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主管:住房和城乡建设部

主办:中国勘察设计协会

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市政BIM发展趋势浅析

王彦祥 章沛蓉 田颖玲 何琴

摘要

本文通过分析市政领域主要软件平台近年来的技术发展路线和并购策略,提出软件功能与用户需求之间的关系,各软件平台进行项目的全生命周期及闭环生态建设、云平台的搭建和仿真模拟成为并购的热点。在工程总承包和全过程工程咨询的背景下,用户的BIM应用将从单一模型构建向多维度信息利用过渡。BIM与GIS的组合应用,将有力推动城市信息模型的构建与后期管理。

关键词: 市政领域;BIM;GIS;云平台;城市信息模型


前言

近年来,市政工程项目复杂化程度越来越高,影响设计与施工的因素也越来越多,参建单位以全过程工程咨询和总包方式介入趋势日益明显,业主从多维度对项目进行评价,对项目提出了更高的要求。BIM在该环境下充分发挥优势,采用可视化手段在项目的全生命周期进行设计及施工的优化,参与运维管理,通过量化手段及仿真模拟,提高工作效率、节约成本。

在实际项目中,参建各方会根据自身需求选择相应的软件平台,开展不同程度的应用,而各单位在项目的不同阶段进行数据传递或同一阶段进行数据交互时,又涉及到数据格式问题。本文结合市政BIM软件平台发展现状,浅析BIM应用现状及发展趋势,对市政BIM应用的趋势进行简要介绍。


1.BIM软件应用现状


1.1 现阶段平台的功能、行业细分、收购合并现状

BIM的关键在于信息(Information),这个是区别于传统二维设计的关键,也是信息模型的价值所在,同时信息必须依托模型(Model)。基于计算机硬件的发展,原本约束软件使用范围的瓶颈得以解决,硬件可以支持更大体量和范围的模型,参与模型的构建、仿真模拟与渲染和分析。

市政项目组成较为复杂,可供选择的BIM软件较多。BIM软件平台可以按照路、桥、隧、管网、水厂、泵站等专业进行区分。现以国外软件Bentley、Autodesk、Dassault为例进行简要介绍。

前述三家软件平台针对市政项目均提供有一系列解决方案。其中,Bentley针对各专业均有对口软件,数据交互性好,可以通过相互参考的方式完成设计的优化和模型检查,利用ProjectWise参与协同管理;Autodesk的房建软件Revit参数化性能较好,通过Dynamo编程方式协助完成路桥隧模型构建,统一进入Naviswork进行拼装检视,通过GIS性质的软件Infraworks完成模型和正射影像的组合,实现对大体量模型的支持;Dassault的参数化设计软件Catia,在桥梁设计上表现优异,同时3D Experience提供了云协同平台。面对同一领域的竞争对手,软件平台除开发新的产品外,还采用了并购的策略。Bentley近年来的并购路线如表1所示。


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从软件应用场景结合Bentley已拥有的软件进行分析,在集成了BIM三维信息处理能力的基础上,并购可以弥补自身短板,往协同平台化的方向发展,进一步拓宽可视化的边界,在一个软件供应商的体系内构建基础设施建设项目的全生命周期,通过上下游的整合,形成闭环生态,同时留有外部端口,允许其他软件的接入,进一步拓展应用空间。从产品线进行分析,并购使自身产品线与竞争对手相称,出现对标产品,这一特点在其他软件供应商的并购路线也呈现相同的趋势。

BIM软件并购并非以大吃小,更多的是优势互补,消除应用盲区。随着基建设施的完善和物联网的发展,智慧城市和数字孪生模型被提上议程,云平台炙手可热,完成并购之后的软件商服务范围较为统一,这种结果源自技术的进步及客户需求。


1.2 选择平台的因素:性价比、专业配合程度、数据交互及传递

对于参与项目建设的单位而言,基于自身利益和业主要求,会对己方参与的部分进行不同程度的数字化,该阶段涉及软件平台的选择。

影响平台选择的因素包括自身优势专业对应的专业软件成熟程度、平台搭建时间与维护成本、模型应用的生命周期、专业之间的配合与衔接、项目不同阶段的数据交互与传递,人才培养成本以及投资和产出比等。但实际情况是,即便是同一软件商提供的产品,软件之间的格式也可能不尽相同,容易造成数据传递的障碍;同样,由于很多项目采用的是D-B(Design-build)模式,设计单位和施工单位采用不同的软件平台,造成了信息传递不完整或者重复构建模型等情况的发生。


