基于BIM技术对市政地下管网的优化设计

北京理工大学珠海学院2020届本科生毕业论文基于BIM技术对市政地下管网的优化设计摘要为提高城市污水管网的收水能力，目前国家正致力于改造传统雨污混合流为雨污分流制并实现城市化，在实施过程中由于原污水管道的结构复杂及质量低下，在改造过程中极易因路面开挖、管线布置失误等导致管道堵塞而造成二次甚至多次开挖，影响工程进度。BIM技术应用主要集中在建筑设计领域，通过对工程的3D建模，建造出三维的信息化模型，使市政管网建设或改造的设计表达更立体直观，工程量统计更准确，并可以对模型进行施工模拟及工程全生命周期管理，直接反应出该工程设计上出现的问题然后做出改进，提高工程质量。关键词：地下管网；BIMAbstractInordertodevelopthecapacityofthewatercollectionpipenetworkwhichismissinginthecity,thetraditionalmixedwatersystemhasnowbeentransformedintowaterwaterwaterandurbanizationsystem.Duetothereasonsofwaterquality,tension,wrongwater,etc.,theoriginalwaterpipesareundergoingwaterqualitytransformation.Theremaybemoreormoreexcusestoinfluencethedevelopmentoftheproject.BIMTechnologyisusuallyusedinarchitecturaldesign.Thisprojectestablishesathree-dimensionalinformationmodel.Whendesigningorchangingtheurbannetwork,itcangiveavisualdisplayandmoreaccuratestatisticaldatadevelopmentofprocesssections.Keywords:Undergroundpipenetwork；BIM目录第一章引言 6第二章雨污分流 82.1雨污分流介绍 82.2雨污分流（分流制）的主要优势 82.3雨污分流管网在建设中存在的缺陷 92.4需求分析 11第三章BIM技术及工程应用 123.1BIM简介 123.2BIM技术的特点 123.3BIM技术的软件及功能 133.4BIM技术优势总结 15第四章BIM技术具体到雨污分流建设中的实施流程 164.1规划设计阶段 164.2优化设计阶段 164.3建设施工阶段 17第五章应用实践与案例分析 175.1项目概况 175.2改造思路 175.3运用BIM技术开展各阶段工作 18第六章结论与展望 206.1结论 206.2展望 20参考文献 21致谢 22第一章引言随着我国城市快速的发展及城市人口数量急剧的增加,水污染的问题也越发严重,因此城市污水处理专业能力的培养和提升也就显得尤为重要。据住建部于网上发布的《城市建设统计年鉴》数据可知,2011年至2017年城市污水日处理能力从11303万立方米增加到15743万立方米,污水处理厂座数从1588座增加到2209座。图2雨污分流模式（来自百度百科）然而,缓解城市水污染严重问题的根本关键是要从城市污水共同排放的源头上得到解决,除了政府要在对水资源管理上的监督、政策法规上加大力度,还要有关部门结合我国城市自身实际规划好城市排水系统和管道的整体建设。由于过往的中国老城区的排水系统均为城市合流制,即城市雨水以及污水共同通过管道排放,是其导致城市水污染以及城市污水处理系统效率低的重要原因,21世纪的城市排水系统和管道综合处理系统不仅要有具备截污、防洪、排涝的综合利用能力,还要求具有防止严重的城市水污染、雨水以及污水共同循环处理利用的综合能力,因此城市合流制的排水系统设计和管道改造(包括分流、截流)无疑是预防和缓解城市水污染的重要关键。