基于BIM技術(shù)的市政專業(yè)設(shè)計(jì)難點(diǎn)及解決方案

傅楠，周廣翔，魏亦涵

（廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣州 510060）

1 引言

近年來(lái)，BIM 技術(shù)作為建筑信息化發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，得到了廣泛推廣。目前，BIM 技術(shù)主要應(yīng)用于建筑工程中，在市政工程中的應(yīng)用并不常見，尤其是在市政工程設(shè)計(jì)中，缺乏可全面推廣研究的成功案例。究其原因，除了市政工程本身線性、帶狀、體量大等特點(diǎn)外，還有軟件支持程度低、工具使用成本高等問(wèn)題。隨著市政行業(yè)BIM 解決方案的多樣化和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷成熟，市政工程設(shè)計(jì)過(guò)程中相應(yīng)的技術(shù)難題也得到了一定的解決。

如張斌[1]使用Bentley 平臺(tái)進(jìn)行三維協(xié)同設(shè)計(jì)，結(jié)合三維地下環(huán)境進(jìn)行了BIM 設(shè)計(jì)應(yīng)用；上海同豪土木工程咨詢有限公司開發(fā)的BIM 正向方案設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了常規(guī)橋梁的設(shè)計(jì)與繪圖以及快速建立全橋模型；梁慶學(xué)[2]利用歐特克平臺(tái)探索建立了復(fù)雜市政結(jié)構(gòu)模型；中交第二公路勘察設(shè)計(jì)院有限公司的王欣南[3]統(tǒng)計(jì)了目前階段公路BIM 模型快速創(chuàng)建的不同系統(tǒng)，并在路線設(shè)計(jì)、智能設(shè)計(jì)、BIM+GIS、碰撞檢查、輕量化展示等方面對(duì)各大系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比，認(rèn)為由于軟件不成熟、模型大體量、BIM+GIS 技術(shù)融合瓶頸等原因，公路行業(yè)BIM 技術(shù)水平整體仍處于起步階段。

2 研究現(xiàn)狀

2.1 市政設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

隨著城市的快速發(fā)展，作為城市功能重要組成部分的市政工程，發(fā)揮著愈來(lái)愈重要的作用，對(duì)市政設(shè)計(jì)也提出了更高的要求。相比建筑行業(yè)，市政行業(yè)設(shè)計(jì)相對(duì)傳統(tǒng)，設(shè)計(jì)理念缺乏跟隨城市動(dòng)態(tài)調(diào)整的思想，尤其是現(xiàn)代城市，更加注重功能性發(fā)展，對(duì)于市政工程的要求不僅僅限于本體功能，也提出了與城市協(xié)調(diào)、融合城市發(fā)展規(guī)劃等要求。由于設(shè)計(jì)工具的限制，市政設(shè)計(jì)仍存在內(nèi)部溝通效率低、外部呈現(xiàn)效果差等問(wèn)題。目前，市政設(shè)計(jì)多依靠設(shè)計(jì)人員的想象與單一表達(dá)，各專業(yè)傳遞內(nèi)容依靠二維圖紙及衍生表單，缺乏數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)傳遞與響應(yīng)，從而產(chǎn)生如溝通效率低、問(wèn)題衍生復(fù)雜、執(zhí)行效率低等問(wèn)題，導(dǎo)致設(shè)計(jì)人員無(wú)法充分表達(dá)設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量均無(wú)法滿足建設(shè)方要求。

目前，市政工程向著專業(yè)、異型、復(fù)雜方向發(fā)展。主要體現(xiàn)在2 個(gè)方面：

1）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如道路、橋梁外形構(gòu)造越來(lái)越獨(dú)特，傳統(tǒng)繪圖工具在處理這些項(xiàng)目上顯得愈發(fā)力不從心；

2）城市景觀要求，設(shè)計(jì)內(nèi)容除實(shí)用功能外，還要滿足美感要求，需要與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)。

綜上，隨著數(shù)字化城市建設(shè)，未來(lái)市政設(shè)計(jì)將拋開單一設(shè)計(jì)模式，需要在信息豐富的三維環(huán)境中進(jìn)行可視化表達(dá)。

