BIM 技術(shù)在市政道路工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

李 源（深圳市城市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究中心股份有限公司， 廣東 深圳 518101）

0 引 言

當(dāng)前，我國正處于城鎮(zhèn)化與城市化發(fā)展的雙重轉(zhuǎn)型新階段，而雙重轉(zhuǎn)型進(jìn)程的加快和城鎮(zhèn)、城市人口數(shù)量的增加，給城市發(fā)展建設(shè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益[1]。同時，在人口增長的趨勢下，城市交通面臨著前所未有的挑戰(zhàn)，市政道路的建設(shè)成為了減緩交通壓力的最重要手段。市政道路與一般道路相比，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工期建設(shè)時間短、運(yùn)營周期長、安全需求高等特點(diǎn)。隨著對市政道路工程設(shè)計(jì)要求的不斷提升，傳統(tǒng)平面設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)無法滿足市政道路工程設(shè)計(jì)的基本要求。因此，在工程設(shè)計(jì)過程中，相關(guān)領(lǐng)域的研究人員逐漸將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向?qū)o助技術(shù)的研究。在傳統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用下，市政道路設(shè)計(jì)工作因項(xiàng)目對專業(yè)平面圖具有一定的獨(dú)立性而難以實(shí)現(xiàn)對碰撞點(diǎn)的有效檢測[2]。同時，由于市政道路涉及眾多專業(yè)、專業(yè)與專業(yè)之間的信息傳遞和轉(zhuǎn)換常常出現(xiàn)不對稱、在此過程中產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)信息無法有效存儲，給當(dāng)前市政道路工程的設(shè)計(jì)和施工建設(shè)帶來了嚴(yán)重的負(fù)面影響。為了在設(shè)計(jì)過程中盡可能地減少資源浪費(fèi)和反復(fù)施工，亟需將 BIM 技術(shù)引入到市政道路工程設(shè)計(jì)中[3]。為此，筆者針對基于 BIM 技術(shù)的市政道路工程設(shè)計(jì)展開探討。

1 基于 BIM 技術(shù)的市政道路工程設(shè)計(jì)方法

1.1 基于 BIM 技術(shù)的市政道路周圍地質(zhì)三維模型構(gòu)建

為了確保設(shè)計(jì)的市政道路能夠在其周圍地質(zhì)條件下順利實(shí)施并投入運(yùn)營，結(jié)合 BIM 技術(shù)，構(gòu)建市政道路周圍地質(zhì)三維模型是一項(xiàng)重要的技術(shù)[4]。在構(gòu)建地質(zhì)三維模型時，需要獲取地震數(shù)據(jù)、地質(zhì)圖、地形圖、物化探數(shù)據(jù)等各類原始數(shù)據(jù)。模型構(gòu)建的主要目的是將市政道路周圍的地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)、構(gòu)造關(guān)系及其內(nèi)部各屬性的變化情況進(jìn)行可視化展現(xiàn)[5]。結(jié)合 BIM 技術(shù)，在市政道路周圍地質(zhì)數(shù)據(jù)資料的基礎(chǔ)上，將二維土質(zhì)剖面圖轉(zhuǎn)換為三維立體的可視化模型，從而在設(shè)計(jì)過程中能更直觀地展現(xiàn)市政道路的周圍地質(zhì)環(huán)境和巖層形態(tài)。通過建立地質(zhì)三維模型，設(shè)計(jì)者和施工人員能更有效地進(jìn)行交流，能更深入地理解工程項(xiàng)目的地質(zhì)情況，從而盡可能地在具體施工過程中避免潛在的風(fēng)險。

以往市政道路周圍地質(zhì)勘查結(jié)果的原始鉆孔數(shù)據(jù)，無論是在分布特點(diǎn)上還是在采集點(diǎn)數(shù)量上，都無法滿足地質(zhì)三維模型的構(gòu)建要求。因此，筆者結(jié)合插值法，在已有鉆孔數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，估算出構(gòu)建模型所需的數(shù)據(jù)。當(dāng)構(gòu)建地質(zhì)三維模型時，在二維橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)上，自動按照 BIM建模要求增加空間坐標(biāo)系，并采用插值法對空間坐標(biāo)進(jìn)行預(yù)估。其預(yù)估公式

