省级工法-基于BIM的复杂环境下地下综合管线直埋施工工法.docx
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基于BIM的复杂环境下地下综合管线直埋施工工法
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1.0.1编制背景：
近年来，城镇管网改造类项目逐渐增多，一是因为部分较早年份施工的城镇管网已然老旧，渗漏、生锈现象严重，对供水的质量造成一定影响；二是随着城市发展，现有的管网已经不能满足负荷需求。
虽然，部分地区已开始采用管廊进行整体改造，以代替原有的直埋管线，但仍有大部分工程采用的是原有方式。
在此类工程施工时，往往会因为城镇管网错综复杂、资料不足等问题，使得施工时不得不畏手畏脚，特别是断面内存在部分已知或未知的不在施工范围内的管道时，例如燃气管道、光缆等，此前已有不少工程在施工过程中，不慎将其他管道挖断的案例。
因此，需要研究创造一种能将地下管线信息化、可视化、将复杂的图纸数据简单化、易于交底部署的工具；另外，由于二维图纸表现力的局限性、管线碰撞等问题以及出于方便施工、节省沟通及时间成本的考虑，也需要对原有工法进行优化。
1.0.2形成过程及关键技术内涵：
经过景屿路、大学路等多个工程的实践探索，再由西山东路、上江路等工程实践验证形成总体流程,逐步将BIM技术与现有管线施工技术从开工到竣工各个阶段有机结合起来，充分利用BIM技术可视化、协调性、模拟性、优化性及可出图性等特性：
在施工准备阶段，对工程进行模拟梳理，提前发现、预防可能出现的问题；施工阶段，保证平稳进行，提高精确度及施工质量，减少因失误、设计变更等原因导致的停工及不必要的损失，强化施工精细化管理；验收阶段，BIM技术可辅助进行工程验收。
止匕外，对于环境复杂区域采用人工+小型机具进行开挖，辅以建、构筑物保
护措施等。
1.0.3应用绩效：
本工法是在本地区道路管网改造、“零直排”改造等工程的大背景下产生并逐步完善的，以适应复杂环境的需要，已在我公司承接的温州市瓯海区西山东路道路及周边绿化改造工程、瓯海区上江路道路改造工程等多个工程中进行实践。
通过比对以往改造工程，该工法技术社会效益和经济效益显著。
2工法特点
2.0.1工法关键技术及施工工艺特色：
本工法将技术问题前置处理，将隐患扼杀在摇篮里；利用虚拟与现实直观比对，模型与实际在施工过程中随时验证，及时避免错误发生，提高施工效率及质量；自动完善详图、提高效率，避免疏漏；控制材料用量、降低成本；人工与机械作业并重，优化施工方案，提高施工安全、节约工期。
2.0.2工法推广应用的前景：
就目前而言，在本地区BIM仍处于推广阶段，而基于BIM技术的本工法在解决实际问题上能够比传统方式更加科学、合理且有效。
相信随着BIM技术的广泛应用，及各类软件设备的开发，会将BIM技术前期成本合理控制下来，让BIM技术能够落地，进而使自动化施工成为可能，而本工法在实际应用过程中，与BIM技术深度融合，也将更具备推广意义。
3适用范围
本工法适用于复杂环境下直埋式管线改造的各类市政工程及其施工现场的BIM指导工作。
4工艺原理
4.0.1在施工前，将现有资料及现场勘探的管道信息汇总，利用BIM技术形成涵盖市政工程各专业的完整模型，包括道路、管线、附
属结构物等，直观展现各专业管线、管线与检查井、管线与道路结构、各构筑物以及拟建管线与现有管线等之间的关系。