图2雨污分流模式（来自百度百科）为了改善和全面提高小区和城市环境的质量,建设和美家园,目前许多地区和城市已经都开始了实施小区排水系统和雨污综合分流系统改造的工程,通过项目实证城市排水雨污处理管网的建设、小区排水支管的到户,对现有的市政小区排水管网和小区排水管理行为进行全面的清理和严格规范,实现了雨污综合分流,建立长效的管理机制。第二章雨污分流2.1雨污分流介绍雨污分流即从原来的雨水污水合并排放改为雨水和污水各用单独的一条排水系统分别排放到市政污水管道和市政雨水管道中，有利于雨水的重复利用和提高污水的收集率和处理效率，降低污水排放不规范导致城市地下管道的污染，改善城市水环境。图3雨污分流模式（来自百度百科）上述分流方案有利于雨水的重复利用和提高污水的收集率和处理效率，降低污水排放不规范导致城市地下管道的污染，减少了以往雨水与污水一同进入污水处理厂导致处理效率低下，如今提高纯污水率，保证了污水处理厂的处理效率，减少了处理成本，对城市的生态保护起到了关键性的作用；雨水流入地表水体后可重复利用，如用于洒水车、绿化喷淋系统等，是目前除了设计和建造城市污水处理厂外提高城市污水的收集率、处理率的重要技术方法之一。图3雨污分流模式（来自百度百科）2.2雨污分流（分流制）的主要优势2.2.1基于雨污分流的介绍可知，排入污水处理厂的雨水含量相较于合流制而言大大减少了，对于污水处理厂来说，其处理的水量相应减少，从而提高了污水的处理效率，也减轻了处理成本与负担，确保了从多方面满足国家要求的处理效果。2.2.2雨水的污染较污水轻，分流后经雨水系统排入城市河流的过程中，在雨水系统里会不断的产生沉淀，去除泥沙等无机颗粒，最后流入城市河流，在河流内再次沉淀后可用于绿化和道路冲洗等，可以大幅度的提高城市地表水的合理使用和经济效益。污水可以直接排入城市污水的处理管网,并通过城市污水处理厂进行处理,实现城市污水的再生回用。[1]2.2.3怎样才能对工业废水分期进行有效的处理：如果结合目前的现状情况来看,工业废水在其组成和成分上通常比较复杂,若将这部分的污水与其他雨水处理厂混合在一起进行后续的处理和排放,那么整个污水处理厂自身的污水处理任务量自然也就会随之有所大幅度的上升,具体的污水处理工作效果也难以得到保证,最终必然会导致进行污水处理所需要的大量人力物力和成本上升。同时也可以分期建设方式进行管道系统修建,便于管理。在整体的排水管道系统分期建设的过程中,由于需要进行雨水处理和排放的管道与其他污水处理排放的管道系统是完全可以分隔开的,因此,建设的单位自然可以合理地选择分期进行建设的手段和方式来有效地完成这一管理体系的分期构建,这样的分期建设的模式不但分期建设能够更好地达到了节约时间和投资的最大效果,同时也更好地便于其他相关建设单位的完成其管理工作,进而也确保了整体的排水管道系统的高效安全运转。2.3雨污分流管网在建设中存在的缺陷2.3.1规划设计阶段：常规的规划设计中，通过二维平面图所表达出的内容如空间结构，容易在实际工作中产生较大的冲突，主要包括以下两个方面：1、管线设计上交叉部分造成冲突的问题：至今综合市政道路实际情况进行的市政管线设计是主要针对管线的横断面、平面布置及交叉口布置等二维层面上传统要点的内容，其无法完整表达整体道路的信息，不能直观体现管线布置空间上的连续性，因而对图纸解读市政管线的全貌具备一定难度，也就很难全面整体分析设计的合理性，也会耽误对管线交叉产生冲突部分的发现，管线之间的冲突问题会延误工程的进度，必须即时改善。2、标高交会处碰撞的问题：“控制高程”标注目前仍广泛应用于传统的大型市政建筑专业管线工程设计中各管线交会处，即各管线相交时候竖向上要求标注“极值”标高。因其只是选择标高区间中交会处能接受的最高极值或最低极值，所以完全依靠“控制高程”在施工中难以令专业管线安置精确，有时甚至会产生在某一交汇处的标高虽然满足“控制高程”但另一处发生“碰撞”的情形。