BIM技術(shù)在市政路橋設(shè)計(jì)的應(yīng)用與啟發(fā)
——以南臺(tái)大道南段道路工程設(shè)計(jì)為例

劉熠彪

(福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 福建福州 350108)

0 引言

BIM即建筑信息模型，是利用數(shù)字化技術(shù)建立起虛擬的建筑工程三維模型，為具體工程提供完整的、與實(shí)際情況一致的建筑工程信息庫(kù)，幫助工程有關(guān)人員實(shí)現(xiàn)建筑信息集成，從建筑的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)直至建筑全生命周期的結(jié)束。也就是說(shuō)，待建的工程各種相關(guān)信息始終整合于一個(gè)三維模型信息數(shù)據(jù)庫(kù)中，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)、施工單位、設(shè)施運(yùn)營(yíng)部門和業(yè)主等各方人員都可以基于BIM進(jìn)行協(xié)同工作，有效提高了工作效率、優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟，保證設(shè)計(jì)的科學(xué)性，節(jié)約資源，降低成本，實(shí)現(xiàn)建筑工程項(xiàng)目的可持續(xù)發(fā)展。

基于此，本文擬以福州市南臺(tái)大道南段道路工程設(shè)計(jì)為例，詳細(xì)介紹BIM技術(shù)在市政路橋設(shè)計(jì)中應(yīng)用及其實(shí)際效果。

1 項(xiàng)目概況

該工程全長(zhǎng)4.26km，寬度50m～70m，為城市快速路，是城市南向的快速放射線，兩環(huán)之間的快速聯(lián)系通道，路線起點(diǎn)段新建二環(huán)路北園互通，實(shí)現(xiàn)南二環(huán)與南臺(tái)大道南段互通，路段設(shè)高架連續(xù)跨越迎賓路、鳳山路東段后設(shè)地道下穿義序路,終點(diǎn)接三環(huán)路螺洲立交。其中，二環(huán)路北園互通實(shí)現(xiàn)南二環(huán)與南臺(tái)大道南段的互通,，立交型式為喇叭形，共設(shè)置7條匝道，主要考慮南臺(tái)大道南段與二環(huán)路之間的聯(lián)系，其它轉(zhuǎn)向交通和直行交通通過(guò)地面交叉口解決。因此該項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)難度大，各方協(xié)調(diào)工作復(fù)雜，如圖1～圖2所示。

2 設(shè)計(jì)階段BIM技術(shù)應(yīng)用分析

設(shè)計(jì)階段，市政道路橋梁設(shè)計(jì)引入BIM技術(shù)。BIM技術(shù)提升市政路橋設(shè)計(jì)質(zhì)量與效率主要體現(xiàn)在全線三維可視化平臺(tái)應(yīng)用、精細(xì)化設(shè)計(jì)、碰撞檢查、工程量精確統(tǒng)計(jì)、基于BIM模型的二維圖紙生成等幾個(gè)方面。

圖1 南臺(tái)大道全生命周期示意圖

圖2 項(xiàng)目總平圖

(1)全線三維可視化平臺(tái)應(yīng)用

構(gòu)建BIM模型，包括全線三維模型、重要節(jié)點(diǎn)、關(guān)鍵局部模型等，三維視圖促使設(shè)計(jì)方更加立體、直觀、全面地展現(xiàn)設(shè)計(jì)成果。

在設(shè)計(jì)階段即能直觀地看到工程完成后的樣子，解決了傳統(tǒng)CAD二維設(shè)計(jì)方法表述不完整、不準(zhǔn)確等問(wèn)題。

設(shè)計(jì)中，建立了全線三維模型，其中較復(fù)雜模型二環(huán)路北元互通7條匝道和3環(huán)螺洲立交的真實(shí)模擬，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行方案論證和調(diào)整。立體地解決了匝道的優(yōu)化性、美觀性以及橋面凈空規(guī)范性和樁柱的合理布局；同時(shí)，其他關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)如主線高架、主線地道都通過(guò)全線模型直觀地解決與原狀地形的契合、現(xiàn)有道路的銜接。對(duì)設(shè)計(jì)人員而言，有問(wèn)題可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)；對(duì)業(yè)主而言，和心理預(yù)期有偏差能及時(shí)知道，把問(wèn)題解決在萌芽階段。另外，通過(guò)三維模型的排查，如橋梁局部模型、人行地下通道模型，增強(qiáng)了設(shè)計(jì)的合理性、減少了變更與返工，保障了設(shè)計(jì)方與施工方之間的有效溝通。設(shè)計(jì)成果的三維立體化展示，提高了項(xiàng)目的實(shí)用性，縮短了施工技術(shù)交底時(shí)間。

(2)基于BIM的精細(xì)化設(shè)計(jì)