4.0.2根据规范、管道间距等要求，寻找发现包括管线位置交叉重合带来的管线碰撞、管道之间间距不足、有无压排水管道坡度、埋深带来的排水不畅及市政管线与单体构筑物连接不便在内的各种问题，在设计会审时提出并加以解决，即通过BIM优势尽量将设计各专业之间、设计图纸与现场实际情况之间、施工过程中等各个环节有可能碰到的问题在施工前进行充分的剖析、会审，制定科学合理的解决方案，避免后期出现返工，耽误工期，提高成本。
同时，制定适宜的既有管线保护方案，避免误损。
4.0.3本工法以BIM辅助提升现有工艺，AR辅助BIM技术落地的形式。
因BIM技术具有多专业协同工作、可视化动态模拟等功能，可提高建设项目的建造质量，降低施工建造的风险。
然而，由于施工现场环境的复杂多变和建筑工程的不可预测性，安全风险的提前管控和施工方案的预先模拟，虽然通过BIM技术进行了论证，但依然无法达到精确指导现场施工的要求。
止匕外，现阶段BIM技术还存在难以落地的问题，故需要将BIM建筑模型和信息进行完整展示，将其充分与现场环境融合。
结合BIM+AR技术，项目参与方可以更加直观地了解施工部位、施工过程、关键技术、施工要点等信息。
相比传统的三维模型，大大减少了专业衔接的工作量和方案的模糊空间。
基于BIM+AR技术应用管理新手段，可以为所有施工参与方提供协同高效的信息平台，克服在时间和空间上的信息交互障碍，辅助现场管理人员及时高效的做出决策和判断，一定程度解决信息孤岛的问题。
4.0.4施工时，根据需要提取管道及其附属结构物信息，包括垫层、垫块及检查井等信息，通过这些信息形成明细表，得到明确的采购计划，科学合理组织施工，控制人材机的消耗，保证工程施工从下料、开挖、管基施工、管道敷设、检验、误差纠偏、验收等全过程精细化管理，加强成本预控。
5工艺流程及操作要点
5.1施工工艺流程
图5.1施工工艺流程图
5.2操作要点
5.2.1现场调查及资料汇总
1）现场既有管线及临近建构筑物的勘察及资料收集，尤其是在现场勘探时，特别注意寻找是否存在资料中未知的管线、建构筑物基础等，并做好标记与记录；
2）将工程图纸汇总整理，同时，根据工程实际与总体部署，确定建模思路及深度，编制BIM实施方案。
3）除上述外，还应做好平面布置、图纸会审等正常施工需办理的前期准备工作。
5.2.2建立、优化BIM模型
1建立BIM模型
1）首先做好了选择项目样板、创建标高和轴网、创建中心文件和工作集等准备工作，并针对性构建了BIM道路及周边环境模型，作为管线模型绘制的基础。
图5.2建立整体模型
2）在具体的给排水管线模型构建中，按照各专业的施工图分系统进行，采用Revit软件并在其中载入各专业相关的二维图纸，随后参照CAD底图在平面视图内进行管道绘制，并随之选择管长、管材、管径等信息，管道间的自动连接采用软件的“自动链接”功能实现，各系统设置不同颜色以区分。
3）建模时，需重点关注雨水管道、污水管道等重力管道的坡度设置,可手动设置管道坡度或采用软件的管道坡度设置功能,配合“视图”中“平面”、“立面”、“剖面”开展同步建模。
同时，构建新的构件族库、开展针对性的BIM模型调整和优化，以此创建施工信息和BIM-4D模型。
建模的顺序大致按从上到下、从大管到小管的顺序进行，以减小后期调整避让的难度。
如果有横向的雨水口连接管则需特别注意，应在其他市政管线之前建模，这是由于重力流管到有坡度，而且不能上弯，一般需要其他管线去避让它，因此先行建模有利于后期调整避让。
图5.3各专业管道颜色区分
4）建立各专业管道BIM模型后，在各专业管道BIM模型中对各自专业管道进行相应的专业校验；将校验后的各专业管道BIM模型进行整合；将其与图纸再次核对对应，另外，对于前期勘察到的管线也需在此时构建模型（除去工程范围内需拆改的管道外），颜色与拟建管线区分。
2BIM模型的优化