b因规划失误使电信井成为污水井a因截流后无解除导致堵塞b因规划失误使电信井成为污水井a因截流后无解除导致堵塞2.3.2建设施工阶段：由于传统的市政管线综合是在各专业的管线未完成施工前将其设计资料和图纸进行汇总后送到市政管线的综合专业,由市政管线综合专业对各个专业的管线项目进行设计和总体规划后直接进入施工设计阶段[2],如果工程中没有三维立体的市政管线综合专业设计手段,后期项目在施工过程中遇到各种管线的冲突问题势必会直接造成其设计变更和导致工程返工。从规划的第一阶段施工到市政管线综合这一阶段的运营管理问题一旦遗留到后期的施工阶段，后患多许，因为施工的基础是设计图纸，第一步的设计中缺乏实用性与科学性，工程的质量管理方案无法切实地制定，工程质量与工期进度也无从保证，并且施工期间会发生二次甚至多次的市政道路开挖进行维修，如此一来就严重浪费资源与影响居民的生活出行。在有限的地下空间中各种专业的管线交互密布还可能会对工程项目下一阶段的运营和管理带来一定的隐患。2.3.3运营管理阶段：在后期的市场运营和项目管理的进行过程中,新增的典型管线和其他待定期进行检修的典型管线都很有可能同时需要二次干线综合挖掘开挖,如果非典类目标典型管线的二次综合挖掘开挖管道布置不合理,很容易就可能会直接造成在二次干线综合挖掘开挖的进行过程中对非典型目标干线管道的严重技术损坏和重大经济上的影响。在我国目标运输管道管线传统的施工养护以及运营过程管理中,抢修和施工维护目标管线出现需要二次施工开挖的巨大样洞,管线的施工定位差和错误率高,造成了目标管线磨损破裂等的重大社会和其他经济利益影响，一旦出现爆管等应急情况时,由于管线管理缺乏有效的数据和可视化的平台,会对管线管理决策的判断和执行带来很大的障碍;目前传统的养护工程管理的技术手段仍然主要处于传统的人工检测地下排水和触摸地下管线的技术阶段。2.4需求分析传统雨污分流规划设计以及施工建设几乎都是基于CAD平台进行的，在这样的一个二维环境下，设计图纸无法对整体进行全面描述，只能对某一截面信息进行局部描述，缺乏了连续性和整体性，常常会因某处的修改引起一系列的连锁反应，影响整个规划设计的周期，且只能对施工流程进行预估，无法确定施工过程中是否会出现管路冲突等因设计缺陷导致的问题，整体效率低下。第三章BIM技术及工程应用3.1BIM简介BIM技术即三维的信息处理技术模型,它不是单单指某一设计程序或某个软件,而是一个过程和的理念。BIM技术将一个工程项目中不同的三维专业信息划分出来成为不同的三维信息区域，每个区域通过特定的三维信息软件技术将不同的信息数据进行三维化呈现，并且信息数据与三维模型存在着对应关系，建造出不同的可处理的专业模型，即使工程拥有健全的数据库，模型具备独立性，所以数据能够串联相关。BIM技术的特点就是模型中涵盖了所有与工程相联系的数字信息，不同专业部门利用同样的模型传递信息，保证了数据传递的效率与精度。不同部门的专业工作人员可以通过网络便捷地参与到市政管线工程中建设中的设计、决策、施工、运营等不同阶段，期间收集到的数据协调统一统计在BIM技术中，建立完善的工程模型，因地制宜地完成管理方案。3.2BIM技术的特点3.2.1可视化性BIM能够给予工程完工后的效果图，能够精准地呈现数据与实体之间对应的情况，把在工程不同构件中的互动性传递得一览无遗。在三维的可视化模型当中，建筑信息都是健全并且直观的，相关人员能够根据自身专业程度对项目的安排进行更有目的性的讨论，比如通过图形能够及时发现设计时候的诟病并即时修改。3.2.2协调性BIM的协调性主要是体现在三维的信息处理模型中,它可以在复杂的工程前期对各个工程专业之间的技术碰撞和问题可以进行针对性的检测和分析协调并自动生成相应的数据。施工的模拟性体现在BIM可以自动模拟实际的施工,从而可以确定合理的实际施工解决方案。3.2.3优化性自身开发软件提供的强大系统优化功能以及配套的各种优化项目管理工具使得对复杂项目的系统进行优化和开发提供了更多的可能。