南臺(tái)大道項(xiàng)目設(shè)計(jì)中存在一些復(fù)雜的橋梁構(gòu)件及道路交叉節(jié)點(diǎn)(圖3)，傳統(tǒng)CAD二維圖紙對(duì)這些復(fù)雜構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)表述比較困難，以往設(shè)計(jì)圖紙?jiān)谠O(shè)計(jì)信息表述上時(shí)常不夠完整，大大增加了施工方對(duì)圖紙意圖的理解難度，容易出現(xiàn)一些與施工圖設(shè)計(jì)不符的情況，產(chǎn)生不必要的變更，進(jìn)而增加不必要的成本投入，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)，基本運(yùn)用了BIM精細(xì)化設(shè)計(jì)。以某段橋梁和道路交叉節(jié)點(diǎn)為例，某段橋梁為單箱三室鋼箱梁截面為閉口薄壁截面，抗扭剛性強(qiáng)，頂板、底板面積都比較大，其正負(fù)彎矩的承擔(dān)能力性能強(qiáng)，并且在市政路橋中得到了廣泛應(yīng)用。橋梁上部結(jié)構(gòu)，根據(jù)規(guī)范要求，構(gòu)建各類族庫(kù)，如鋼箱梁底板族、腹板族、懸臂族、橋面鋪裝族等，然后利用確定的標(biāo)高平面和兩個(gè)豎直平面交點(diǎn)設(shè)置一個(gè)自適應(yīng)點(diǎn)組裝起來(lái)形成完整的上部結(jié)構(gòu)；橋墩為雙柱矩形墩上加蓋梁尾墩帽，首先確定一個(gè)帶蓋梁柱子式墩的模型族，接著新建一個(gè)自適應(yīng)公制常規(guī)型族，根據(jù)已知自適應(yīng)點(diǎn)，設(shè)置蓋梁順橋向?qū)挾燃s束參數(shù)為L(zhǎng)。然后進(jìn)行蓋梁族與墩柱族插入，調(diào)整邏輯參數(shù)K，確定墩柱的位置，構(gòu)建拱圈、承臺(tái)、走道板等參數(shù)化結(jié)構(gòu)族。最后，依據(jù)勘測(cè)資料、地理信息等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，借助構(gòu)建參數(shù)化結(jié)構(gòu)族庫(kù)，按照從整體到局部、從零件到構(gòu)建的順序進(jìn)行定位，建立起橋梁BIM模型。同樣的，某復(fù)雜的道路交叉節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)精細(xì)化設(shè)計(jì)建模、渲染后，躍然于眼前，化復(fù)雜難解為簡(jiǎn)單有序?；贐IM精細(xì)化設(shè)計(jì)，通過(guò)BIM模型應(yīng)用平臺(tái)5D技術(shù)，在施工階段能夠?qū)|(zhì)量、進(jìn)度、成本精細(xì)化管理，從而更好地控制項(xiàng)目，如圖4所示。

南臺(tái)大道整體模型 橋梁局部模型

圖3 項(xiàng)目全線模型，重要節(jié)點(diǎn)模型

圖4 精細(xì)化設(shè)計(jì)圖

(3)碰撞檢查、各專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)

碰撞檢查，主要通過(guò)BIM模型檢測(cè)工具發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目中圖元之間的沖突，這些圖元可能是模型中的一組選定圖元，也可能是所有圖元。協(xié)同設(shè)計(jì)是對(duì)多個(gè)專業(yè)及其關(guān)聯(lián)進(jìn)行協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，它將原本獨(dú)立的各項(xiàng)關(guān)系有機(jī)聯(lián)系在一起，同時(shí)還能夠根據(jù)實(shí)際要求對(duì)這些關(guān)系不斷優(yōu)化和更新。在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的市政路橋設(shè)計(jì)中，CAD二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)是將不同的架構(gòu)分別繪制在不同的設(shè)計(jì)圖紙上。因此，設(shè)計(jì)中無(wú)法避免一些考慮不周的情況，而導(dǎo)致一些管道碰撞、部位沖突等情況；另外，專業(yè)設(shè)計(jì)人員之間，由于溝通不善，也容易引發(fā)一些設(shè)計(jì)問(wèn)題。模型檢測(cè)工具能夠快速檢測(cè)以上這些問(wèn)題，并優(yōu)化傳統(tǒng)CAD設(shè)計(jì)的不足。

在該項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)中，道路模型被細(xì)分成了幾十種子模型，有些子模型又由更精細(xì)的子模型組成。例如，橋梁由主梁、蓋梁、墩、系梁、承臺(tái)、樁等10多種子模型組成，這些子模型之內(nèi)高內(nèi)聚，之間低耦合，由于子模型之間的耦合是明確的，所以很容易合并，并且能立即發(fā)現(xiàn)沖突情況(圖5)。同時(shí)，因?yàn)樽幽Ｐ椭g的低耦合性，它們可以分配給不同的人負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)協(xié)同?？傊?，采用了Revit鏈接管理與工作集和協(xié)作化管理工具Teambition，在建模、整合、碰撞檢查等方面大幅降低了設(shè)計(jì)不周導(dǎo)致的一系列失誤。通過(guò)BIM模型對(duì)施工階段的構(gòu)件和管線、建筑與結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)與管線等進(jìn)行碰撞檢查、施工模擬等可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化。

