基于BIM的地下管線三維自動(dòng)建模研究與應(yīng)用

魏章俊，袁 夢(mèng)

（1、中鐵建華南建設(shè)有限公司 廣州511458；2、廣州地鐵集團(tuán)有限公司 廣州510335）

關(guān)鍵字：地下管線；二次開(kāi)發(fā)；快速建模；BIM

0 引言

隨著城市建設(shè)日益發(fā)展，地下綜合管線在城市基礎(chǔ)建設(shè)中的作用也越來(lái)越大，是保障城市正常運(yùn)行的重要基礎(chǔ)設(shè)施［1］。在目前的地下工程中，對(duì)地下管線主要采用物探法來(lái)獲取相關(guān)地下管線的相關(guān)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)主要以表格和圖紙的方式展現(xiàn)［2］。這種方式只是對(duì)各類信息的匯總，只能看到局部信息，展現(xiàn)形式不直觀，較難將這些數(shù)據(jù)的價(jià)值有效地發(fā)揮出來(lái)，具有以下不足：①表格數(shù)據(jù)雖然包含每段管道的真實(shí)坐標(biāo)和起點(diǎn)、終點(diǎn)高程，工程人員從這些數(shù)據(jù)中提取出需要的數(shù)據(jù)需要花大量的時(shí)間；②二維圖紙表達(dá)出的管線都是根據(jù)不同類別的管線以不同的顏色進(jìn)行區(qū)分，都是以線條的方式進(jìn)行展現(xiàn)；③地下管線綜合平衡二維圖，通常一張圖中包含上百根管線，難以直觀展示，加大了一線施工人員對(duì)圖紙的理解難度［3］。

BIM 技術(shù)是能為建筑行業(yè)帶來(lái)變革的新技術(shù)，基于BIM 的數(shù)字化模型可以實(shí)現(xiàn)多專業(yè)碰撞檢測(cè)、模型漫游、三維可視化查看［4］。BIM 模型可根據(jù)實(shí)際需要輸入相關(guān)有價(jià)值的信息，甚至可用于基于三維模型的數(shù)據(jù)的分析與管理［5］。陳軍等人［6］介紹了利用BIM 技術(shù)進(jìn)行地下管網(wǎng)建模的流程和方法，敘述其在地下工程項(xiàng)目中的應(yīng)用情況，基于BIM 的三維模型能快速有效地檢測(cè)管線與地下設(shè)施之間的碰撞及地下工程設(shè)計(jì)和施工的合理性。葉輔成［7］介紹了城市地下管線三維快速建模技術(shù)研究及應(yīng)用，通過(guò)基于AutoCAD 平臺(tái)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，利用軟件自帶的三維功能進(jìn)行三維展示，但是沒(méi)有說(shuō)明具體流程，AutoCAD 軟件本身三維功能并不強(qiáng)大，同時(shí)與其他三維軟件交互功能較差，導(dǎo)致創(chuàng)建出來(lái)的三維模型可利用性不高。本文詳細(xì)介紹了地下管線快速建模的思路流程，在專業(yè)的三維圖形建模軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，創(chuàng)建出來(lái)的三維模型能與其他三維軟件很好的集成展示。

本文以廣州地鐵十八和二十二號(hào)線工程祈福站為例，獲取詳勘階段采用物探方法探測(cè)地下管線生成的數(shù)據(jù)信息，整理表格數(shù)據(jù)以便于符合三維建模軟件創(chuàng)建地下管線模型規(guī)則，再基于三維建模軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)使其能讀取表格數(shù)據(jù)，通過(guò)軟件程序快速創(chuàng)建地下管線三維模型，解放人工建模，提高建模效率。將所建模型與地下結(jié)構(gòu)模型、地表模型進(jìn)行合模，不僅能清楚地表達(dá)出地下構(gòu)筑物和管線之間的空間關(guān)系和快速地實(shí)現(xiàn)管線的碰撞檢查，還能對(duì)管線遷改方案進(jìn)行優(yōu)化指導(dǎo)，同時(shí)還能完成地下管線信息的集成管理及相關(guān)單位的協(xié)同工作［8］。