2.2 市政設(shè)計(jì)痛點(diǎn)分析

2.2.1 環(huán)境匹配性差

傳統(tǒng)市政設(shè)計(jì)中，由于設(shè)計(jì)工具束縛，設(shè)計(jì)中缺少高度變化信息，只能在二維圖紙中用數(shù)字標(biāo)識(shí)高程信息。以CAD 地形圖為底板進(jìn)行線路規(guī)劃和設(shè)計(jì)。該方式由于缺乏直觀高程變化信息和周邊建筑物、構(gòu)筑物等內(nèi)容的空間信息，尤其是在當(dāng)前城市擁有地鐵、綜合管廊，空間立體交叉背景下，設(shè)計(jì)人員多靠想象與現(xiàn)場(chǎng)勘察獲取的資料進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)內(nèi)容與周邊環(huán)境的契合度很難滿足要求。另外，城市發(fā)展速度較快，設(shè)計(jì)過(guò)程中周邊環(huán)境不斷變化，依靠頻繁的現(xiàn)場(chǎng)勘察也是不現(xiàn)實(shí)的。

市政工程需考慮整體景觀功能，如人行道、自行車道、橋梁等設(shè)計(jì)元素，更多地從品質(zhì)化和人性化角度進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)，針對(duì)城市景觀缺乏問(wèn)題，城市管理者意將市政工程標(biāo)志性建筑打造成為城市新風(fēng)景與會(huì)客空間，如城市高架橋，不僅需要考慮其功能要求，也要考慮其造型需求。這也是當(dāng)前市政設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

2.2.2 多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)效率低

相比建筑工程，市政工程具有以下特點(diǎn)：

2013年1月18日，中國(guó)腐植酸工業(yè)協(xié)會(huì)副理事長(zhǎng)、新疆雙龍腐植酸有限公司董事長(zhǎng)樊金龍一行專程到會(huì)，討論“新疆煤炭腐植酸資源調(diào)查”事宜。首先，曾理事長(zhǎng)針對(duì)黨的“十八大”提出的生態(tài)文明建設(shè)，從精神和物質(zhì)兩個(gè)層面闡述了“生態(tài)文明的物質(zhì)性”與“腐植酸物質(zhì)的生態(tài)性”的關(guān)系，指明了腐植酸新產(chǎn)業(yè)在生態(tài)文明建設(shè)中的重要作用。

1）市政工程涉及專業(yè)更多，除道路、橋梁、隧道外，還包括軌道交通、給水排水、綜合管廊及燃?xì)獾葍?nèi)容。

2）市政工程設(shè)計(jì)內(nèi)容較為豐富，如道路工程，道路中心線為三維曲線，需要從平、縱、橫三方面進(jìn)行約束，且橫截面往往根據(jù)道路功能和用地不斷變化。

3）市政道路變化較多，每隔一段距離需要設(shè)置公交站點(diǎn)、交叉口。

4）市政工程設(shè)計(jì)內(nèi)容涵蓋地上（高架橋）、地面（道路）和地下（地鐵銜接、管線）部分，空間性較強(qiáng)。目前，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)傳遞是通過(guò)二維方式進(jìn)行，設(shè)計(jì)交付成果為二維圖紙。在這個(gè)設(shè)計(jì)流程中，道路設(shè)計(jì)為核心。路線確定、道路標(biāo)高選定后，橋梁、管線才開始進(jìn)行設(shè)計(jì)。道路設(shè)計(jì)錯(cuò)誤在下游實(shí)際是難以發(fā)現(xiàn)的，這也給后期施工埋下了隱患，尤其是市政工程施工多在城市，如因設(shè)計(jì)錯(cuò)誤導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)變更，則極易給城市交通造成不可逆的負(fù)面影響。

綜上，當(dāng)前市政設(shè)計(jì)工作存在兩方面問(wèn)題：（1）協(xié)同過(guò)程效率低，無(wú)法形成高效集成設(shè)計(jì)工作模式；（2）設(shè)計(jì)成果缺乏立體展現(xiàn)效果，校核難度大。

2.2.3 設(shè)計(jì)缺乏合理性

傳統(tǒng)市政設(shè)計(jì)普遍存在的一個(gè)設(shè)計(jì)難題是交叉口布置。如果未對(duì)路網(wǎng)進(jìn)行合理規(guī)劃、充分估計(jì)近期和遠(yuǎn)期交通流量，容易導(dǎo)致交叉路口發(fā)生擁擠、堵塞等現(xiàn)象，從而造成交通癱瘓等嚴(yán)重問(wèn)題。尤其是隨著城市車輛大幅增長(zhǎng)，交叉口擁堵問(wèn)題變得尤為突出。