1.3 BIM在项目中的应用深度

BIM在市政项目的不同阶段有着不同深度的应用。

勘察阶段利用无人机获取倾斜摄影或正摄影像,或者利用激光雷达获取点云数据,用于构建实景模型,一定程度上降低了人工获取数据的风险,提高了工作效率;对地质钻孔资料进行整理,构建三维地质剖面,实现可视化管理;将管勘数据导入SUE,构建现状地下管网。

基于勘察阶段形成的成果,设计阶段可通过“BIM+实景”的方式评估道路选线的合理性,分析填挖方与自然景观之间的关系;通过构建各专业模型并总装,可以进行管线碰撞及净空分析,有效地解决错漏碰缺;对于给排水管网,可以进一步评估管道承载能力;BIM模型能够提供精准的工程量数据;图纸阶段的切剖和轴测图能够有效地提高图纸的可读性。在完成模型的基础上,通过可视化展示,进行项目的漫游,可以更清晰地展示设计方案。

在施工阶段,BIM的应用主要集中在施工模拟、进度和质量的控制上。其中施工模拟应用于管线切改、房屋拆迁及设备安装阶段,通过可视化使各分包方更好地判断项目切入点、控制不利因素;对于施工进度和质量的控制,主要是通过协同平台,实现资料的高效流转和安全存储,典型的案例为中国尊项目[1]。

在运维管理阶段,主要是应用于市政路桥和管网,依托于GIS平台搭载实景模型,国内关于直接采用BIM软件进行资产管理的报道相对较少。


2.软件发展趋势

对于一个项目来说,从勘察设计到施工运维,如果仅应用一个平台的软件实现整个生命周期,将会有效地减少无用功;项目周期内采用同一套数据格式,能够有效提高数据传递的完整性,减少文件交互过程中的信息损失。数据格式兼容性更强的软件的优势日益显著。

用户在项目的实际操作过程中,经常会发现软件应用的局限性,同时针对项目特点提出软件改进需求,这是影响软件发展方向的重要一环。软件商在修复BUG的同时可以实现产品的迭代。设计人员、施工方、运维单位对于平台的需求具有共通性:软件易用性好、实现模型的轻量化、保证信息数据的完整性、云端可查。这些需求是影响软件平台开发和并购策略的主要因素。

软件的发展除了需结合用户的需求外,另一个因素就是模仿与跟进竞争对手的优势产品,在构建三维模型的基础上,Bentley改进了参数化设计;Autodesk收购了Assemble Systems用于强化项目管理平台;Dasault则通过构建研发中心,开发市政领域的多个子项软件。从时间跨度上来看,软件功能呈现趋同性,产品出现对标性的特点。目前在实际工程中,主要借助软件之间的搭配及组合来完成不同类型的项目,涉及不同的软件平台和数据格式。

结合各软件平台技术路线可以判断,一方面将依托核心软件的更新迭代进行纵深推进,另一方面需借助资源整合,通过并购方式实现横向拓展。平台的后续形态将覆盖整个项目的全生命周期,从建模到仿真、从建造模拟到资产管理,提出一套完整的解决方案。


3.BIM软件应用的发展趋势


目前,国内对于BIM软件在项目上的应用处于“边学、边练、边积累”的阶段,较为常规的发展路线为:翻模→单专业模型构建→各专业搭配构建模型→协同设计,在这一过程中伴随着模型的校审,方案的评估和协作方式的改进,实现了设计质量的提升和工作效率的优化。随着软件的普及和人才培养体系的成熟,这一过程逐渐明晰,但仅建立一个三维模型并不能充分发挥软件的功能。

BIM的关键在于信息,以基础模型(Model)为载体,信息是后续运维管理的关键。三维模型更多的是提供物理信息,即几何属性(定位、尺寸),其非几何属性应得到进一步的挖掘,用于验证设计的合理性,更好地发挥工程的社会效益。许云骅对污水厂单体进行绿色建筑分析和池体污水的流态分析[2];苏木提出轨道交通与周边地块联通的通道设计,可以借助BIM技术对站内消防、安保布置及客流进行分析,实现地块客流的最大引流[3]。

