並配以相關專業輔助設計軟體，組建協同設計平台。

基於Autodesk Revit 2015建立綜合管廊鏈接協同設計模式、工作集協同設計模式。其中，工作集模式是一種數據級的實時雙向協同設計模式，即工作組成員將設計內容及時同步到文件伺服器上的項目中心文件，同時同步項目中心文件其他專業模型至本地文件進行設計參考。而鏈接模式是在各專業完整模型文件之後，通過參照外部鏈接的方式將多個模型整合為整體，是文件級的階段性協同設計模式。2種協同設計模式特點比較詳見表2。

通過分析2種協同設計模式的特點並結合本綜合管廊項目設計特點，本項目採取2種協同設計模式混合應用。本工程劃分為15個區段，每個區段內採用工作集協同設計模式，成果為區段中心模型文件；區段間發生設計衝突可能性較小，採用鏈接協同設計模式，通過參照各個區段中心模型文件組成完整模型。

3.3協同設計實現

綜合管廊交叉口是整個綜合管廊工程最為複雜的設計節點，下面以本工程KD路與CC路交叉口設計為例闡述BIM協同設計模式在綜合管廊工程中的應用。

（1）工作集任務劃分。同一區段各個專業在中心模型文件中建立模型，BIM設總通過工作集進行設計任務分配，確定專業模型編輯許可權。

（2）模型的建立與同步。項目基於工作集建立的共享中心模型文件作為信息化平台來完成協同設計，各專業設計師通過同步中心模型文件至本地，基於共享標高與軸網進行專業模型建立，並通過借用圖元方式實現跨專業構件的編輯許可權獲取與釋放。目前各專業設計文件並不能完成自動同步，因此項目制定文件的分專業定時錯峰同步文件同步計劃，保證中心模型文件的完整性、穩定性。

（3）設計衝突檢測與處理。項目設計衝突檢測分為區段內設計衝突和區段間設計衝突2個方面。區段內設計衝突工作中各專業在設計過程中通過向本地同步最新中心文件設計模型，將階段模型導入NavisWorks中利用Clash Detactive模塊進行設計衝突檢測（見圖5）。根據導出的衝突報告以及衝突避讓條件確定修改專業。本項目檢查重點主要集中在①出線口部管道與結構的衝突；②交叉口不同管線間的衝突；③管線與附屬設施的衝突。

（4）凈空檢查。管廊工程設計需考慮管廊運營期間人員入廊檢測維修的凈空及凈寬要求。項目將中心文件模型導入虛擬現實平台Fuzor中，通過放置人物對象，對人物高度及活動屬性進行定義，以實景漫遊的方式模擬真實工作情景，檢測是否滿足後期運營、維修、行人需求。其次通過模擬大型設備安裝過程檢查管廊凈空是否滿足設計規範間距要求及設備安裝空間需求。

（5）施工圖出圖。目前，國內設計企業成果交付以二維施工圖為主，施工圖設計是設計階段的核心任務。項目利用Revit軟體的視圖控制功能對三維管廊模型進行關鍵平面剖切，並根據施工圖出圖規範的要求進行相應標註、標記等施工圖二次加工。在設計修改的情況下也只需對模型進行調整，施工圖即可自動調整，通過三維管廊模型生成施工圖極大提高了出圖效率。

4 結論

從應用的情況看，將基於BIM技術的協同設計引入綜合管廊工程設計階段明顯提升管廊工程設計效率及質量。