基于BIM技術(shù)的市政道路設(shè)計(jì)方案優(yōu)選分析

鄧瑋熙

（中機(jī)國(guó)際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是一項(xiàng)涉及城市道路、橋梁、地鐵等管線的專業(yè)建設(shè)項(xiàng)目。隨著BIM技術(shù)在市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用水平日益成熟，市政工程項(xiàng)目的整體技術(shù)架構(gòu)也從二維設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向三維模型。將建筑、施工設(shè)計(jì)等各類信息集成到BIM信息數(shù)據(jù)庫(kù)中，利用BIM技術(shù)完成三維建模，最終生成施工信息模型，可提高市政工程的施工效率，并大大減少各階段工程信息不均的問題。

1 BIM技術(shù)概述

1.1 BIM技術(shù)的基本概念

BIM指將項(xiàng)目中涉及的具體數(shù)據(jù)信息作為變量，通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，最終生成目標(biāo)項(xiàng)目的3D模型[1]。NBIMS將其定義為一個(gè)3D模型的信息資源共享平臺(tái)。而我國(guó)《建筑信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T51212—2016）[2]指出，BIM技術(shù)是一種能夠在整個(gè)設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)和管理等工程項(xiàng)目生命周期內(nèi)，完成功能和物理特性信息表達(dá)的技術(shù)。

1.2 BIM技術(shù)的主要特點(diǎn)

1.2.1 統(tǒng)一性。無論科技水平如何發(fā)展，一個(gè)特定的項(xiàng)目不可能僅由一個(gè)專業(yè)的人員完成。項(xiàng)目建設(shè)涉及多個(gè)學(xué)科，內(nèi)容復(fù)雜，注重統(tǒng)一性。由于技術(shù)上的限制，人們通常根據(jù)自己的專業(yè)類別完成項(xiàng)目工作的一小部分。在工作過程中缺乏有效的溝通和信息共享機(jī)制，增加了項(xiàng)目管理的難度。然而，通過BIM技術(shù)三維建模可確保所有參與工作的人員都能對(duì)項(xiàng)目的最終效果形成統(tǒng)一的理解。因此，統(tǒng)一性是BIM技術(shù)最重要的特征。

1.2.2 集中性。從以上分析可以看出，同一個(gè)項(xiàng)目涉及多個(gè)學(xué)科，所以工程設(shè)計(jì)離不開多專業(yè)的合作。如果采用傳統(tǒng)的信息溝通機(jī)制，很難保證項(xiàng)目不同階段的所有信息都能夠收集完整，還會(huì)出現(xiàn)很多重復(fù)性的管理問題。不同專業(yè)領(lǐng)域的項(xiàng)目人員在同一個(gè)BIM技術(shù)平臺(tái)完成各自的工作，對(duì)于各個(gè)環(huán)節(jié)的項(xiàng)目資料進(jìn)行集中性的存儲(chǔ)，對(duì)于各個(gè)部分的施工進(jìn)度也進(jìn)行集中，可降低項(xiàng)目負(fù)責(zé)人收集數(shù)據(jù)資料的難度。

（1）信息共享性。項(xiàng)目的實(shí)施是一個(gè)過程。從上一個(gè)流程的完成到下一個(gè)流程的部署，依靠有效的信息溝通機(jī)制來實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)和信息的高效流動(dòng)。BIM技術(shù)的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的溝通方式，所有信息都可以在同一個(gè)模型中傳輸、下載和更新，極大地提高了信息溝通的流暢性。

（2）信息壓縮性。所有信息的存儲(chǔ)和共享都由專業(yè)人員在同一平臺(tái)上完成，專業(yè)人員只需建立和修改與其專業(yè)相關(guān)的信息，即可實(shí)現(xiàn)信息的有效壓縮。

（3）信息關(guān)聯(lián)性。組件信息的關(guān)聯(lián)性增強(qiáng)，方便了模型的后續(xù)修改。例如，在城市道路設(shè)計(jì)中，施工環(huán)境復(fù)雜，傳統(tǒng)的二維圖紙難以準(zhǔn)確表達(dá)空間特征。所以，可通過3D模型顯示道路的功能和物理特征。

