基于BIM技術的管廊運維平臺應用研究

　　摘要：為解決地下綜合管廊傳統施工方式信息化程度不足、難以協同等問題。利用 BIM 技術與 GIS、物聯網、云計算等高新技術進行管廊運維管理，基于 BIM 技術在應用中的適用性和需求性，構建管廊三維可視化運維平臺，實現信息共享，能有效提高管理效率、協同水平，控制工程建設進度、質量、安全風險，為綜合管廊后期運維和構建信息可視化平臺提供技術參考。

　　本文源自李應來;許金鑫;， 重慶建筑 發表時間：2021-07-25

　　關鍵詞：BIM;綜合管廊;運維平臺;智能化;信息化

　　0 引言

　　城市綜合管廊亦稱地下市政綜合管溝、共同溝、共同管道，是一種可以容納多種市政管線的公共隧道， 這些市政管線包括電力、熱力、自來水、排水、天然氣等[1]。 綜合管廊不僅解決了城市交通擁堵的問題，而且極大地方便了城市管線結構的后期維護和檢修，是保障城市運行的“生命線”，經過效益分析和比較，綜合管廊較傳統直埋管線總成本降低 23%[2]。 本文針對綜合管廊運維的特點，提出將 BIM 技術運用到管廊的運維管理中，通過分析管廊運維平臺的需求和工作內容，結合具體項目構建以 BIM 技術為核心的運維平臺，以此來提高管理效率，降低運維風險和成本。

　　1 BIM 技術在管廊運維平臺中的需求分析

　　1.1 管理需求分析

　　綜合管廊一般是在城市地下建造，將電力、通信、供水、熱力、能源等市政公用管線， 根據規劃要求集中敷設在同一個構建物內，實施統一設計、施工、管理的市政公用隧道空間[3]。 傳統的施工管理存在著信息化程度不足的現象，同時在整個施工管理體系中各工序步驟、施工進度不協調，信息孤島問題嚴重。基于 BIM 技術的地下綜合管廊運維管理平臺以管廊三維模型為基礎，按照空間劃分為監控中心和現場管理中心，建立工程數據庫，涵蓋參建各方的建設行為、施工材料、進度錄入、工作文檔日志等，建立三維可視化平臺給管理者參閱。 當點擊任一部件或設備時，能夠看到管線基本信息，實現及時指導、提示和預警。 結合管廊運維內容的特點，提出以下幾點功能需求：

　　(1) 數據實時采集。 通過管廊運維系統進行管廊主體結構、管 線、設 備 狀 態、周邊環境的實時采集;各 單 位 操 作 人 員 及 時 上傳、修改、更新相關信息。

　　(2) 信息可視化管理。 管廊系統能夠直觀展現三維模型、管線和設備的運行狀態以及項目相關信息， 并且能夠一一對應，讓管理人員對目前運行狀態有清楚的了解。

　　(3) 自動監測和預警。 依靠管廊結構體上的傳感器對管廊內部及周邊環境、監測管廊沉降情況、水平位移情況、管片收斂和滲漏情況等進行實時監測。 若有突發情況，能夠顯示發生部位詳細情況，及時反饋給總控中心和相關部門。

　　1.2 信息需求分析

　　在綜合管廊運維平臺中最基本的元素就是信息，信息也是運維系統里最重要的元素， 每個部分管理模塊都需要對應的數據。針對功能需求，可以把信息分為三類：

　　(1) 監控信息。 城市綜合管廊監控系統分為五大子系統，分別是火災監控系統、視頻監控系統、環境監控系統、安全防范系統及設備監控系統[4]，為運維平臺管理人員提供管線各個部位狀態、安全等方面的信息。

　　(2) 施工信息。 系統能夠清晰顯示施工人員上傳的工序所需材料用量、施工進度、監理工序審核狀態等信息。

　　(3) 資料信息。 包括設備和材料的標簽信息、合同信息、資金流水信息、安全培訓信息、監理檢查記錄、操作手冊和工作管理規定等，能夠保證在平臺系統里查詢明細，有效減少工作失誤。