以设计阶段为例,对于基础模型,通过信息加载或信息提取,可以进行多专业的模拟与仿真,获取高附加值的数据。对于建构筑物,基于模型完成配筋后,结合预留孔洞进行结构受力分析,对配筋加以调整,提高结构安全性;对市政道路进行照明分析,合理分配公共资源;对输水管道进行水力过渡分析,根据分析结果调整平纵位置,进一步做管线碰撞检测,保证输水稳定性;建筑单体内的烟气扩散模拟、排水管道的过流能力、流态分析及压力变化都是判断设计合理性的重要参数,可以对不同负荷下的运行状态进行评估,对于运维保养有重要意义。

从几何属性的应用扩展到非几何属性的应用,通过信息的发掘与传递,链接设计、采购、施工和运维,BIM应用将从底端的翻模提升至信息载体。经过实际项目的经验累积,在全过程工程咨询和总包的背景下,BIM的应用将进一步得到前置,在IPD模式下更好地发挥作用。


4.基于BIM+GIS,构建CIM平台


目前,市政BIM较多应用于路桥隧、建筑单体或园区,用来整合和管理设施本身全生命周期各个阶段的信息,偏重于精细化管理,在宏观信息管理能力和周边环境整体展示能力方面存在不足;GIS技术侧重于地理空间环境信息的宏观表达,能够处理海量的地形数据,集成地图视觉效果与地理信息的分析,完善城市级BIM大场景的展示,用于整合和管理设施外部环境信息,但不能创建精细化的内部微观模型。

BIM与GIS之间并无可替代性,更倾向于是一种互补的关系。利用BIM技术弥补GIS技术在项目信息模型精度上存在的不足,基于GIS技术对各项目零散的建筑信息模型数据进行整合,BIM和GIS正从各自的领域逐步走向两个领域的融合。通过数据组织模式的优化、建立空间索引结构,提高可视化性能,满足不同行业对空间信息表达和管理的需求[4]。

GIS技术为城市的智慧化奠定了基础,BIM则加载了城市建构筑物的信息,BIM模型经过轻量化后导入GIS平台,实现微观数据与宏观数据的整合。通过搭建沟通平台实现信息资源共享、扩大信息覆盖范围、消除信息孤岛、多专业多领域的合作,扩大其应用空间,构建城市信息模型CIM(City Information Modeling)。二者的结合将创建一个附有大量信息的虚拟城市模型。

集成BIM技术和GIS技术进行城市级工程项目管理,将在海量信息可视化、项目信息协同以及工程管理技术融合等方面提供更完善的解决方案,用于服务工程建设和市政管理工作。与单个应用相比,在建模质量、分析精度、决策效率、成本控制水平等方面都会有明显优势。

总之,BIM+GIS的融合在城市和景观规划、智慧城市建设、城市微环境分析、市政管网管理、建筑设计、灾害管理、室内外导航等诸多领域,提供了一个集预测规划、仿真推演和决策支撑为一体的平台。


5.结论

(1)软件平台通过并购提高资源整合能力,实现项目的全生命周期构建;用户的需求、软件在项目中应用方向及应用深度,对软件平台的开发和并购策略有影响。

(2)在软件功能呈现趋同性的背景下,BIM软件平台的易用性、便捷性、数据通用性和云端访问速度将影响竞争格局。

(3)BIM的应用方向将从模型构建提升到信息利用,并与GIS相融合,应用于数字城市的构建,辅助工程建设和市政管理。


参考文献

[1]陈宜,王昕,杨震卿,宋萍萍,张晓玲.中国尊项目的BIM协调与数据整合[J].建筑技术,2016,47(08):705-707.

[2]许云骅.BIM技术在市政工程中的运用[J].给水排水,2018,54(S2):264-266.

[3]苏木.“GIS+BIM”技术在城市轨道交通保护中的应用[J].智能城市,2018,4(18):73-74.

[4]陈玉龙.多分辨率层次模型支持下的BIM-GIS集成可视化[J].测绘通报,2018(12):69-73.