圖5 協(xié)同設(shè)計(jì)、碰撞圖

(4)工程量精確統(tǒng)計(jì)

由于國(guó)家對(duì)于工程浪費(fèi)等現(xiàn)象管理嚴(yán)格，社會(huì)對(duì)精細(xì)化設(shè)計(jì)的要求高。工程量精確與否，某種角度上取決了工程浪費(fèi)的與否。傳統(tǒng)的工程量統(tǒng)計(jì)，造價(jià)人員需從圖紙中逐一計(jì)數(shù)來(lái)統(tǒng)計(jì)設(shè)備、部件、管道等，然后分類統(tǒng)計(jì)于表格中，它具有工作量大、費(fèi)時(shí)、繁瑣、要求嚴(yán)謹(jǐn)?shù)忍攸c(diǎn)，約占全部工程預(yù)算編制工作量的50%～70%，且其精確度和快慢程度將直接影響工程預(yù)算的質(zhì)量和速度，而BIM技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地提供所需的各種工程量信息，快速生成相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表。先前的施工預(yù)算超支現(xiàn)象十分普遍，缺乏可靠的技術(shù)數(shù)據(jù)是造成超支的重要原因。BIM模型本身就是一個(gè)富含建筑構(gòu)件工程信息的數(shù)據(jù)庫(kù)，借助這些信息，快速做出精確的工程量統(tǒng)計(jì)。該項(xiàng)目全線模型完成精細(xì)化設(shè)計(jì)后，能夠快速生成各種工程量，并獲得各項(xiàng)工程量清單。將BIM構(gòu)建過(guò)程中生成的工程量清單與二維CAD設(shè)計(jì)圖紙的構(gòu)建清單對(duì)比，可以快速、精確地檢測(cè)出基于二維CAD圖紙?jiān)O(shè)計(jì)中存在的工程量統(tǒng)計(jì)問(wèn)題，如圖6所示。

圖6 項(xiàng)目工程量統(tǒng)計(jì)圖

(5)基于BIM模型的二維圖紙生成

該項(xiàng)目基于深度LOD(Level Of Detail)100-200的三維模型，生成符合初步設(shè)計(jì)深度要求的設(shè)計(jì)圖紙，大大減輕了設(shè)計(jì)人員的工作量。傳統(tǒng)的二維圖紙說(shuō)明未有連動(dòng)性、沖突不易檢查且不含信息等缺點(diǎn)。因此，變更設(shè)計(jì)后同一部位的圖紙說(shuō)明可能分布于多張二維圖紙說(shuō)明中，若不能將圖紙說(shuō)明全部清圖檢查，且修改處若沒(méi)全數(shù)修改，則容易產(chǎn)生錯(cuò)誤的圖紙說(shuō)明信息，導(dǎo)致施工現(xiàn)場(chǎng)的施作誤解、施工界面產(chǎn)生等問(wèn)題，需要花額外的時(shí)間檢討、溝通、檢查，影響后續(xù)工期或施作作業(yè)。而BIM模型內(nèi)的部位皆含三維可視化、連動(dòng)性、參數(shù)化、信息化，同部位的二維圖紙生成雖然也分布于不同視圖中，但因視圖由同一個(gè)三維模型剖切而直接產(chǎn)生，同部位只需修改一次即可，減少了相關(guān)部位變更次數(shù)，并且可將修改過(guò)的部位進(jìn)行沖突檢測(cè)，提早仿真修改后的方案有無(wú)部位碰撞問(wèn)題，確認(rèn)修改是否合適或有更好的方案選擇，可克服傳統(tǒng)二維圖紙說(shuō)明檢查時(shí)人為疏失或難以察覺(jué)的缺失，確保圖紙說(shuō)明數(shù)據(jù)正確性。

3 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，BIM技術(shù)在市政、公路行業(yè)已經(jīng)有了相對(duì)廣泛的應(yīng)用，該項(xiàng)目集合了市政道路、高架橋、地下人行通道的大類的綜合項(xiàng)目，在設(shè)計(jì)階段引入BIM技術(shù)，優(yōu)化了設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，即通過(guò)構(gòu)建BIM模型，對(duì)三維可視化應(yīng)用、精細(xì)化管理、工程量統(tǒng)計(jì)、碰撞檢查等，效果十分顯著，大大提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，同時(shí)也使得設(shè)計(jì)與施工能夠有機(jī)結(jié)合起來(lái)。本文對(duì)此項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行總結(jié)研究，旨在為日后類似工程設(shè)計(jì)應(yīng)用BIM技術(shù)提供一定參考經(jīng)驗(yàn)。

目前，我國(guó)在BIM技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展和推廣還處于初步階段，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)還不夠統(tǒng)一，但BIM技術(shù)是設(shè)計(jì)理念的一次飛躍，正在引發(fā)工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域的又一次變革，雖然暫時(shí)會(huì)有一些阻力，但設(shè)計(jì)走向BIM是必然趨勢(shì)。