1 地下管線快速建模研究

BIM 技術(shù)的核心建模軟件主要包括：Revit、Bentley 系列、ArchiCAD、CATIA 等［9］。本文通過(guò)對(duì)BIM 軟件建模的研究，發(fā)現(xiàn)其手動(dòng)創(chuàng)建地下管線模型效率較低，所以在該軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)出地下管線快速建模插件，利用該插件能大大提高模型創(chuàng)建效率，縮短建模時(shí)間，使相關(guān)人員能把更多時(shí)間用在后期模型的應(yīng)用上。

其三維建模總體流程如圖1所示。

圖1 建?？傮w流程Fig.1 The Overall Process of Models

1.1 開(kāi)發(fā)邏輯介紹

借助于BIM 軟件，結(jié)合C#開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)出地下管線快速建模工具，實(shí)現(xiàn)了地下管線物探數(shù)據(jù)導(dǎo)入并自動(dòng)創(chuàng)建地下管道模型的功能。該工具的開(kāi)發(fā)原理是識(shí)別輸入表格的每段管線的起點(diǎn)坐標(biāo)及高層和終點(diǎn)坐標(biāo)及高層數(shù)據(jù)并生成一條直線，再通過(guò)識(shí)別每段管線的截面尺寸并在相應(yīng)的線上進(jìn)行放樣，最終生成管道三維模型，識(shí)別表格數(shù)據(jù)自動(dòng)創(chuàng)建窨井三維模型，開(kāi)發(fā)流程如圖2所示。

圖2 地下管線開(kāi)發(fā)邏輯Fig.2 The Logic of Underground Pipeline Development

1.2 數(shù)據(jù)整理

建模開(kāi)始前需要對(duì)原始數(shù)據(jù)資料按照工具所要求的格式進(jìn)行處理，地下管線資料主要分為3類，分別是圖紙、電子資料以及數(shù)據(jù)庫(kù)［10］。本項(xiàng)目中主要用到的資料是電子資料（Excel數(shù)據(jù)），電子資料主要是指地下管線物探表格數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)工具實(shí)現(xiàn)建模流程進(jìn)行研究分析，最終得出需要從表格中提取的數(shù)據(jù)類型，包括：物探點(diǎn)號(hào)、連接點(diǎn)號(hào)、X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)、管頂高程、管道截面尺寸、地面高程、探測(cè)點(diǎn)處是否有窨井一共8項(xiàng)數(shù)據(jù)。在Excel 中直接通過(guò)公式將每行原始數(shù)據(jù)直接生成所需數(shù)據(jù)，大大降低了數(shù)據(jù)處理的時(shí)間。最后將提取出來(lái)的數(shù)據(jù)單獨(dú)復(fù)制到新建的TXT文本中。

1.3 地下管網(wǎng)建模

在BIM 軟件中利用地下管線快速建模插件將不同類別的管道模型分別創(chuàng)建出來(lái)，每種類型的管道創(chuàng)建各自的文件，為了能直觀區(qū)分不同管道，將不同類型管道進(jìn)行不同的顏色填充。待所有管道創(chuàng)建完成后，再新建一個(gè)合模文件，將所有已創(chuàng)建的各類管道文件均參考到合模文件中，最終形成該范圍地下管線三維綜合管線模型，如圖3 所示，該模型包含管道模型、窨井模型。管道節(jié)點(diǎn)根據(jù)物探表格中的探測(cè)點(diǎn)確定，各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間用管道相連，由于各個(gè)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)均是三維空間坐標(biāo)，所以最終生成三維管道模型。管道之間的連接件未創(chuàng)建，一方面是該軟件目前較難實(shí)現(xiàn)管件的建模，另一方面考慮到管件對(duì)整體效果和應(yīng)用產(chǎn)生的影響較小，所以只考慮將管道模型按照實(shí)際尺寸和位置快速創(chuàng)建。窨井的具體尺寸在物探表格中未提供，所以在建模時(shí)根據(jù)實(shí)際情況大致估算一個(gè)尺寸創(chuàng)建窨井，插件也支持對(duì)窨井的尺寸進(jìn)行任意設(shè)置。

