淺談B IM 在市政給排水及道路設計中的運用

侯世杰

中國市政工程中南設計研究總院有限公司 湖北武漢 430000

隨著BIM 技術的不斷發(fā)展，其在我國各個行業(yè)都得到廣泛應用，尤其是在給排水工程、道路工程、建筑工程等領域中，占據(jù)著極為重要的地位。

1 BIM 技術概念及特點

為BIM 技術即建筑信息模型，該技術將建筑模型的材料特性和空間特性進行了整合，基于可視化技術和仿真模擬技術，可以幫助相關人員測算建筑信息。該技術可以利用計算機系統(tǒng)構建3D 模型，以模擬實際的建筑工程情況。在市政道路給排水設計中應用BIM 技術，可以幫助設計人員進行參數(shù)設計、可視化設計、管線設計和系統(tǒng)設計等，有利于提高市政工程的設計質量，進而為建筑施工質量和施工效率的提高奠定基礎[1]。

1.1 可視化

（1）設計可視化：BIM 技術包含多種可視化顯示模式，如真實渲染、帶框著色、隱藏線等模式。此外其也擁有漫游功能，通過照相機模式，構建工程圖像和動畫等，以向客戶直觀的展示3D 模型。

（2）施工可視化：一方面其可以構建施工模型，實現(xiàn)施工操作的可視化；另一方面，可以將施工中復雜的節(jié)點進行全方位立體化顯示，如給排水管道、交通道路等。

1.2 一體化

一體化是指該技術可以貫穿到整個施工階段。在設計階段，該技術可以將電氣設計、給排水設計、建筑結構設計等整合到同一個建筑模型中，進而將各種設計中存在的沖突點以形象、直觀的方式顯示出來；在施工階段，該技術可以同步建筑工程施工進度、施工成本、施工質量等信息，進而實現(xiàn)施工階段的可視化管理；在運營階段，該技術可以直觀地顯示建筑管理水平和收益成本，進而為開發(fā)商和業(yè)主提供參考[2]。

1.3 參數(shù)化

在設計階段，只需要改變BIM 模型的各項參數(shù)值即可構建新的參數(shù)模型。BIM 技術參數(shù)化主要分為修改引擎和圖元。其中修改引擎是指用戶可以隨時對建筑文檔和設計進行改動；圖元是指利用BIM 技術將建筑構件以圖元的形式進行展示，并且這些圖元都是參數(shù)構件，其保存了實際構件具有的所有信息。

1.4 仿真性

（1）性能仿真：性能仿真功能是基于建筑設計過程中設計師構建的建筑構件屬性信息、材料性能信息、幾何信息等，可以將BIM 模型相關參數(shù)導入分析軟件中，進而獲取分析結果，如設備分析、能耗分析、綠色分析和光照分析等。

（2）施工仿真：對施工方案進行模擬、優(yōu)化等；自動計算建筑實際工程量；直觀反映建筑工程工藝沖突、工程干擾因素等問題。

（3）進度模擬：將施工計劃與BIM 技術進行鏈接，將時間信息、空間信息等整合到3D 模型中，以精確、直觀地反映建筑工程進度。

2 BIM 技術在市政道路給排水工程中的應用價值

2.1 提高數(shù)據(jù)處理能力

給排水工程作為市政建筑的基礎工程，其設計的重點在于道路與給排水系統(tǒng)的合理設計，如水泵機房、排水管道和市政管網(wǎng)等。與傳統(tǒng)的設計技術相比，BIM 技術能夠更直觀地反應給排水管網(wǎng)、水泵機房等設計與現(xiàn)狀管線及設施之間的關系，進而優(yōu)化設計、提高設計合理性。由于給排水管理設計存在一定復雜性，如果設計不合理會導致道路給排水效果下降，交通道路出現(xiàn)大量積水等情況。而BIM 技術具有的可視化和參數(shù)化特點，可以彌補在該方面的設計問題[3]。此外，BIM 技術具有的數(shù)據(jù)分析和模型構建能力，能夠簡化復雜的道路給排水設計，進而提高市政工程質量和效率。

