BIM技術在市政道路設計中的應用及難點分析

梁慶學，李新星，熊 誠

（中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430010）

0 引言

隨著我國社會與經(jīng)濟的快速發(fā)展，工程項目規(guī)模越來越大，功能越來越齊全，個性化需求也越來越多，而傳統(tǒng)二維設計的弊端也日益凸顯。近些年來，伴隨著信息技術普及應用，社會對從業(yè)者提出了更高的標準與要求，智能建造與精細化設計已成為提升企業(yè)競爭力的重要手段。BIM作為一種新興智能輔助技術和管理工具正在推動著工程設計、建造、運營維護等多方面的變革，有著越來越大的社會需求。本文以市政快速路改造工程為背景，探索了BIM技術在市政道路設計中的應用方法，分析了BIM技術應用難點。

1 項目概況

西陵二路快速路位于宜昌市西陵區(qū)，項目設計起點為沿江大道，終點為東山四路快速路。道路紅線寬度28～63m，雙向4～6車道，設計全長7501.199m，屬舊城區(qū)快速化改造工程。工程設計內(nèi)容包括道路工程、排水工程、橋梁工程、通道工程、照明及電力工程、綠化工程、交通工程等。該項目具有體量大、標準高、專業(yè)交叉多、涉及面廣、項目空間性強、復雜多變等特點，在市政快速路中具有一定的代表性。

項目以宜昌市西陵二路快速路工程為依托，綜合應用 AIW、Revit、Inventor、Civil3D、Navisworks等多款輔助設計軟件完成了西陵二路快速路工程的BIM設計，實現(xiàn)項目的三維展示、二維出圖、工程量快速測算以及碰撞檢查等功能。其主要設計內(nèi)容包括項目三維地形模擬、全線道橋隧三維模型搭建、交通組織及標牌設計、配套景觀及管線工程設計、4D施工模擬等。

2 BIM技術應用及成果

2.1 應用環(huán)境

目前市場上的BIM類軟件主要是針對建筑行業(yè)開發(fā)的，市政行業(yè)相對較缺乏，且國外軟件占主流，而對市政道路行業(yè)更是缺乏成熟的軟件和應用環(huán)境。該項目選用歐特克的BIM系列軟件為平臺，采用多專業(yè)協(xié)同設計的模式對市政道路BIM設計進行了探索，如圖1所示。

圖1 項目BIM應用軟件環(huán)境

2.2 應用方法及成果

2.2.1 地形圖繪制

傳統(tǒng)市政道路設計采用的是二維地形圖，在二維地形圖中具體的高程都是以數(shù)字的形式體現(xiàn)，表達方式枯燥且不直觀。BIM設計中需模擬項目的3D效果，采用的地形圖為三維地形數(shù)據(jù)文件。本項目利用Civil3D對二維地形圖進行處理生成三維地形數(shù)據(jù)文件（見圖2），從而對設計地形進行直觀的模擬，對展示方案和優(yōu)化設計具有良好的效果。同時利用Civil3D還可以完成道路的邊坡處理、場平設計以及土方計算等任務。

圖2 項目三維帶狀地形

2.2.2 創(chuàng)建道路

首先創(chuàng)建道路中心線。道路中心線的設計與繪制是市政道路設計中的重要內(nèi)容，也是三維設計的基礎工作。在設計過程中會涉及各種控制因素，如規(guī)劃資料、用地限制、道路平縱設計的規(guī)范指標等。因此，首先統(tǒng)籌考慮各種控制因素，對道路設計中心線進行分段調(diào)整和優(yōu)化處理，然后利用設計軟件Civil3D生成道路三維中心線，即完成道路的平縱設計。

對于市政道路，由于功能復雜，橫斷面往往并不是一成不變的，而是需要結合各段道路的功能和用地進行調(diào)整。對于復雜的道路橫斷面可以采用Civil3D的部件編輯器進行創(chuàng)建和裝配，如圖3所示。

圖3 部件編輯器創(chuàng)建復雜路幅斷面

2.2.3 創(chuàng)建重要構筑物模型

目前Revit在建筑行業(yè)的應用已經(jīng)比較成熟，也有較多的成熟案列，Inventor則主要應用于機械設計行業(yè)。項目應用Revit和Inventor進行市政路橋項目的三維設計是一種探索和創(chuàng)新。

本項目的標準橋墩、橋臺、護欄、擋墻、交通標牌、房屋建筑等構筑物采用Revit和Inventor建立了項目族庫，進行了參數(shù)化的定制設計，如圖4所示。

針對本項目復雜的沿江立交、變寬異型橋梁以及體育場路大型下穿隧道等節(jié)點Revit和Inventor已無法完成項目的精確模擬。因此項目組多次探索后采用了基于Revit的二次開發(fā)程序Dynamo進行程序化建模，解決了常規(guī)軟件無法實現(xiàn)的功能，如圖5所示。