圖3 地下管線三維模型Fig.3 The 3D Model of Underground Pipeline

通過(guò)該插件建模時(shí)間較傳統(tǒng)手動(dòng)建模有很大縮短，利用開(kāi)發(fā)的插件對(duì)某區(qū)域地下管線進(jìn)行建模和人工建模進(jìn)行對(duì)比（見(jiàn)表1），該區(qū)域地下管道約3 472段，將處理好的數(shù)據(jù)導(dǎo)入插件，利用該插件大約花了1 min 時(shí)間就將所有管道及窨井模型創(chuàng)建出來(lái)；采用手動(dòng)建模，則需要手動(dòng)創(chuàng)建每根管道，同時(shí)還需要調(diào)整每根管道的起點(diǎn)標(biāo)高和終點(diǎn)標(biāo)高，一共需要3 d 時(shí)間才能創(chuàng)建完成。

表1 插件建模與人工建模時(shí)間對(duì)比Tab.1 The Time-correlation between Plug-in Modeling and Artificial Modeling

2 實(shí)際項(xiàng)目中應(yīng)用

2.1 工程概況

本文以廣州地鐵十八和二十二號(hào)線祈福站為例，該地鐵站的長(zhǎng)度為450.8 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度為35.1 m，車站埋深為3～5 m，車站總建筑面積為39 747 m2，開(kāi)發(fā)面積約為1 852 m2，車站總平面設(shè)計(jì)如圖4 所示。本項(xiàng)目區(qū)域地下管線較多且彼此間交錯(cuò)復(fù)雜，施工區(qū)域內(nèi)主要有雨水、污水、給水、電力、燃?xì)夂屯ㄐ诺?類管道，針對(duì)這些管線，簡(jiǎn)單的物探數(shù)據(jù)難以反映地下管線的空間位置和相關(guān)屬性信息，大量交錯(cuò)復(fù)雜地下管線給地鐵站的施工帶來(lái)諸多不變。針對(duì)這些難點(diǎn)，決定采用BIM 技術(shù)對(duì)地下管線進(jìn)行建模及應(yīng)用研究，同時(shí)為了滿足項(xiàng)目實(shí)際需要，在BIM 軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，利用得到的探測(cè)資料快速創(chuàng)建地下管線三維模型。利用Revit 軟件對(duì)地下車站結(jié)構(gòu)和地上構(gòu)筑物進(jìn)行建模，通過(guò)相關(guān)模型整合平臺(tái)軟件對(duì)三者模型進(jìn)行合模，通過(guò)三維可視化模型有利于管線遷改，能提前發(fā)現(xiàn)施工風(fēng)險(xiǎn)。該地鐵站施工范圍的數(shù)據(jù)資料主要包括該地區(qū)地下管線物探數(shù)據(jù)、CAD 圖紙、地下車站設(shè)計(jì)的圖紙資料和地面地物及地貌圖形資料。

2.2 模型合模

由于單獨(dú)的地下管線模型缺少參照物，只是模型的三維展示，在實(shí)際工程中應(yīng)用范圍太窄，難以體現(xiàn)BIM 的價(jià)值。所以，要想使地下管線發(fā)揮應(yīng)用價(jià)值，需將地上構(gòu)筑物及地下車站模型相結(jié)合，所以需要對(duì)施工區(qū)域的地上構(gòu)筑物和地鐵車站外部結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。對(duì)于地上和地下的模型創(chuàng)建首先得考慮其坐標(biāo)，因?yàn)榈叵鹿芫€模型是根據(jù)廣州市城建坐標(biāo)系進(jìn)行創(chuàng)建，那么地上建筑物和地下建筑物也得按照廣州市城建坐標(biāo)系進(jìn)行創(chuàng)建，這樣三者才能按照實(shí)際坐標(biāo)進(jìn)行合模。圖5 為本項(xiàng)目地下管線、地面構(gòu)筑物及車站結(jié)構(gòu)三者模型合并后的三維模型。地上建筑物建模利用該區(qū)域總平面CAD 圖在Revit軟件中進(jìn)行創(chuàng)建，條件允許可以采用航拍實(shí)景建模技術(shù)對(duì)施工周邊地面環(huán)境模型進(jìn)行快速創(chuàng)建，再將實(shí)景模型與地下管線模型和地下車站模型進(jìn)行合模。地下車站的模型也根據(jù)車站主體結(jié)構(gòu)施工圖進(jìn)行創(chuàng)建，該模型主要是為了分析地下管線與地下車站和周邊建筑物的關(guān)系，所以只需創(chuàng)建其外部結(jié)構(gòu)輪廓和頂板模型，內(nèi)部模型不需進(jìn)行展示。

