基于BIM技術(shù)的市政道路優(yōu)化設(shè)計研究

田福嬋

（中交城鄉(xiāng)建設(shè)規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 430050）

0 引言

隨著城鎮(zhèn)化進程的逐漸深入，市政道路的結(jié)構(gòu)和規(guī)模越來越復(fù)雜，市政的基礎(chǔ)工程項目數(shù)量越來越多，原有的工程設(shè)計方法已經(jīng)難以滿足高標準高性能的城市道路建設(shè)需求，需要對其進行優(yōu)化設(shè)計。BIM 技術(shù)能夠通過數(shù)字化信息仿真技術(shù)，對工程項目的各個施工階段進行信息整合和收集，以此對全部的工程信息進行虛擬建設(shè)，為實際施工過程中出現(xiàn)的問題提供依據(jù)和參考，并在一定程度上推動項目的順利進行。將BIM技術(shù)應(yīng)用于市政道路建設(shè)中，可以根據(jù)其可視化和模擬性等優(yōu)勢，完成對道路的優(yōu)化方法設(shè)計。一方面在道路建設(shè)過程中，利用BIM技術(shù)對施工現(xiàn)場進行全面分析時，其能夠?qū)υO(shè)計方案中不合理的地方及時改進，根據(jù)實際的工程建設(shè)施工要點，進行高標準的統(tǒng)籌規(guī)劃。另一方面，BIM 技術(shù)的可視化功能可以從專業(yè)的角度出發(fā)，在復(fù)雜管網(wǎng)的鋪設(shè)過程中進行綜合規(guī)劃，分析不同類型的管網(wǎng)碰撞產(chǎn)生的問題，避免在實際施工中對市政道路質(zhì)量的不良影響，保證在美觀性的同時具備更高性能的道路安全標準?；贐IM技術(shù)的市政道路優(yōu)化方法，可以為整個項目建設(shè)周期的完整度和精準度提供可靠的理論支持。

1 基于BIM技術(shù)構(gòu)建協(xié)同優(yōu)化模型

根據(jù)市政道路的工程設(shè)計方案，在進行具體施工時需要全方位采集其內(nèi)部的數(shù)據(jù)，以完成不同道路施工的監(jiān)測或勘察。為提高市政道路工程的精準性設(shè)計，選擇BIM技術(shù)作為優(yōu)化方式，構(gòu)建市政道路的協(xié)同優(yōu)化模型，對道路的整體布局進行全方位控制。該協(xié)同優(yōu)化模型中需要包括多個模擬板塊，即三維信息的儲存模塊、設(shè)計圖紙的審核模塊以及管線綜合的碰撞檢查模塊，利用BIM技術(shù)自帶的數(shù)據(jù)庫類型，在工程項目建設(shè)開始時將需要的數(shù)據(jù)依次導(dǎo)入，分別對各自的模塊內(nèi)容進行存檔保留，以保證后期驗收時能夠和原始圖紙進行對照，并且對道路施工中出現(xiàn)的不同契合點進行討論。

根據(jù)市政道路的建設(shè)基礎(chǔ)確定管線鋪設(shè)方式，按照集中工作的方式進行模型建設(shè)，不同項目工程師能夠通過網(wǎng)絡(luò)路徑，直接在中心文件中進行數(shù)據(jù)調(diào)取、閱讀和修改在線副本，使道路施工的具體方案能夠與建設(shè)周期達到協(xié)同。其中，市政道路的結(jié)構(gòu)要與管線鋪設(shè)的結(jié)構(gòu)區(qū)分開，由于兩個具有不同的專業(yè)類型，雖然管路集中分布在路基下方，但不表示其能夠和道路的建設(shè)工程行進速度達到平衡。在協(xié)同模型中每個板塊之間，可以通過REVIT 鏈接中心進行數(shù)據(jù)交換，對不同的路面高度和寬度進行設(shè)計，保證不同路段的間距符合設(shè)計標準。其中，每個道路路段可以分為機動車道和非機動車道兩個類型，在此基礎(chǔ)上在非機動車道中劃分出人行道，對所在的道路橫縱斷面進行計算。