1）为了避免管线碰撞、控制埋深，管线间的避让是不可避免的。
本工法选用AutodeskNavisworks软件，该软件具备可整合完整的项目模型、实时可视化、精确度较高等优势，由此针对性建立特征集合、创建设计及施工规范，即可保证碰撞分析的效率和精度。
在具体的碰撞分析过程中，需将“.NWC”格式的文件由Revit软件导出，并将其
载入碰撞分析软件，以此即可通过针对性的碰撞分析生成碰撞报告，具体的模型冲突检测需采用软件的ClashDetective功能，以此针对性选择碰撞系统类别、碰撞类型，即可逐步完成初步检查和全部排查,碰撞点信息也能够准确的以碰撞报告形式展示。
图5.4碰撞检测示例
2）可直接在建模的过程中观察管线空间关系并予以调整，在局部区域完成建模后，使用BIM软件的碰撞检测功能；也可以在对各专业管道BIM模型进行整合后，再进行碰撞检测。
对于大型工程，不必等到道路所有管线都建模完成再进行检测，因为各软件的整体检测速度都较慢，对电脑配置要求高，并且调整起来更难控制，更适合采取先局部后整体的方式调整。
Autodesk1
Navisworks*
碰撞报告
京”的4埒gI公差会蕤厮套活动的巳审阅I已核准亘解决I类型状态
污水管与雨水管的碰撞10001ml12I；2I0I0I0I0|硬碰撞|确定
图层项目名称项目类型
F1 生活污水系统实体
F1 生活污水系统实体
F1 生活污水系统实体
项目1 项目2
图5.5碰撞报告示例
3）进一步的优化需围绕碰撞点的修改展开，以此基于碰撞信息进行碰撞点的检查和调整，碰撞点定位可基于碰撞元素ID的手动输入实现，具体优化需结合相关规范要求，并遵循基本避让原则逐个修改、优化全部碰撞点；特别是当拟建管道与既有管道有所碰撞，在保护既有管道的同时，对于有条件的采用基本原则避让，无条件的可根据BIM信息协商具体施工方案。
因为通过三维BIM模型使得精确地调整管线高度成为可能，为满足敷设要求及埋深控制，在多管交汇的地方可以进行精细的实体避让。
4）碰撞检测直至整合后的管道BIM模型中没有碰撞点，达到“得出最优施工方案，规避工程风险，优化管道施工流程，减少碰撞，提高效率”的效果。
5.2.3方案模拟、比选
1）方案模拟、比选包括整体方案以及各专项方案的模拟比选，即建设项目某施工方案的比较与选择，是寻求技术可行与经济效益最优的必要手段，也是保证工程安全生产的重要组成部分。
2）传统施工方案的编制一般是基于二维图纸和施工经验，由于缺乏现场验证，其施工可行性往往无法满足实际要求，导致施工方案往往是边施工、边修改、边优化，对工期、质量和成本均产生较大影响。
3）另一方面，当前施工方案比选方法一般是将不同施工工艺、施工组织、成本等内容进行综合考虑，然后由公司或项目总工负责召集项目部各部门集中讨论，从中分析各方案的技术可行性与经济合理性等，并最终择优确定方案。
传统方案比选方法首先需要比选人员耗费一定时间来理解工艺工序及施工方法；其次由于缺乏对单项工程施工及竣工实物的直观印象，难免会造成部分比选评选人员对施工方案理解偏差；并且由于参与比选的不同施工方案单独成册，比选人员无法便捷的进行同条件分析，需要比选人员具备较高的业务素质水平。
4）通过BIM技术三维可视化可实现施工方案模拟和优化，直观地了解总体施工方案的重要时间节点和相关工序，清晰掌握施工过程中的难点和要点，优化施工组织设计。
通过不同颜色设置，演示施工进展。
5.2.4可视化技术交底
1）可视化技术交底是通过移动设备将施工方案的BIM模型动画化并带入施工现场。
同时，利用设备对照现场实际情况进行可视化技术交底，极大方便了施工人员对施工方案的直观了解。