式 1 中：Z（x）為空間坐標(biāo)系中的地質(zhì)三維模型坐標(biāo)；λ為市政道路周圍已被采集和勘查獲得的地質(zhì)數(shù)據(jù)權(quán)重系數(shù)；Z（xi）為影響預(yù)估值 Z 高程的已采集勘查數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)據(jù)。根據(jù)式 1 的計(jì)算結(jié)果，能夠進(jìn)一步通過已知采集的勘查數(shù)據(jù)求解出權(quán)重系數(shù)。同時，運(yùn)用基于 Bentley 平臺的BIM 建模軟件中常用的土木工程工具，在建模的過程中運(yùn)用克里金方法，對大量空間數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，以此彌補(bǔ)鉆孔數(shù)據(jù)的不足[6]。由上述操作獲得的鉆孔數(shù)據(jù)和市政道路工程周圍的地質(zhì)信息數(shù)據(jù)被統(tǒng)一管理，并以此為基礎(chǔ)，構(gòu)建地質(zhì)三維模型，生成地質(zhì)三維圍合面。

在統(tǒng)一的圖形環(huán)境及統(tǒng)一的 BIM 文件轉(zhuǎn)換格式下，對所構(gòu)造的市政道路周圍地質(zhì)三維模型進(jìn)行三維建模[7]。在構(gòu)建模型時，采用統(tǒng)一的坐標(biāo)系，運(yùn)用 BIM 建模軟件中的參考連接功能，將道路、橋梁以及地質(zhì)三維模型相互結(jié)合，進(jìn)而得到一個既包含地質(zhì)條件表征又包含道路和橋梁表征的三維模型。

1.2 基于 BIM 地質(zhì)三維模型的市政道路路線規(guī)劃

在設(shè)計(jì)市政道路工程時，不可避免地會規(guī)劃和調(diào)整道路路線。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法大多采用二維設(shè)計(jì)方案，按照路線總平面、縱斷面、橫斷面的順序，完成整個市政道路路線的規(guī)劃；一旦需要變更道路路線，后續(xù)各階段的設(shè)計(jì)則都要進(jìn)行大量的修改，甚至重新設(shè)計(jì)[8]。在筆者介紹的市政道路路線規(guī)劃方案中，結(jié)合上述構(gòu)建的 BIM 地質(zhì)三維模型，能有效改善這一問題?；?BIM 地質(zhì)三維模型的市政道路路線規(guī)劃流程，如圖 1 所示。

圖 1 基于 BIM 地質(zhì)三維模型的市政道路路線規(guī)劃流程圖

在對市政道路工程實(shí)景進(jìn)行建模時，主要通過無人機(jī)、攝像機(jī)和掃描設(shè)備等，獲取市政道路工程現(xiàn)場的相關(guān)視頻、照片和點(diǎn)云數(shù)據(jù)等資源，進(jìn)而生成虛擬模型[9]。同樣，應(yīng)用 Bentley 技術(shù)和采集設(shè)備獲取不同類型資源的數(shù)據(jù)信息，并生成高分辨率的三維模型。運(yùn)用三維模型可以對近景市政道路工程對象，甚至整座城市進(jìn)行觀察。同時，結(jié)合現(xiàn)代遙感技術(shù)拍攝或激光掃描獲取數(shù)據(jù)，并以此作為依據(jù)進(jìn)行實(shí)景建模，而無需通過人工方式完成測量和建模任務(wù)，并且能有效提高模型的精度。

在市政道路工程設(shè)計(jì)過程中，會涉及大量已有道路的擴(kuò)建和改建問題，必須充分明確現(xiàn)場的實(shí)際情況。由于歷史資料未及時更新或暫無歷史記錄等，若沿用傳統(tǒng)的技術(shù)手段，則很難滿足市政道路的路線規(guī)劃要求[10]。針對這一問題，可使用無人機(jī)、攝像機(jī)和激光掃描設(shè)備獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)，經(jīng)空中三角測量運(yùn)算后生成對應(yīng)的三維模型，并導(dǎo)入由 Bentley 技術(shù)構(gòu)架的道路設(shè)計(jì)模塊，對其進(jìn)行深化使用。

1.3 市政道路橋梁立交設(shè)計(jì)