3.2.4可出图性在直观可见的情况下明确了工程项目的主体以后，能够为有需要的业主及时提供工程的图纸；在不利用BIM技术进行的工程施工，管线发生碰撞等问题的发现往往是在施工过程中发现的，会浪费时间与材料。现今随着BIM碰撞检测技术应用的日益广泛，设计人员可以利用此功能对管线排布进行检测，以此在避免资源浪费的前提下修正偏差，这种节约成本的做法甲方是乐意的，除此之外，甲方还会注意三维管线模型的及格性，能够符合使用的空间尺寸。BIM碰撞检测技术不仅立体地把管综的情况展示出来，同时让能令人体现空间漫游的感受。3.3BIM技术的软件及功能BIM的技术是一个发展的过程、一个发展理念。一家公司要真正让客户利用BIM为一个项目施工所提供的服务,充分发挥公司BIM的实际应用价值,可能也就需要至少涉及十几甚至几十个核心软件。"bimauthoringsoftware"的核心软件建模可视化软件的应用是发展BIM的重要基础,目前国内外常用的核心BIM可视化软件主要是包括有天正和cad两个平台的软件天正和鲁班系列,pkpm、archicad和autodesk公司的主要核心软件是建模可视化软件revit等[3];常用的建模可视化碰撞检查软件主要包括3dsmax、artlantis、accurender和arlightscape等;公司在施工设计阶段所需要涉及的碰撞检查软件主要包括有天正和autodesk公司旗下的软件aunavisworks;鲁班软件和公司的广联达软件是国内碰撞事件检查可视化软件和施工造价可视化软件的两个重要代表,各种同类软件的实际应用和市场细分如图所示BIM软件的功能包含：3.3.1可视化设计一般的管线工程前期的设计资料都是通过二维的CAD图纸了解细节，进行工程的还原，工作量大。现今的BIM技术能够对工程有一个视觉化的概括，并且能够保持数据保存的完整与高校。不同工程管线设计不同且量大，例如市政项目主要以城市中的地形或是主干道的变坡点来进行划分不同的管线设计区域,而被划分的每一个区域城市中的地形或是排水管线又可能会根据城市中的河流或是主干道的变坡点处再次进行划分，依据二维的图纸无法清晰地发现管线布置问题。所以可视化设计的作用非同小可。因此,若对于局部的排水线进行了修改将可能会直接影响到整个的区域。由于地下管线设计工程基于城市道路的工程模型设计中的局部排水路线模型设计,故不论是局部的管线还是排水路线的变动,都会直接影响整个的设计内容之间的相互联系,即便是很小的图纸进行改动也可能需要同时调整多张的图纸。但是在这种BIM的模型上如果进行了改动,则实际上能够直接使得整个的系统都进行了调整,降低了修改的难度。3.3.2协同设计目前,几乎所有的管道综合设计院所正在开展的管道综合设计工作都采用的是基于BIM和cad的设计平台,在此基础之上可能会出现还有其他的扩展应用软件,例如中国鸿业公司自主开发的各种应用软件。尽管这些应用软件都是针对不同的专业、不同的领域,具有很强的功能和方向性的应用软件,但他们只是简单地加载了一些没有任何附加应用工具的三维绘图工具,在设计本质上仍然未完全脱离任何传统管道综合设计的应用范畴。而且是通过BIM的三维综合设计信息模型库搜集所有与管道工程综合设计相关的三维信息和数据并对其进行了汇总,不同的管道综合专业设计人员可以随时进行调用或直接进行查阅,不同的管道综合设计工作人员可以构建出自己的同一个综合设计模型。不仅大大增强了各个设计专业之间对管道设计项目的技术交流和认识,也大大简化了其工作的模式,提高了其工作效率。为了使管道综合的设计工作人员充分利用BIM的平台开展设计工作,不仅这些软件可以设计人员免去繁琐的核对设计图纸的过程,还能够系统地显示统计管道铺设后所剩材料与空间，这样提升了工作效率，管理效率大大提高，设计期间就能够及时地发现问题并进行整改。3.3.3参数化设计设计人员同样会利用Excel进行统计以减少计算量，但是只是扬汤止沸，总体上仍有巨大的工作量，并且办公软件缺少检查机制，所有数据当中部分出现错误很难发现，而BIM软件自带计算功能，一个数据发生变化，其他参数也随之变动，如此就能轻易对比找到出错的地方。