　　2 基于 BIM 技術的管廊運維系統構建

　　2.1 “BIM+”技術

　　BIM 是利用一個包含了建設項目物理特性與功能特性的數字模型， 并考慮該模型的信息共享和互用性技術服務于建設項目的全生命周期的決策與分析[5]。 從工程實踐中得出，單獨使用BIM 技術的案例逐漸減少， 而將 BIM 技術與其他專業進行集成后， 進行二次開發的深度應用 案 例 逐 漸 增 多。 也 就 是 出現 了“BIM+”的 特 點[6]，如 圖 1 所示。

　　(1) BIM+GIS。 GIS 是由計算機硬件和軟件系統支持，收集、儲存、管理、計算、分析、顯示和描述空間中地理位置分布數據的技術系統[7]。 將 BIM 技術與地理信息系統集成到地下綜合管廊中，模型中的空間信息與周邊地理環境結合，可以在平臺中清晰地看到管廊具體地理位置及周邊的地理面貌。 可以提前規劃建設路線， 有效避免因設計不合理而造成的公共資源浪費，對發生故障的位置能精確三維定位，及時搶修。

　　(2) BIM+物聯網。 通過在監測目標上預先嵌入紅外傳感器、氣體傳感器、 遙控設施設備及射頻識別裝置接入到平臺，建立一個互聯網絡，獲得有關綜合管廊自身及運行情況的關鍵參數。 BIM 與物聯網集成應用可進行實時數據分析， 及時準確發現隱患及突發意外，并警示應對。

　　(3) BIM+云計算。 云計算是一種基于互聯網相關的計算技術，具有強大的計算能力，可以快速處理十億甚至萬億計的信息數據， 并反饋給用戶， 實現各種終端設備之間的互相聯系[8]。在綜合管廊運營和維護階段，可以將 BIM 中復雜的工作轉移至云端，提高計算效率。 也可將管廊實時狀況上傳至云端， 用戶通過電腦或者移動端連接云服務， 方便查看管廊在運營維護階段管線的相關信息。

　　2.2 基于 BIM 的運維平臺構建

　　2.2.1 平臺構建理念

　　通過 BIM 模型與 GIS、物聯網、云計算等新的互聯網技術進行實時關聯，將管廊項目的前期設計、中期施工、后期運維緊密結合起來[9]，賦予建筑信息模型化，并與平臺的現場監控系統結合使用，對管廊內的部件和設備實時監測預警，將地下管廊信息轉化為數據傳到平臺，使系統各單位操作人員共享信息，達到及時指導、提示和預警的效果。

　　2.2.2 平臺構建模塊

　　利用 BIM+GIS 技術，結合物聯網、云計算等信息化手段，將管廊三維模型、周邊環境和施工條件等數據相融合，使模型的每個部位都有詳細的信息與之匹配，整合到運維平臺，供管理人員查看。

　　(1) 技術支撐層。 包括對管廊內外監控、周邊環境監測以及管線安全進行數據采集的子系統，實現信息共享聯動、統一協調。

　　(2) 數據層。 通過 BIM 技術與 GIS、物聯網、云計算進行二次深度開發，實現綜合管廊各類數據、信息的集中存儲、管理、分析與共享，為各類智慧應用提供完整的、有效的數據支撐[10]。

　　(3) 應用層。 結合現場實際數據與互聯網技術，在各個子系統中能夠查詢信息、監測預警設備狀態，實現管廊全生命周期管理。

　　(4) 展現層。 平臺按照用戶的權限展現不同的功能界面，界面能夠顯示管廊基本信息，承擔簡單的邏輯處理功能，實現運維管理工作簡單化、智能化、人性化。

　　3 BIM技術在管廊運維平臺中的應用分析

　　3.1BIM 技術在管廊平臺的應用實例

　　合肥市某項目地下綜合管廊總長度 3.6km， 三艙斷面分別為電力艙、綜合艙、燃氣艙，結構均采用現澆鋼筋混凝土箱型結構，分成 141 個節段。 根據平臺架構設計方案，在云服務上進行功能模塊二次開發，并通過調用 相 關 API 接口實現數據連接[11]，最 終使用瀏覽器實現以下平臺功能模塊。 平臺運營狀態如圖 2 所示。