市政道路建設(shè)的路線規(guī)劃完成后，在市政道路工程中同步實(shí)施橋梁立交設(shè)計(jì)。橋梁立交屬于市政工程中的一個特殊組成部分和必然組成要素。為此，在立交橋梁設(shè)計(jì)中，引進(jìn) Bentley 技術(shù)，根據(jù)橋梁的正交性能與工程施工圖紙之間的關(guān)系，針對橋梁立交設(shè)計(jì)一種自動調(diào)整模型。綜合上述分析，確定如下市政道路橋梁立交設(shè)計(jì)流程。

（1）在設(shè)計(jì)前，先導(dǎo)入施工道路路線圖，再應(yīng)用Bentley 技術(shù)，對設(shè)計(jì)的施工圖與實(shí)體示意圖進(jìn)行數(shù)據(jù)交互處理。當(dāng)交互結(jié)果呈現(xiàn)完全融合時，即可認(rèn)為設(shè)計(jì)的施工圖紙與其實(shí)際工程具備顯著的適配性，在確定最終施工圖紙后，可直接將圖紙應(yīng)用于市政道路橋梁立交設(shè)計(jì)中[11]。

（2）在此基礎(chǔ)上，將同一條施工線路上的立交模型進(jìn)行導(dǎo)入處理。在處理過程中采用先建立立交模板的方法，對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行對照與匹配處理[12]。

（3）使用 Birdge Modeler 提供的開放性資源庫，進(jìn)行橋梁立交上部結(jié)構(gòu)的導(dǎo)入。

（4）對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化處理，調(diào)動用橋梁立交下部結(jié)構(gòu)框架中的橋梁護(hù)欄元素、下部路燈元素等，將調(diào)用的每一個元素作為一個獨(dú)立的個體，進(jìn)行橋梁組織框架的組裝與搭建。

（5）根據(jù)橋梁整體結(jié)構(gòu)中不同參數(shù)之間的相應(yīng)關(guān)系，對構(gòu)建過程中發(fā)生變更的項(xiàng)目進(jìn)行快速響應(yīng)。此種施工方法能有效避免因施工過程中上部結(jié)構(gòu)變化而導(dǎo)致下部結(jié)構(gòu)重復(fù)變更的問題。

綜上所述，通過調(diào)用 Bentley 技術(shù)與立交橋梁支撐的相關(guān)數(shù)據(jù)，將橋梁立交設(shè)計(jì)的整體劃分為下部與上部兩個獨(dú)立部分，從而實(shí)現(xiàn)在施工過程中整體結(jié)構(gòu)的靈活性[13]。此外，采用自定義模板的方式，也可以實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)處理多種設(shè)計(jì)信息，有助于對比處理和規(guī)范安裝地質(zhì)施工模式。

1.4 市政道路管涵設(shè)計(jì)

市政道路管涵是道路工程設(shè)計(jì)中的基礎(chǔ)設(shè)施。傳統(tǒng)的道路工程設(shè)計(jì)往往面臨規(guī)劃地下管涵線位緊張、新/擴(kuò)建道路需多次開挖、工程效率低下等問題。筆者介紹的基于BIM 技術(shù)的市政道路工程設(shè)計(jì)方法，引入對市政道路管涵設(shè)計(jì)的創(chuàng)新[14]。BIM 技術(shù)為地下綜合管涵設(shè)計(jì)提供強(qiáng)大的三維虛擬信息支持，提供更加優(yōu)質(zhì)的可視化平臺及全方位模擬展示等功能，幫助各參建單位更加高效、優(yōu)質(zhì)地完成市政道路管涵設(shè)計(jì)。市政道路管涵設(shè)計(jì)總流程如下。

（1）以如上所述的測量數(shù)據(jù)、地質(zhì)三維模型和無人機(jī)航拍圖像為基礎(chǔ)，對市政道路管涵的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（2）分別對道路交通、橋涵隧道、管廊結(jié)構(gòu)和電氣照明等各個結(jié)構(gòu)進(jìn)行分層次設(shè)計(jì)[15]。

（3）應(yīng)用 BIM 技術(shù)審核所設(shè)計(jì)的市政道路管涵模型，并進(jìn)行碰撞檢測和施工圖模擬，以確保最終市政道路管涵設(shè)計(jì)方案的質(zhì)量及安全性。

（4）在實(shí)際應(yīng)用過程中，還可運(yùn)用 Birdge Modeler解決管涵常規(guī)段的建模問題，運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)截面函數(shù)求解市政道路管涵標(biāo)準(zhǔn)截面等問題，從而進(jìn)一步提升市政道路工程總設(shè)計(jì)方案的質(zhì)量。