3.3.4材料表统计设计阶段的材料统计完全是人工通过计算器等方法进行，在Excel中进行计算统计已是属于最先进的方法。但仍是需要做大量的工作。而BIM软件中的材料表编制功能能够很好地统计材料，同时当图纸进行更改重新导入后BIM中材料表清单也会相应变化，这样就真正地令统计工作化繁为简。3.3.5安装模拟系统本着能够合理地编制施工方案，合理安排施工进度、施工工序、节约安装成本的目的，可以使用设计模拟系统，在模拟系统当中可以综合模拟复杂的实际情况，比如系统预留管线空间的不足,设计的管线与现状的旧管线相互挤占了仅有的预留空间等此类对工程整体质量与施工进行危害大的情况，这些情况都能通过模拟系统建立三维模型然后利用系统进行综合管网的冲突分析等技术研究进行修正，直观、高效地改善管线设计。在改善之后，根据设计制定科学的管线施工方案，在软件系统中建立仿实的施工场景，模拟施工方案实施的情形，进而从中观察施工方案效果如何，能够借此对施工方案进行评估、并能够进行优化。3.4BIM技术优势总结从最简单的角度来说，BIM技术既把传统二维平面的东西转化到三维视图中形成模型，并可对其进行设计、监管等，具体到建筑行业中，则是把施工技术和环节融入到施工模型中，从而实现对整个工程材料、性能、价格、重量、进度等数据进行可视化管控。与传统的CAD相比，BIM技术由传统的二维空间向三维转移，不仅能快速算量、节约资源还能进行虚拟施工以及碰撞检测，甚至在项目后期进行维护工作，极大的节省了人力物力。在传统建筑的设计中，对于平面与立面图纸，要别分进行绘制，需要投入大量的人力物力，工作量十分巨大，在复杂的工作量中对设计人员的要求就十分高，因此稍微有一点不集中就可能出现错漏，并不能确保精确度达到要求，但利用BIM技术，就可以节省大量人力，而且在精确度上比起传统CAD绘图有了质的提升，及时发现有错误，也便于对其数据进行更改，并且该数据的更改，系统会自动对其他有关联的数据进行适应性的改变，很大程度上解决了传统建筑设计中存在的难题。采用BIM技术不仅能实现管线的三维模型可视化、管线碰撞检测、管线优化设计以及可视化技术交底,还能够协调各管线部门进行协同工作,合理布线、施工以及运营维护管理。通过BIM技术对地下管网工程各阶段的数据信息的采集,还能实现后期管网的数字化管理。BIM技术的上述功能解决了雨污分流管网建设当中的缺陷。第四章BIM技术具体到雨污分流建设中的实施流程4.1规划设计阶段4.1.1BIM模型搭建根据原有合流制管网图纸，建立三维模型，在原有老管道基础上进行雨污分流管线初步设计，各类管线碰撞检查及优化综合管线排布。4.1.2碰撞测试初步模型搭建好后，进行初步的碰撞检查，记录出现的冲突问题后进行修改，过程中利用管线碰撞测试对设计方案进行调整，碰撞测试有五大类，分别是实体性碰撞、延伸性碰撞、程序性碰撞、功能性碰撞、未来性碰撞。碰撞测试即对设计的两个以上包含两个的实体进行碰撞，检测它们互相是否存在冲突的一种测试，碰撞检测后结合检测结果对管线进行调整，基本可以解决管线之间的碰撞，为后期施工提供便利。最后生成管线初步设计方案且输出设计基础数据。在生成规划管线的初步设计方案后，其初步规划设计线位尚需要同其他专业管线线位及其相关的地上和地下的构筑物、建筑物相衔接和协调。应用研发平台多数据格式兼容和可视化的功能，在综合规划设计时，平台读取了不同专业（电力、通讯、燃气等）提供的不同数据格式的BIM设计数据及地上地下空间结构数据，并在平台上进行可视化显示。这样在综合管线规划设计时，利用同一的可视化平台，实现新老管线数据之间、各类专业管线数据之间、管线与市政道路数据之间、管线与周边建筑和管线与其他规划建筑物光滑衔接和协调，避免“冲撞”，合理确定了规划管线的设计线位，达到了高效、科学、可视化规划设计的效果。4.2优化设计阶段对调整后的模型进行细节的优化处理，如通过调解某条管线的高度即可减少其与其他管线“冲突”时所增加的弯头，从而达到节省成本以及减少后期维护的难度。