2 BIM技術(shù)在市政道路設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)概述

2.1 提高市政道路設(shè)計(jì)模型的完整性

BIM的三維建模能力很強(qiáng)大，BIM技術(shù)不僅能夠非常簡(jiǎn)單地制成三維地形圖，從此圖中可清楚地看到地形的實(shí)際高程情況。除了可以展示道路設(shè)計(jì)的具體效果，BIM技術(shù)建立的三維市政道路模型還包含了許多其他信息，如線路信息、路基路面信息等物理和幾何工程信息，以及工程造價(jià)信息、施工技術(shù)和進(jìn)度管理等信息。與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念相比，它更加完整。

2.2 加強(qiáng)不同階段設(shè)計(jì)信息的關(guān)聯(lián)性

隨著項(xiàng)目的進(jìn)展，難免需要修改BIM三維模型中的數(shù)據(jù)。但即使修改了數(shù)據(jù)，也不會(huì)影響下一階段工作的正確性。因?yàn)樵谶M(jìn)行數(shù)據(jù)信息修改時(shí)，BIM技術(shù)會(huì)將其他不同階段的相應(yīng)信息進(jìn)行矯正，使其重新形成新的關(guān)系。這種自動(dòng)矯正數(shù)據(jù)并與整體匹配的功能，減少了設(shè)計(jì)人員的工作量，降低設(shè)計(jì)模型的錯(cuò)誤率。

2.3 實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方式的可視化

BIM之所以比傳統(tǒng)CAD更適用于市政道路設(shè)計(jì)，在于它的可視化特性。BIM技術(shù)強(qiáng)調(diào)對(duì)設(shè)計(jì)中各個(gè)要素的清楚呈現(xiàn)，關(guān)注項(xiàng)目的整體性、功能性以及效益性。基于BIM技術(shù)的市政道路設(shè)計(jì)方案，不僅僅是一個(gè)簡(jiǎn)單的三維圖形，還搭載了工程各方面信息和數(shù)據(jù)。此外，在3D信息模型中加入時(shí)間維度，還能夠得到一個(gè)可以反映工期變化的4D模型；繼續(xù)在4D模型中加入造價(jià)成本維度，就能夠得到一個(gè)可以反映造價(jià)信息的5D模型[3]。

3 實(shí)際工程中的BIM道路設(shè)計(jì)平臺(tái)比選

3.1 工程概況

H市某城市道路位于該市郊區(qū)，道路呈東西走向。道路現(xiàn)兩側(cè)為農(nóng)田等未開發(fā)地塊，計(jì)劃用于住宅和綠化。該項(xiàng)目按照規(guī)劃紅線（寬度24m）進(jìn)行道路設(shè)計(jì)。該項(xiàng)目為城市次干道，項(xiàng)目實(shí)施長(zhǎng)度858.977m。道路中部設(shè)置綠化帶，兩側(cè)設(shè)置人行道。綠化帶寬度為5m，人行道寬度為2.5m。道路施工現(xiàn)場(chǎng)地勢(shì)平坦，現(xiàn)主要研究K0+000～K0+355321段道路工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)部分。

3.2 BIM道路設(shè)計(jì)平臺(tái)與比選

3.2.1 常用BIM道路設(shè)計(jì)平臺(tái)

業(yè)內(nèi)現(xiàn)在常用的BIM軟件，基本以Autodesk和Bentley平臺(tái)上的BIM系列軟件為主。其中，Autodesk平臺(tái)上的BIM系列軟件多用在民用建筑。而Bentley平臺(tái)目前擁有的專業(yè)軟件數(shù)量最多。因此，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行大型基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目的設(shè)計(jì)時(shí)，更青睞Bentley平臺(tái)上的BIM系列軟件。

（1）AutoCAD與MicroStation的對(duì)比

Autodesk中的AutoCAD軟件最有代表性，其多見于二維繪圖領(lǐng)域，但3D建模能力很差。Bentley系列軟件中的MicroStation功能與AutoCAD類似，但其3D建模能力更優(yōu)。但由于MicroStation進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)較晚，本土化程度較差，也沒有足夠全面的技術(shù)支持服務(wù)，因而其受眾不及AutoCAD。

（2）Autodesk與Bentley平臺(tái)各自的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)