2）交底的过程是借助BIM协同管理平台，把PDCA的全面管理思路融入工程实际，将施工交底从单独的一项技术转换为闭环管理过程中的一环，既保证了交底前有足够的时间准备，节约实施时的时间,又保证了交底中直观的表达，减少了作业人员理解上的偏差，还保证了交底后及时复核，让交底不流于形式。
3）同时，大部分的可视化交底资料是可以通用的，可作为企业
培养人才的学习资料，也可作为下一个工程的模板，因此，虽然在首次制作时稍花人力物力，从长期看，对系统性地培养人才、保证交底质量、减少前期技术准备时间等方面有利。
图5.6可视化交底示例
5.2.5BIM+AR（增强现实）放样
1）AR技术是一种实时地计算摄影机影像的位置及姿态并加上相应图像的技术，这种技术的目的是在屏幕上把虚拟世界叠加在现实世界并进行互动，即通过设备可将BIM模型与现场实际相结合，现阶段可用于测量放样、验槽、地下设施识别等的辅助手段，其原理是利用BIM软件制作相关模型以及工艺动画，载入AR平台，通过平台对现实环境进行扫描，从而将制作的BIM模型与现实环境相关联，投影到现实世界中，此种方式将文字转变为图像，可以直观的感受到管线状态及其与现实空间的关系，以上功能可采用pad作为载体来实现。
图5.7BIM+AR平台效果示例
2）对于大型复杂工程及有条件的工程，为了使建模的数据更精确，进而保证质量、节省工期，可采用基于BIM的智能化全站仪（本文采用“拓普康LN-150”）进行测量。
测量作业中，可将BIM模型导入GeoBIM软件的PC端中，提取放样关键点坐标，再将数据加载至移动端（pad）,由pad连接全站仪，全站仪通过激光来定位棱镜的位置坐标，并通过网络传输将其显示在移动终端上的应用程序所建立的数字模型中，且该虚拟坐标会随着棱镜的真实位置改变而同步发生变化，实现施工现场的真实空间坐标系与3D模型的虚拟空间坐标系间的整合，确保施工现场精确高效的定位放样。
图5.8智能全站仪示例
对于狭窄环境下，管线、建筑、构筑物之间的空间关系错综复杂,
管线定位放样工作消耗的人工及时间成本较大，存在大量重复测量放线的工作，利用该思路，可实现BIM模型自动化放样工作，省去图纸与模型、模型与实际、实际与图纸之间的相互转换，节省人力。
图5.9模型与现实交互（根据模型与实测信息自动生成土方量）
5.2.6BIM+AR地下设施识别
1）利用pad等设备，搭载运用BIM+AR技术，结合GIS和GPS系统，通过已建立的整体模型，在进行地下开挖施工前采用主动或被动触发的方式及时发现工程及周边建筑物、管线隐患，预防事故发生,实现从被动监控向主动监控的转变。
2）具体步骤为：
将模型导入到基于GIS数据的地理信息云平台
中，并在平台中对模型进行检查维护，确保正确；利用设备自带的
11
GPS定位系统上传位置给地理信息云平台，调取该位置对应的三维模型与现实环境相结合；利用AR识别施工区域内地下预埋的管线情况,并进行亮显警示，进行地下开挖时可有效避开。
5.2,7切缝、破除原路面
1）复杂环境下破除原路面采用机械与人工配合的方式进行，以人工为主；
2）流程为：
切割边线一小型铳刨机、风镐等破除原路面一集硝装车一外运到指定地点。
3）破除路面及开挖时根据BIM+AR信息做好建、构筑物的保护措施。
图5.10切缝、破除原路面示例
5.2.8沟槽开挖
1）复杂环境下采取机械与人工配合的方式进行沟槽开挖，以人工为主；
2）机械开挖+人工清底：
现场用的挖土施工机械有推土机、装载机、挖机等，进行机械挖槽时，为了保证槽底的土壤不会被破坏及扰动,在设计槽底的0.2m左右改用人工进行清挖；
3）复杂环境下优先采用人工开挖：