對(duì)于道路設(shè)計(jì)，雖然成果滿足設(shè)計(jì)規(guī)范，但是否合理還需要參考設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)，如車速模擬、視點(diǎn)模擬、景觀模擬，這是二維設(shè)計(jì)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

3 市政設(shè)計(jì)BIM解決方案

3.1 地形與邊坡

采用Infraworks（以下簡(jiǎn)稱AIW）軟件進(jìn)行路線方案設(shè)計(jì)。AIW 是方案設(shè)計(jì)軟件，原理是利用三維GIS 技術(shù)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行仿真可視化模擬。首先，利用測(cè)繪數(shù)據(jù)形成區(qū)域三維地形模型，抓取實(shí)景貼圖進(jìn)行擬合，形成區(qū)域三維場(chǎng)景（見圖1），在三維場(chǎng)景中進(jìn)行線路設(shè)計(jì)。

圖1 GI S 場(chǎng)景

該設(shè)計(jì)過(guò)程直接在仿真三維環(huán)境中完成，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）可以充分考慮設(shè)計(jì)內(nèi)容與周邊環(huán)境關(guān)系，明確是否需要占地、遷改、下穿上跨等，合理評(píng)估工程拆遷量。

2）可以有效降低后期變更風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)控制投資目的。

3）仿真三維設(shè)計(jì)環(huán)境所包含的豐富外部環(huán)境信息為設(shè)計(jì)工作提供了豐富有效的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)支持。

4）將AIW 成果繼承至Civil3D 軟件，進(jìn)行道路平縱橫精細(xì)化設(shè)計(jì)，利用部件編輯器對(duì)道路路幅斷面設(shè)計(jì)并進(jìn)行裝配，編寫邊坡判斷程序，完成道路與地形邊坡銜接內(nèi)容。

3.2 BIM協(xié)同設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)市政設(shè)計(jì)鏈接方式相對(duì)落后，一般通過(guò)CAD 圖紙、表格進(jìn)行傳輸，此類傳輸文件缺乏直觀的高程信息，需要設(shè)計(jì)人員仔細(xì)核對(duì)，但這一過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，無(wú)法滿足現(xiàn)代設(shè)計(jì)效率及質(zhì)量要求。另外，各專業(yè)協(xié)同作業(yè)實(shí)質(zhì)上是串聯(lián)進(jìn)行的。利用BIM 設(shè)計(jì)平臺(tái)的三維可視化特點(diǎn)，各專業(yè)設(shè)計(jì)人員可在一個(gè)協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)中進(jìn)行設(shè)計(jì)，隨時(shí)查看其他專業(yè)設(shè)計(jì)成果及改動(dòng)情況，以便及時(shí)溝通。

3.3 BIM參數(shù)化

橋梁工程中的下部承臺(tái)、墩、柱具有結(jié)構(gòu)相似的特點(diǎn)，不同的地方在于樁長(zhǎng)、樁徑、截面尺寸。對(duì)于橋梁上部結(jié)構(gòu)，梁體的中心線是三維曲線，使用傳統(tǒng)方式生成該類模型是相對(duì)困難的。上述兩類結(jié)構(gòu)中，一類是大量、相似構(gòu)件的模型搭建，一類是三維結(jié)構(gòu)的高效呈現(xiàn)，均需要利用BIM 參數(shù)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

利用可視化編程軟件制作參數(shù)化族，進(jìn)行程序編寫，通過(guò)識(shí)別表格數(shù)據(jù)文件，獲取橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而生成模型。

以某立交橋?yàn)槔?，橋墩類型有花瓶墩、方墩，承臺(tái)類型有單樁承臺(tái)、兩樁承臺(tái)、四樁承臺(tái)。同類構(gòu)件在結(jié)構(gòu)上具有相似性，在高程、截面尺寸方面存在差異，因此，適合采用參數(shù)化族進(jìn)行模型創(chuàng)建。首先，建立基礎(chǔ)族文件，將可變參數(shù)賦予到族內(nèi)，利用Dynamo 節(jié)點(diǎn)組分類提取表格中各類構(gòu)件坐標(biāo)、高程信息，實(shí)現(xiàn)由數(shù)據(jù)直接生成模型、賦予材質(zhì)等信息。橋梁各部分構(gòu)件均為參數(shù)化族，可對(duì)所有形體及材質(zhì)信息實(shí)現(xiàn)參數(shù)化控制。將族文件進(jìn)行規(guī)范命名、存儲(chǔ)、組織、管理，形成可延續(xù)調(diào)取使用的BIM 參數(shù)化族庫(kù)。