再如对某类管线的管径进行改变，考虑到对后期维护的成本控制，对传统餐饮店的厨房管由传统设计的φ110或φ160适当增大为φ200。优化设计即设计人员的第二套规划方案，可结合初步方案及优化方案有的放矢。4.3建设施工阶段通过模型模拟生成各施工阶段场景，根据不同施工时期可合理布置安全施工措施，在模式场景中，施工前中后各矛盾点能够清晰呈现，尔后预先找出方案的不足之处进行变更设计，并对整个施工进度实施调节，有效的提高了实战中的施工协同效率及效果。第五章应用实践与案例分析5.1项目概况水仙阁6幢位于中山市东区中山三路旁，始建于九十年代，其排水系统为雨污合流制，2016年该小区开展雨污分流改造项目，后因小区原有管道老化、砖石沙石积累原因导致堵塞，经专业人员排查后发现雨污分流工程并没有达到实际效果，雨水和污水最终还是流入污水管网中，因此住建局决定再次对该小区管网进行改造，实现真正雨污分流。水仙阁属于旧城区老旧小区，内街窄巷、管径较小，管路复杂的特点成为了改造的难点。5.2改造思路5.2.1现该小区排水管道走向分析：原雨污分流工程计划将雨水与污水系统分开，即厨房管、洗手间管流入新建污水管道系统，雨水管流入原有合流制管道，最终各自排入市政雨污分流管道，完工后实际效果为厨房管与雨水管一并流入合流制管道，洗手间管则流经化粪池后排入合流制管道中，最后合流制管道污水排入市政污水管道，其主要建设内容仅为在小区内新建了一条与市政道路连通的污水管路，未实现雨污分流。5.2.2对小区原有的地下管网进行分析后初步得出三个改造方案：1、与化粪池出口附近建立一条污水管路并将化粪池与污水管路驳管接通（由于污水管道容易堵塞且管路繁多，因此污水管不能直接与原工程建设的污水管相接，中间需有污水检查井便于后期维护），污水管路与原有新建的污水管路接通对厨房管进行改接，使其流入新建污水管路，原有合流制管路改为雨水管路，收集雨水管内天面水和地面水，最后引出市政雨水管，对原有合流制管路与原建污水井相接处进行封堵。2、原有合流制管路改为污水井，新建雨水井收集天面水和地面水，将原有雨水管改接至新建雨水井内并引出市政雨水管，污水管路系统不变。对初步改造的两个方案再次结合实际进行对比分析后发现，污水管相对多于雨水管，原合流制管路三水合一，若新建污水井改造厨房管与洗手间管，数量较多，施工难度相对较大，成本也相应升高，考虑到小区年份久，管路已经出现老化等现象，若大幅度改造管道容易造成后期堵塞问题，增加维护成本，在仅对雨水管改接的情况下能使原有管路的破坏程度降到最低，因此决定采用方案二实现雨污分流。5.3运用BIM技术开展各阶段工作5.3.1规划设计阶段1、由于水仙阁小区建设年份较长，图纸已丢失，因此在现场考量管道分布后，简易绘制出建筑物外部轮廓以及详细的排水管道分布CAD图纸，将图纸导入revit，建立场地及管线系统模型，使水仙阁地下管网有一个全局的预览，并根据需求选择不同方位的局部或复杂部位信息。2、建模完成后将模型导入navisworks，revit中所有的模型都是实体构件，运算时间较度长而且容问易产生卡顿，所以我们通过navisworks将实体模型转换成线条和曲面，然后进行碰撞测试，很快就可以检测出哪些构件产生了碰撞且不容易造成属卡顿，且碰撞报告更加细致，然后对碰撞试点进行注释以便调整，最后输出碰撞检测报告，对比CAD图纸与碰撞报告，分析发生碰撞的原因，在revit三维视图下对地下管网进行调整，确保管路无冲突及相关连接点有管路相接，保证其准确与全面。5.3.2优化设计阶段分析规划设计阶段的碰撞检测报告并总结，将所有碰撞信息一并反馈至设计人员处，设计人员针对管线的高程、布局，管径大小、弯头、管材等细节进行优化设计，如雨水井的修建位置是否对居民造成影响；直角弯头是否可以改为45°弯头减少转弯便于后期维护；管道出口延伸至井内的长度等等，使其分布简洁明了，设计便于维护。解决了管路碰撞及细节优化后即可进行技术交底，有效解决了施工时可能出现的一系列技术上的问题，缩短工期。通过规划设计及优化设计，对原有复杂的施工环境进行了清晰和全面的预览，确保了施工方案的可靠性，避