进行人工开挖所使用的工具主要有铁锹及镐等,施工的工序是放线、开挖、修坡（或支护）及清底等，当开挖2m之内的沟槽时，应将人工开挖及沟槽出土结合在一起进行；当沟槽比较深时，应分层进行开挖，每个层次开挖的深度宜控制在2〜3m,运用层次间的留台供人工进行倒土及出土（或采用简易的垂直运输设备出土）；在沟槽的开挖过程中，应该对开挖的断面进行控制，同时槽底的土壤不能扰动，当与槽底比较接近后，要加强测量，并注意清底，不能超挖；当超挖现象发生后，要按照相关规定进行回填，并保持槽底的平整。
5.2.9管道铺设、附属结构物施工等
本工法管道铺设、附属结构物施工等步骤与现行工艺流程一致，可采用如上文所述BIM+AR技术对中线、位置等进行施工过程中的质
量控制。
图5.H 管道施工总体示例
5.2.10BIM+AR辅助验槽、验收
利用AR技术，通过在现场放置BIM模型与现场实际施工成果比
对，管理人员一眼就能检查出是否按照设计要求准确施工，使验收过程更为直观，验收结果更加准确。
通过模型在现场的还原，也能提前发现设计存在不合理的部位，及时反馈给甲方和设计院做出调整，这
样就避免了可能出现的设计变更和返工，将问题解决在发生之前。
6材料与设备
本工法所需的材料及设备见下表：
表6.1材料与设备表
序号
名称
规格
数量
用途
一、建模用
1
计算机
配置符合软件操作要求
1台
建模
2
Revit、civil等建模软件
/
任选一
建模
3
Navisworks等检测软件
/
任选一
碰撞检测
4
BIM+AR平台软件
一般采用平板电脑搭载
任选一
可视化交底等
5
Fuzor>BIM-film等动画软件
/
任选一
制作动画
二、施工用
6
小型铳刨机
YX-350C
1台
铳刨沥青
7
风镐
/
1台
破碎路面
8
小型开槽机
YX-150
1台
切缝
9
智能全站仪
拓普康LN-150等
1台
模型与现实交互
10
小型挖机
SY60C
1台
坑槽开挖
7质量控制
7.1施工质量标准参照《给水排水构筑物工程施工及验收规范》
（GB50141-2008）、《给排水管道工程施工及验收规范》
（gb50268-2008）＞《城镇供热直埋蒸汽管道技术规程》（CJJ/T
104-2014）等规范进行质量管控；
7.2质量管控措施：
7.2.1严格按照设计单位确定的工艺参数及使用功能控制，管线综合布置时，应遵守各管线相应规范及设计标准，不得降低标准；
7.2.2严格按制图规范制图，保证图纸质量，做到图面清晰、简
明，符合设计、施工、存档要求，适应工程建设的需要；
7.2.3严格按各系统管线避让布置原则进行布置，必须满足规范及安全使用功能；
7.2.4在保证结构安全及各系统管线使用功能基础上，管线应排布美观；
7.2.5应考虑维修和二次施工管道（线）的需要，预留出足够的后续维修及施工位置；
7.2.6模型完成后，应结合信息模型应用标准进行模型自检、共检，确保模型及模型信息准确无误；
7.2.7做好施工准备工作，建立健全资料数据实时更新制度，指派专人负责信息反馈，确保工程优化模型反映工程变化；
7.2.8结合优化模型做好各项技术交底，每道工序完成后，必须执行“三检”工作，并做好检查记录；
7.2.9当管理人员（发起人）发现问题后，可直接在移动端上传图片，填写问题描述和整改要求，发送给整改人。
整改人收到整改通知后，根据整改要求完成整改，并将整改情况以及整改后的照片反馈给发起人。
发起人收到反馈信息后，对整改情况进行验收确认，形成“发起一整改一确认”的闭环管理。
可以对质量安全问题进行定期统计，分析问题构成、专业分布情况、问题整改情况，生成分析报告发送给相关负责人，方便对方及时、快速掌握工程整体的质量、安全情况。