2.2 提高道路給排水設計能力

BIM 技術具有的可視化功能和仿真功能，可以強化設計人員與設計軟件的互動性，提高與工程實際情況的結合度，同時在設計過程中為設計人員提供更多輔助功能。例如，通過將施工構件轉化為圖元，以直觀的施工模型展示設計存在的沖突點和問題，幫助設計人員進行合理規(guī)劃，進而提高設計人員的設計能力。此外，BIM 技術具有的參數(shù)化功能，可以使設計人員及時對施工模型進行優(yōu)化和完善，以保證市政工程的有序開展。

2.3 協(xié)調各部門工作

在給排水及道路設計過程中，通常會涉及多個部門的工作，因此需要各部門之間緊密的配合。但是由于建設施工存在空間和時間的限制，導致各部門之間無法進行及時的交流溝通。這種情況不僅嚴重影響了工程設計質量，而且也會影響建筑工程的施工進度。而BIM 技術則能夠彌補該問題，其具有的參數(shù)化、信息完備性等優(yōu)勢，能夠實現(xiàn)施工信息的實時共享，以幫助各部門及時獲取和整合施工信息，并形成詳細的施工報告，使各部門和施工人員及時明確自身的任務和職責[4]。此外，各部門也可以憑借施工報告合理調配施工人員和安排任務，強化施工現(xiàn)場管理，促進施工效率和質量的提升。

2.4 提高施工效率

BIM 技術具有的數(shù)據(jù)分析和處理功能，可以為市政道路設計和給排水設計提供數(shù)據(jù)參考。設計人員可以將施工數(shù)據(jù)導入計算機系統(tǒng)中，利用BIM 數(shù)據(jù)處理軟件分析施工數(shù)據(jù)，同時構建直觀的圖案和模型，從而極大地節(jié)省設計人員現(xiàn)場勘察的時間，提高給排水設計和施工效率。此外，在多種因素的影響下，施工方案和設計方案往往需要進行修改和優(yōu)化。針對這種情況，傳統(tǒng)的設計技術往往需要在施工現(xiàn)場進行反復的勘察，以制定可行的設計和施工方案。但該方法會影響施工工作的有序開展，同時也會造成一定經(jīng)濟損失。而BIM 技術具有修改施工參數(shù)的功能，設計人員可以根據(jù)實際施工現(xiàn)場情況對施工方案進行修改，并且快速形成具有指導意義的施工方案和設計方案[5]。此外，BIM 技術擁有的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)也能夠為設計人員提供參考，通過構建模擬演練方案驗證施工技術的可行性，進而形成一份完善的施工方案。

3 BIM 技術在市政道路給排水設計中的應用

3.1 工程概況

某城市道路走向為自東向西，道路周邊為農(nóng)田及未開發(fā)地段，計劃在其周邊建筑住宅小區(qū)和綠地。該道路設計工程全長為892m，設計長度為862m，紅線寬度為25m，設有人行橫道，寬度為3m，該路段為城市次干道。該道路施工場地地形平坦，地貌單位為Ⅰ級階地。該道路設計部分包括K0+000～K0+354.22 路段施工。

3.2 道路模型建立

3.2.1 模型構建

道路模型構建主要基于BIM Open Roads 模擬軟件，將實際道路設計參數(shù)導入到該軟件中，生成空間三維模型。

3.2.2 創(chuàng)建線路模型

平面設計方法主要采用導線法和曲線法，同時參考一般市政道路設計方案，構建道路平面模型，并進一步完善道路縱斷面設計。首先，根據(jù)創(chuàng)建的道路模型和平面模型，在模型中提取出中心線、自由標高等信息。其次，基于這些信息對道路豎曲線要素和橫縱斷面坡度等進行設計。對于橫斷面的設計需要根據(jù)施工要求，設置路塹橫斷面和標準路基等參數(shù)[6]。最后，結合線路空間位置和三維地形等數(shù)據(jù)形成橫斷面模型。在橫斷面設計過程中需要注意的是，設計人員需要將路面結構設計整合到該設計中，以保證橫斷面設計的完整性和準確性。表1 所示為傳統(tǒng)設計技術和BIM 技術優(yōu)點比較。圖1 為道路橫斷面設計。