Autodesk的用戶界面友好度以及本土化程度方面的表現(xiàn)都優(yōu)于Bentley，更易于上手和使用。兩個(gè)平臺(tái)均擁有完整的生態(tài)系統(tǒng)，且平臺(tái)使用也都對(duì)外開放。國(guó)內(nèi)與Autodesk建立友好合作關(guān)系的企業(yè)為緯地、金思路等；Bentley則主要與北京跨世紀(jì)軟件技術(shù)有限公司合作。

操作方面，Autodesk中的大多數(shù)軟件僅支持單一的文件格式，在道路工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，需要在Autodesk中切換多軟件進(jìn)行。而Bentley中軟件采用的都是dng格式，使用過程中無需切換軟件和數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換；真正實(shí)現(xiàn)了“不同用戶在同一平臺(tái)，使用同一模型，共用同一數(shù)據(jù)源，完成項(xiàng)目全生命周期工作”。且Autodesk處理大容量模型與數(shù)據(jù)的效率不如Bentley；對(duì)于電腦的硬件要求也高于Bentley。

（3）Autodesk與Bentley平臺(tái)各自的主要BIM軟件

Autodesk中的BIM系列軟件主要有Civil3D、Revit、NavisWorks、Infraworks等軟件。Bentley中 的BIM系列軟件主要有Powercivil、OpenRoad、BridgemasterModerler等軟件[4]。

Autodesk系列軟件中的Civil3D作為土木專用的BIM軟件，多適用于路線和路基的3D建模繪圖。主要具備設(shè)計(jì)場(chǎng)地與縱橫路線、計(jì)算土方以及道路測(cè)繪等功能。最終生成數(shù)字地形模型，實(shí)現(xiàn)道路設(shè)計(jì)。Bentley系列軟件中的Powercivil對(duì)標(biāo)Civil3D。與此同時(shí)，Powercivil也是目前市面上唯一一款可以進(jìn)行市政隧道設(shè)計(jì)的軟件。

目前，國(guó)內(nèi)外均有不少采用Autodesk或Bentley平臺(tái)中的BIM系列軟件成功完成道路建設(shè)項(xiàng)目建模設(shè)計(jì)等工作的案例，文章整理了近幾年較為典型的幾個(gè)案例，如圖1所示。

軟件平臺(tái)的選擇是開展道路BIM設(shè)計(jì)工作的基礎(chǔ)。文章將使用Autodesk中的BIM軟件完成該項(xiàng)目道路建模流程的方法，稱為BIM設(shè)計(jì)方案一；將使用Bentley中的BIM軟件完成的，稱為BIM設(shè)計(jì)方案二。

3.2.2 兩種方案比選

（1）BIM設(shè)計(jì)方案一

Autodesk平臺(tái)中的BIM系列軟件多用于規(guī)模較小的民用住房設(shè)計(jì)。因其投資少、回報(bào)快，在中小企業(yè)中很受歡迎。對(duì)于此次項(xiàng)目來說，采用BIM設(shè)計(jì)方案一，意味著很難只使用Revit一種軟件單獨(dú)完成設(shè)計(jì)工作，必須要使用其他軟件進(jìn)行協(xié)助建模。

第一步，初步設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Civil3D后構(gòu)建地質(zhì)地形模型與道路的平縱橫三維線性。第二步，將所得結(jié)果導(dǎo)入Revit地質(zhì)模型中。由于軟件本身的局限性，此方案生成的模型不能反映道路交叉口和互通式立交的實(shí)際情況，對(duì)道路的一些特殊位置（如路橋交匯處、涵洞通過位置等）沒有進(jìn)行有效處理。因此，BIM設(shè)計(jì)方案一必須借助Dynamo的參數(shù)化組件，對(duì)路面、路基等專業(yè)細(xì)部進(jìn)行編程。