8安全措施
因本工法核心实施内容均在电脑工作室内完成，安全措施无需特别说明；后期指导施工中的具体安全措施参照常规管线施工工法，不
作特殊说明。
图8.1BIM安全质量管理示例
9环保措施
本工法旨在利用BIM技术做到前期预控，即在前期充分考虑环保要求，从绿色施工角度进行考虑，尽量减少资源浪费；后期指导施工中的具体环保措施参照常规管线施工工法，不作特殊说明。
10效益分析
10.1社会效益
10.1.1本工法通过预控以降低返工率、减少资源浪费、提高施工效率，尤其大型市政工程，节约效果更加明显；
10.1.2本工法依据BIM技术的优势，对施工过程进行全方位的直观展示，所有报表数据随时即得，提高协同效率，降低沟通成本；
10.1.3通过本工法完成的建设项目，可将项目BIM模型交付于业主单位，为城市CIM平台建设及后期运维提供基础信息支持；
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10.2经济效益
10.2.1提高施工质量
以往管线的优化布置是在二维平面上进行，更多依靠技术人员的空间想象能力，影响优化结果的不确定因素较多。
本工法则是在仿真三维空间里对管线进行优化布置，优化的合理性、准确性、深度均得到有效提高，对后期施工的指导作用明显增强；
10.2.2缩短施工工期
在前期进行碰撞检查，提前发现管线位置重叠、碰撞等问题并予以解决，减少施工阶段可能存在的设计变更和返工等，优化管线施工方案，合理安排施工顺序，使得各专业有序进行交叉作业，提高施工效率、至少减少了15%左右的各专业协调时间，节约工期；
10.2.3至少降低约5%的材料成本
本工法应用的两个工程均对材料进行精确控制，避免材料因无计划使用造成的浪费，平均比往期同类工程节约5%以上的材料成本；
10.2.4降低不确定因素带来的风险
避免由于误损其他管道造成的工期及经济损失。
11应用实例
11.1温州市瓯海区西山东路道路及周边绿化改造工程于2021年10月13开工建设，于2022年5月19日验收，工程位于温州市瓯海区景山街道，道路南起锦绣路，北至雪山路，道路全长0.90公里。
由于该道路建设年代久远、交通组织混乱、路面破损严重，沿路架空线缆杂乱无序，针对以上问题温州市瓯海区综合行政执法局决定启动瓯海区西山东路道路改造工程，对道路进行市政管网整治以及对沿路线缆进行“上改下”治理。
不计前期BIM软件及各类可循环使用的设备等费用，与同期开工类似的采用传统工艺的工程相比减少直接成本约12万，包括减少物料消耗9万余、减少人工3万，同时，因本工程范围内存在若干不需要改造的管网，故存在误损风险大，采用本工法有效避免了该种风险带来的成本，不计风险成本，减少可能出现的返工等造成间接成本约15万，总计节约成本约27万。
该工法在合理配置人材机、减少浪费、避免风险等方面效果较好。
11.2瓯海区上江路道路改造工程于2020年8月28日开工建设,于2021年2月2日验收，该工程采用本工法进行施工，施工中，有效避免其他管线干扰，未出现误损现象，不计前期BIM软件及各类可循环使用的设备等费用，与同期开工类似的采用传统工艺的工程相比减少直接成本约10万，包括减少物料消耗8.5万余、减少人工1.5万，减少可能出现的返工等造成间接成本约15万，因本工程范围内存在若干不需要改造的管网，故存在误损风险大，采用本工程有效避免了该种风险带来的成本，不计风险成本，总计节约成本约25万。
该工法在合理配置人材机、减少浪费、避免风险等方面效果较好。
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