圖4 項目標準族庫

圖5 Dynamo創(chuàng)建立交工程

2.2.4 項目三維模型整合

將三維地形、Civil3D創(chuàng)建的道路以及重要節(jié)點的Revit和Inventor模型導入設計軟件AIW中進行整合。利用AIW的貼圖功能將實景地圖賦予導入的三維地形來模擬項目實際地形。利用AIW完成道路的配景，再通過AIW的其他功能創(chuàng)建道路橋梁附屬結構、行人、車輛以及項目周圍建筑物、山川、河流、湖泊、樹林等。最后通過AIW的漫游功能進行項目的三維動畫展示。多專業(yè)模型整合如圖6所示。

圖6 多專業(yè)模型整合

2.2.5 碰撞檢查和施工模擬

市政路橋項目涉及專業(yè)廣、交叉點多，利用Navisworks可以進行項目的碰撞檢查，避免專業(yè)沖突，減少設計失誤，能有效避免設計事故。

利用Navisworks進行施工模擬，能夠直觀地反映項目的施工組織，有利于把控項目施工期間的風險、成本和進度。

2.3 創(chuàng)新點

（1）利用Revit和Inventor創(chuàng)建了市政道路中標準構件的參數(shù)化族庫，族庫的完善能夠極大地提高設計效率，避免重復設計和返工。

（2）利用Dynamo實現(xiàn)復雜立交橋梁、大型隧道工程的三維建模和設計展示。Dynamo是基于Revit的二次開發(fā)程序，對于市政橋梁隧道中的大量空間異型結構，如變寬變高箱梁、“褲衩”匝道、隧道出入口節(jié)點等采用Dymamo能真實地完成其三維模型的搭建和參數(shù)化定制。

（3）利用部件編輯器完成了市政道路復雜多變的路幅橫斷面設計并進行了裝配。市政道路功能復雜，橫斷面涵蓋車行道、人行道、非機動車道、綠化帶、隔離帶、公交站臺及市政附屬管道、路燈照明、交通監(jiān)控等諸多設計元素，且受城市規(guī)劃、用地限制和沿線交叉口影響，路幅斷面變化多端，進行三維設計時很難實現(xiàn)標準化。采用部件編輯器能夠針對不同樁號范圍的道路斷面進行參數(shù)化定制，然后進行道路裝配即可真實地展現(xiàn)道路平面的變化。

（4）整合了多專業(yè)三維空間模型，基本實現(xiàn)了設計的協(xié)同化、集成化和可視化。項目前期按專業(yè)進行劃分，分別建立了三維地形、橋梁、隧道、地下管線及附屬設施的三維模型，后期通過AIW進行了整合和后期處理，形成項目的整體BIM模型，便于項目設計方案的展示和檢查。

3 BIM應用難點分析

（1）BIM技術作為一種新的技術，在國內(nèi)目前還處于嘗試和探索階段，其技術本身還不太成熟，應用局限性強，軟件的應用環(huán)境較差。BIM類軟件普遍對電腦硬件要求高，設計思路與模式與二維設計不一樣，要大面積推廣使用BIM進行設計，不僅需要投入較多的財力，也需要設計人員投入更多的精力來重新學習新的設計思維模式。同時，BIM技術是從國外引進過來的，目前市場上的軟件還是以歐美為主，其對于國內(nèi)設計規(guī)范、設計思路和市場規(guī)則的適應性也不夠完善，軟件無法做到與中國規(guī)范結合，這也給技術推廣帶來了很大的難度。

（2）市政道路地形均為帶狀結構，處理量大、時間長，對計算機硬件要求高，影響設計效率；三維設計對地形數(shù)據(jù)要求較高，如若地形數(shù)據(jù)被人為修改、篩檢、更換坐標系統(tǒng)等，都會給設計帶來較大麻煩，增加三維設計難度和影響設計的精度。

（3）市政道路含大量復雜的空間立交、變寬橋梁、匝道橋、下穿通道、樣式多變支擋結構，大多數(shù)結構均為三維空間異型曲面，邏輯算法復雜，標準化參數(shù)化設計難度大，加之目前BIM系列軟件局限性強，需要進行二次開發(fā)才能解決。這些局限性嚴重影響了設計效率和精度，與BIM的初衷不符。

（4）項目本身的復雜性、多變性，涉及專業(yè)面廣，交叉協(xié)作要求高，方案調(diào)整變化可能性大等特點，導致設計人員對應用BIM的積極性不高，推廣BIM進行三維設計難度大、進展慢、效果差。

4 結語

雖然目前BIM技術在市政道路項目中的應用尚不成熟，也存在一些與現(xiàn)狀設計思路和市場規(guī)則相矛盾的地方。但其作為一種新技術革命已然開始改變了傳統(tǒng)的市政路橋設計方法和觀念，使設計由二維提升到三維層面，有利于進一步優(yōu)化設計方案，提高工作效率和設計質(zhì)量，加強設計環(huán)節(jié)的交流和合作，提前發(fā)現(xiàn)項目設計過程中出現(xiàn)的一些問題，有效避免了重新設計的風險。BIM技術在市政路橋設計中的應用，對于解決傳統(tǒng)市政設計中存在的問題提供了新的途徑，使市政道路設計更加趨于科學。這對于推動市政道路設計的發(fā)展具有重大的推動意義。

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