（2）BIM設(shè)計(jì)方案二

Bentley的BIM系列軟件是針對(duì)不同行業(yè)的一個(gè)相對(duì)全面的軟件類別，主要用于復(fù)雜的項(xiàng)目。它的設(shè)計(jì)理念不僅關(guān)注某一部門的設(shè)計(jì)，更關(guān)注設(shè)計(jì)的整體性，因此大型企業(yè)經(jīng)常用Bentley的BIM系列軟件完成市政項(xiàng)目中的道路建模設(shè)計(jì)。大型企業(yè)在軟件的選擇上，不會(huì)僅局限于軟件的使用成本，更考慮該軟件能否支持各個(gè)部門的大量人員同時(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)規(guī)模較大的項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)各個(gè)部門之間的信息無縫交換；同時(shí)每個(gè)部門都可以高效、順利地完成自己的部分。對(duì)于此項(xiàng)目來說，BIM設(shè)計(jì)方案二相對(duì)簡(jiǎn)單，只需要OpenRoad一種軟件即可。

第一步，根據(jù)設(shè)計(jì)需要，預(yù)先設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)路基和路塹橫斷面參數(shù)。第二步，將初步設(shè)計(jì)階段的高程點(diǎn)控制信息導(dǎo)入OpenRoad，即可自動(dòng)完成空間三維三角高程網(wǎng)的生成工作，獲取縱斷面坡度數(shù)據(jù)和豎曲線要素。第三步，提取道路中心線處的自然標(biāo)高，然后利用第一步獲取的數(shù)據(jù)和元素完成拉坡設(shè)計(jì)。第四步，將第一步中預(yù)先設(shè)計(jì)的參數(shù)，應(yīng)用于線路中心線的空間位置和三維地形中，就能夠自動(dòng)生成道路橫斷面模型。

3.2.3 方案一和方案二的對(duì)比與總結(jié)

從以上比較可以看出，BIM設(shè)計(jì)方案二中，對(duì)于參數(shù)的設(shè)置更為簡(jiǎn)便，只需要設(shè)置關(guān)聯(lián)性強(qiáng)的參數(shù)，生成的信息量較少。對(duì)于BIM設(shè)計(jì)方案一而言，一旦項(xiàng)目規(guī)模增加，需要進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的調(diào)整，將會(huì)使得Revit生成的信息量呈現(xiàn)幾何倍數(shù)增長(zhǎng)。

在軟件互通性方面，盡管Revit和AutoCAD都屬于Autodesk，但它們?cè)谲浖w系結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)格式方面存在很大差異。而MicroStation作為Bentley平臺(tái)的底層開發(fā)軟件，其所有BIM系列軟件，都是在Micro-Station圖形功能的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)獲得的。

綜上所述，BIM設(shè)計(jì)方案二更適用于處理文中的市政道路設(shè)計(jì)。然而，國(guó)內(nèi)用戶多習(xí)慣使用Autodesk，如果采用BIM設(shè)計(jì)方案二，就需要項(xiàng)目相關(guān)設(shè)計(jì)人員從頭學(xué)習(xí)Bentley中所有BIM系列軟件的使用和開發(fā)。目前，我國(guó)基于BIM設(shè)計(jì)的市政道路之路才剛剛開始，應(yīng)加快推進(jìn)市政道路工程BIM技術(shù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)、積極推廣Bentley平臺(tái)中BIM軟件的使用開發(fā)，助力市政道路工程的發(fā)展。

4 結(jié)語

文章介紹了BIM技術(shù)在市政道路建設(shè)工程中的意義，從Autodesk平臺(tái)與Bentley平臺(tái)眾多BIM系列軟件中挑選出BIM設(shè)計(jì)方案一與BIM設(shè)計(jì)方案二。結(jié)合H市郊區(qū)的某條城市道路K0+000～K0+355321段道路工程項(xiàng)目的實(shí)際設(shè)計(jì)案例，分別對(duì)基于BIM設(shè)計(jì)方案一與BIM設(shè)計(jì)方案二的城市道路建模流程方法做了具體描述。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，BIM設(shè)計(jì)方案二更加適用于該項(xiàng)目中道路工程項(xiàng)目BIM建模，為其他類似的城市道路設(shè)計(jì)提供了技術(shù)參考。

BIM作為一種新興技術(shù)，它的出現(xiàn)，市政道路設(shè)計(jì)注入了全新活力。BIM軟件平臺(tái)種類繁多，設(shè)計(jì)師應(yīng)當(dāng)充分掌握不同平臺(tái)中的BIM技術(shù)，才能在不同的使用場(chǎng)景選擇出最優(yōu)的BIM設(shè)計(jì)方案，從而最大化發(fā)揮BIM的優(yōu)勢(shì)。