3.4 模擬分析

BIM 技術(shù)除具有可視化、仿真性等特點(diǎn)，還可以進(jìn)行模擬分析。市政BIM 模型搭建完成后，利用其可視化特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)校核、仿真分析。

3.4.1 設(shè)計(jì)校核

利用BIM 模型可進(jìn)行圖紙圖元“錯(cuò)、漏、碰、缺”核對(duì)，如位置錯(cuò)誤、沖突。BIM 模型包含高程、位置信息，對(duì)于空間設(shè)計(jì)校核具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。如橋梁凈空核查。

3.4.2 仿真分析

利用AIW 或超圖、鴻城平臺(tái)集成所有BIM 設(shè)計(jì)模型，進(jìn)行如道路的視野視距分析、淹沒分析、交通流量分析，對(duì)設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行科學(xué)合理性論證。如在交叉口設(shè)計(jì)中，根據(jù)交通流量?jī)?yōu)化交通信號(hào)燈等待、通行時(shí)間，可以達(dá)到優(yōu)化整個(gè)交叉口交通組織目的。通過(guò)模擬車輛在不同車速下的視點(diǎn)變化情況，能夠提出更為安全的技術(shù)方案。諸如此類模擬工作都可以利用BIM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

4 BIM解決方案分析

BIM 技術(shù)雖然可以解決市政設(shè)計(jì)中的一些問(wèn)題，但也需要依賴一定的軟件支持和操作技能；其次，依賴一種軟件解決全過(guò)程設(shè)計(jì)問(wèn)題是不現(xiàn)實(shí)的，除了集成多專業(yè)設(shè)計(jì)軟件外，如Bentley 軟件包，還有一種解決方式是搭建協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，各專業(yè)設(shè)計(jì)成果即時(shí)在平臺(tái)中展示。

另外一個(gè)問(wèn)題是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與BIM 設(shè)計(jì)尚未打通，如橋梁設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員采用同豪軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)計(jì)算，與道路、管線所用軟件是完全不同的，這就造成了各專業(yè)之間的BIM設(shè)計(jì)割裂問(wèn)題。

對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，各種軟件層出不窮，各家軟件公司提出的解決方案各不相同，也就意味著設(shè)計(jì)人員需要掌握不同軟件，學(xué)習(xí)成本大幅提高，在當(dāng)前設(shè)計(jì)環(huán)境下很難完成這一過(guò)程轉(zhuǎn)變。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，BIM 設(shè)計(jì)又是行業(yè)趨勢(shì)，這就要求企業(yè)一方面需要加快人才培養(yǎng)，另一方面也要盡快完成與行業(yè)技術(shù)的對(duì)接。

5 結(jié)語(yǔ)

本文探討了市政設(shè)計(jì)常見難點(diǎn)，并提出幾點(diǎn)解決方案，解決方案以Autodesk 平臺(tái)軟件為主，過(guò)程需要的其他軟件未做詳細(xì)說(shuō)明。

市政設(shè)計(jì)是一個(gè)傳統(tǒng)領(lǐng)域，無(wú)論是從設(shè)計(jì)人員專業(yè)素質(zhì)方面還是從軟件發(fā)展方面，市政工程進(jìn)展都明顯落后于建筑行業(yè)。市政設(shè)計(jì)BIM 應(yīng)用滯后是綜合性的，既有行業(yè)特點(diǎn)本身因素，又有傳統(tǒng)觀念束縛。城市建設(shè)步伐的加快又進(jìn)一步提高了市政建設(shè)要求。隨著行業(yè)對(duì)BIM 理念理解進(jìn)一步加深，BIM 技術(shù)進(jìn)一步成熟，相信BIM 技術(shù)會(huì)給市政設(shè)計(jì)帶來(lái)更為深遠(yuǎn)的價(jià)值和影響。