　　(1) 人員登錄及管理界面。 通過在谷歌瀏覽器中輸入平臺服務器網址，輸入平臺設計人員提供的賬號密碼，登入地下綜合管廊運維平臺。 賬號中包含所屬單位、人員類型等信息，各單位賬號操作權限根據工作需要進行自定義配置。 點擊查看管廊模型，跳轉至平臺管理界面，左側為平臺子目錄系統，右側為數據顯示及模型操作界面。

　　(2) 火災監控系統。 終端傳感器使用煙感火災探測器，而不使用熱感探測器，這是因為管廊內電力電纜故障引起絕緣層受熱冒煙，進而引起明火，是城市綜合管廊內引起火災的主要誘因[12]。監控系統通過物聯網采集傳感器數據， 顯示在對應的模型構件上，實現數據在模型上的直觀顯示。 若數據超出了設置的正常范圍，管廊內部的報警裝置發出警報聲并上傳至監控中心，點擊異常位置可以調取其他子系統信息，供工作人員綜合判斷。

　　(3) 視頻監控系統。 對管廊進行實時監控，并將畫面進行儲存和傳遞。 管廊內的高清攝像頭負責圖像采集，經光纖信號傳輸至網絡交換機，最終傳到監控中心進行數據處理。 監控中心可以根據需要切換監控區域和畫面，第一時間采集發生意外處的圖像和位置信息，為管理人員提供決策依據。 視頻監控系統還可與各個監控子系統進行聯動，充分了解管廊運行狀況。

　　(4) 環境監控系統。 監控管廊內部的空氣質量、溫濕度、有害氣體等指標，保證管廊內部工作檢修人員的安全。 當內部的溫度和氣體超出正常范圍時，聯合設備系統開啟通風換氣裝置，以保證工作人員的安全和設備的正常運行。 環境監控系統還對管廊內部水位進行監測，若因墻體滲水或管線破壞導致水位上升，系統自動開啟排水設備，降至安全水位后，檢修人員可根據監控系統確定事故位置進行處理。 環境實時監測系統界面如圖 3 所示。

　　(5) 安全防范系統。 當有外部人員非法進入管廊內部時，安全防范系統會向監控中心報警，顯示入侵位置等信息，并實時跟蹤定位入侵者，聯合其他監控系統，給監控中心工作人員提供全面的信息。

　　(6) 設備監控系統。 對管廊內部電力、熱力、自來水、排水、天然氣等設施的運行狀況進行監控。 設備監控系統記錄設備信息和能耗，控制設備運行，監測運行狀態，異常時向監控中心報警。 保證管廊內各種設備高效穩定運行，節能環保。

　　3.2 BIM 技術在管廊平臺內的應用優勢

　　(1) 提高管理效率。 BIM 技術可以集成管廊從設計、施工到運維管理各階段的過程信息， 構建一個三維可視化管理平臺，使管理人員能夠清晰直觀地看見管廊內部情況和各部件信息，監控系統共享管廊內外環境，讓管理者方便根據監控和 BIM 模型找到對應信息，快速了解管線狀態，大大提高管理效率。

　　(2) 降低運維管理的風險和成本。 基于 BIM 技術的三維可視化操作管理平臺， 可以實時監控管廊結構和部件情況進行預警，降低事故發生風險或避免危險情況發生。 信息化管理方式讓運維過程更加智能化，節約管理成本。

　　(3) 擁有良好的發展環境。 目前 BIM 技術在國內外都有很多成 功 案 例，BIM 技術應用在管廊全生命周期管理中會越來越成熟，這些都為構建更加智能化的運維平臺打下了基礎。

　　4 結語

　　基于 BIM 的管廊運維管理平臺以三維模型為數據載體，集成監控、施工、資料、管線四類信息，建立一個可以實時監測和預警管廊內外狀態信息的智能化系統。 本文以合肥市管廊項目作為應用實例，實現了管廊全生命周期管理，提高了管理效率，降低了管理成本和事故發生風險，推動了城市綜合管廊智能化發展，對惠及民生福祉和保障城市運行發揮了重要作用。