2 對比實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

以某城市需要進(jìn)行的市政道路工程施工項(xiàng)目為實(shí)驗(yàn)對象，分別將采用筆者提出的基于 BIM 技術(shù)的市政道路工程設(shè)計(jì)方法和采用傳統(tǒng)道路工程設(shè)計(jì)方法分為兩組，根據(jù)該區(qū)域內(nèi)道路及地質(zhì)條件的實(shí)際情況對其進(jìn)行設(shè)計(jì)。以此驗(yàn)證筆者提出的基于 BIM 技術(shù)的市政道路工程設(shè)計(jì)方法在實(shí)際應(yīng)用中的效果，實(shí)現(xiàn)對筆者設(shè)計(jì)方法的評價。為了確保實(shí)驗(yàn)的客觀性、保證兩種設(shè)計(jì)方法的各項(xiàng)設(shè)計(jì)條件完全一致，確定該市政道路工程施工總面積為 2 320 m2，施工長度為 1 250 m。兩組設(shè)計(jì)方法中，必須包含對回填瀝青混凝土、開挖底線、路面基層和路面底基層相關(guān)參數(shù)、規(guī)格的設(shè)計(jì)；在市政道路工程施工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中包括道路路面、道路橋梁立交和道路管涵等方面的設(shè)計(jì)。兩組設(shè)計(jì)分別采用各自的設(shè)計(jì)方法，完成對該工程三個道路的工程方案設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)完成后對比兩組設(shè)計(jì)的道路設(shè)計(jì)生成時間，并運(yùn)用 Revit 軟件在完成設(shè)計(jì)的項(xiàng)目中對道路的碰撞點(diǎn)進(jìn)行檢測。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

將按照筆者提出的基于 BIM 技術(shù)的市政道路工程設(shè)計(jì)方法得出的方案設(shè)為實(shí)驗(yàn)組，將按照傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法得出的方案設(shè)為對照組。結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，將實(shí)驗(yàn)組與對照組中三組不同的市政道路工程設(shè)計(jì)方案的生成時間進(jìn)行記錄。實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表 1 所示。

表 1 實(shí)驗(yàn)組和對照組實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比表

從表 1 可以看出，實(shí)驗(yàn)組對 3 組市政道路工程設(shè)計(jì)方案的生成時間均在 60.00 min 左右；而對照組對 3 組道路工程設(shè)計(jì)方案的生成時間均超過了 250.00 min。從碰撞點(diǎn)可以看出，實(shí)驗(yàn)組在引入 BIM 技術(shù)后，可以有效地對市政道路工程進(jìn)行虛擬建模，在模型構(gòu)建過程中能夠?qū)赡艹霈F(xiàn)碰撞點(diǎn)的位置進(jìn)行檢測，進(jìn)而在生成方案時予以排除；對照組則僅以二維平面的方式完成對市政道路工程的設(shè)計(jì)，無法實(shí)現(xiàn)對碰撞問題的檢測，進(jìn)而產(chǎn)生了多個碰撞點(diǎn)，并嚴(yán)重影響實(shí)際工程的施工質(zhì)量。

對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，筆者提出的基于 BIM 技術(shù)的市政道路工程設(shè)計(jì)方法，在實(shí)際應(yīng)用中能夠有效提高市政道路工程設(shè)計(jì)的效率，并為設(shè)計(jì)人員節(jié)約大量的時間成本，同時提升了整個工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

3 結(jié) 語

為了實(shí)現(xiàn)對 BIM 技術(shù)的綜合應(yīng)用，筆者以市政道路工程設(shè)計(jì)為背景，選擇合適的 BIM 平臺，分別對市政道路工程中的各個環(huán)節(jié)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)說明。筆者提出的基于 BIM技術(shù)的市政道路工程設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于實(shí)際工程的方案設(shè)計(jì)，既能高效地完成對道路工程的設(shè)計(jì)，又能為設(shè)計(jì)人員節(jié)省大量的時間成本和資源成本。結(jié)合 BIM 建模軟件的聯(lián)動性特點(diǎn)，將為更加方便地解決設(shè)計(jì)過程中存在的困難及缺陷提供思路，充分體現(xiàn) BIM 技術(shù)在工程設(shè)計(jì)中的價值。