2.3 應(yīng)用分析

從圖5 可以看出，相對(duì)于以往的地下管線圖紙中采用的線條表示，三維可視化地下管線模型結(jié)合周邊環(huán)境模型，能直觀地顯示出地下三維管線、地下車站建筑與地上構(gòu)筑物之間的空間關(guān)系。施工前期階段，利用三維地下管線模型結(jié)合地面構(gòu)筑物模型對(duì)管線遷改進(jìn)行多方案施工模擬，通過(guò)人為的對(duì)比分析確定最佳的施工方案；在設(shè)計(jì)階段，能提前發(fā)現(xiàn)地下管線遷改過(guò)程中與現(xiàn)有的樁基是否發(fā)生碰撞，對(duì)設(shè)計(jì)方案和圖紙進(jìn)行優(yōu)化，可以減少在施工過(guò)程中才發(fā)現(xiàn)這些問(wèn)題所帶來(lái)的損失，不僅增加了工期，還增加了成本。在本項(xiàng)目中，應(yīng)用BIM 技術(shù)對(duì)地下管線進(jìn)行建模分析，對(duì)地下管線綜合平衡圖進(jìn)行了3 次優(yōu)化設(shè)計(jì)，極大的減少了各種碰撞問(wèn)題，所形成的地下管線綜合平衡圖是從三維模型中導(dǎo)出的，比傳統(tǒng)的CAD 二維設(shè)計(jì)錯(cuò)誤率更低，質(zhì)量更高。在施工過(guò)程階段，將三維地下管線模型與地上構(gòu)筑物模型進(jìn)行結(jié)合，施工人員能夠準(zhǔn)確地把握需要遷改的管線的位置、尺寸和深度，分析得到最佳的地鐵開(kāi)挖地點(diǎn)，由于在施工前管線遷改圖紙質(zhì)量高，施工過(guò)程中施工人員基于三維可視化模型進(jìn)行合理的施工方案布置，最終實(shí)際完成管線遷改時(shí)間比預(yù)期計(jì)劃減少了約15 d，同時(shí)該項(xiàng)目在施工過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生管線事故。

3 結(jié)語(yǔ)

BIM技術(shù)能為整個(gè)建設(shè)行業(yè)帶來(lái)技術(shù)革新，地下工程建設(shè)存在多專業(yè)協(xié)同作業(yè)的，BIM 的應(yīng)用能為項(xiàng)目帶來(lái)不可估量的價(jià)值，具有巨大的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的前景。本文通過(guò)在已有的BIM軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，增加地下管線快速建模功能，不僅可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地下管線的快速高效創(chuàng)建，降低人工建模效率低下且容易出錯(cuò)的問(wèn)題，還可以與地下車站及地面周邊構(gòu)筑物融合進(jìn)行三維可視化展示，直觀地反映了整個(gè)地下空間的具體情況，清楚地顯示了管線、障礙物與設(shè)施之間的空間關(guān)系，為工程的設(shè)計(jì)、施工以及管理提供依據(jù)，能夠提高工程的質(zhì)量，減少施工事故的發(fā)生。

圖4 車站總平面設(shè)計(jì)Fig.4 General Plan of the Station

圖5 項(xiàng)目施工區(qū)三維模型Fig.5 The 3D Model of Construction Area in the Project