表1 傳統(tǒng)工藝與BIM 技術比較

圖1 道路橫斷面結構

3.2.3 交道設計

該道路設計工程包含既有線路的交接設計部分，因此涉及BIM 技術交道設計。在交道設計過程中，設計人員只需要在BIM 軟件中輸入道路的橫縱面信息、車速信息和位置信息等，即可自動計算出合理的道路過彎半徑，同時根據(jù)道路周邊的環(huán)境情況增設過街島和渠化島。

3.2.4 立交設計

首先需要明確道路立交位置，即確定道路平面、橫截面、縱截面參數(shù)，同時在設計時結合道路設計方案，以保證道路縱斷面設計的合理性。在立交設計過程中，設計人員需要注意的是控制道路交匯橫縱斷面坡度和標高是否與設計情況一致，避免出現(xiàn)坡度變化較大或懸空的情況。道路立交入口設計需要根據(jù)道路立交設計規(guī)范、道路等級、入口坡度、行車速度等參數(shù)進行調整。同時，道路分合流位置和半徑等，以及車寬度段等也需要結合道路設計進行合理調整。

3.3 創(chuàng)建排水系統(tǒng)模型

道路給排水設計主要包括檢查井和污水管道設計等。

3.3.1 平面設計

參考市政單位污水處理方案和規(guī)劃等，結合道路設計高程、橫縱斷面設計等信息，合理規(guī)劃給排水管理設計方案。需要注意的是，設計人員需要結合工程施工周期、施工成本等，對給排水管道材料、尺寸、位置等對給排水設計方案進行優(yōu)化和調整，保證道路給排水管道能夠與現(xiàn)有的檢查井進行連接。

3.3.2 縱斷面設計

縱斷面設計主要包括以下流程：管道坡度設置→管道標高設置→連接管道設置→管道交互設置。在縱斷面設計完成后，還需要利用BIM 軟件對給排水系統(tǒng)進行碰撞檢驗，避免出現(xiàn)給排水管道碰撞的情況，保證給排水系統(tǒng)設計合理性。

3.4 創(chuàng)建橋梁模型

3.4.1 立交、高架橋梁設計

該設計方案與道路給排水設計相同，均需要基于道路空間設計和縱橫面設計創(chuàng)建設計模型。首先，設計人員需要明確橋梁、橋臺、橋墩設計結構，基于橋梁結構設計橋梁建設規(guī)模。橋梁結構確定主要包括以下步驟：防護欄設計→橋主梁形式設計→橋面結構設計→橋墩規(guī)格設計。根據(jù)以上設計流程，即可明確橋梁的結構和設計規(guī)模。設計人員在掌握橋梁結構設計后，還需要對橋梁設計部分進行定義，包括橋梁分幅、橋梁起訖、起訖樁號、橋梁高度和橋梁跨度等定義。

3.4.2 天橋結構設計

天橋結構設計與橋梁設計類似，都分為上部設計和下部設計。首先，設計人員需要對天橋的中軸線進行定義；其次，控制天橋橋梁和橋面尺寸，確定天橋的限界和限制高度，然后對天橋幾何參數(shù)和空間位置進行定義，設計天橋階梯坡度等；最后，設計天橋裝飾物。

3.4.3 模型渲染

基于上述所有設計信息，利用BIM 軟件，將輸入導入到其中，利用軟件渲染功能調整模型環(huán)境、位置、畫質、場景等，渲染效果圖如圖2 所示。

圖2 渲染效果圖

4 結論

綜上所述，市政給排水及道路設計在現(xiàn)代化城市建設中極為重要，其不僅影響著城市交通穩(wěn)定性，而且決定著城市發(fā)展的速度。與傳統(tǒng)設計技術相比，BIM 技術具有可視化、參數(shù)化、一體化、仿真性等特點，可以以主觀、形象的方式將設計方案展示出來，改變傳統(tǒng)復雜、繁瑣的平面化工程設計模式。同時，BIM 技術也有利于促進設計質量和速度的提高，保證設計方案的合理化。因此，BIM 技術在市政給排水及道路設計中的應用是技術發(fā)展的必然趨勢。