2 最小半徑長度計算市政道路橫縱斷面

通過BIM技術(shù)中可視化的優(yōu)勢可知，在道路設(shè)計過程中，需要綜合考量路面的橫縱組合效果，在具備多個使用工具中，能夠避免道路不協(xié)調(diào)導(dǎo)致的問題。協(xié)同模型的可視化窗口能夠?qū)崟r顯示路基的平面和縱面信息，在可視圖的窗口中能夠進行單獨命令待選，以此完成橫縱斷面的參數(shù)更改和設(shè)計。在可視窗口內(nèi)左上角為平面視圖，右上角為縱視圖，其中包括道路的樁編號位置和自然地面線的標高信息，在道路的橫縱斷面設(shè)計中，若樁編號的位置不滿足約束規(guī)則，會引起道路路基填挖不當(dāng)，可以利用曲線極限的最小半徑確定橫斷面的規(guī)范標準。

平面距離在實際測量中容易控制，但由于縱斷面的多種可能性，在長度和高度設(shè)計過程中會出現(xiàn)多個難點。此次利用BIM技術(shù)模擬道路的動態(tài)行車軌跡，以最佳的行車視距作為優(yōu)化標準進行道路縱斷面計算，避免出現(xiàn)過大挖坑和填坑的問題。車輛行駛過程中會出現(xiàn)豎曲線，分為凸凹兩種類型。如果其半徑值過小會阻礙駕駛?cè)藛T的視線，存在視距安全問題，分別對凸曲線和凹曲線的極值半徑q進行計算，公式為：

式（1）～（3）中：I為視距曲線中凸曲線的長度；w為施工視距的距離；q凸為曲線極值的最小半徑。當(dāng)凸曲線的長度大于視距時，利用公式（1）進行計算；當(dāng)凸曲線的長度小于視距時，利用公式（2）進行計算，其中ω為視距與曲線的夾角。P為視距曲線中凹曲線的長度；t為施工中產(chǎn)生的離心加速度，離心加速度t=r2/q；q凹為凹形的曲線極值最小半徑。

根據(jù)不同的曲線極值最小半徑，控制道路設(shè)計過程中的施工速度，保證后期路段通車時，駕駛?cè)藛T能夠在舒適的視覺環(huán)境中行車。以道路行駛車輛的視距曲線作為橫斷面寬度和高度的計算標準，能夠在市政道路檢查中滿足其優(yōu)化規(guī)范，使不同速度的車輛在最大縱坡和最小縱坡限制下保證行車安全和穩(wěn)定性。以此為基礎(chǔ)確定路基對應(yīng)的綜合管線布局規(guī)劃，完成市政道路的優(yōu)化設(shè)計。

3 綜合規(guī)劃復(fù)雜管網(wǎng)鋪設(shè)完成市政道路優(yōu)化

在市政道路工程中，不同橫縱斷面的鋪設(shè)長度會形成不同的工程建設(shè)空間，利用最小半徑長度計算優(yōu)化后的道路橫縱斷面，對市政道路的路基進行重點建設(shè)。通常情況下，市政道路的建設(shè)需要綜合考慮不同管路網(wǎng)線的鋪設(shè)結(jié)構(gòu)。其中，包括給排水管道和電力管道，以及燃氣管道和通信管道等。不同類型的管道均屬于地下的隱蔽工程，因此在市政道路工程優(yōu)化設(shè)計中，要做好不同專業(yè)管線的協(xié)調(diào)考量。利用協(xié)同優(yōu)化模型對不同管線進行多輪的管網(wǎng)鋪設(shè)碰撞檢查，減少實際施工過程中管線排放錯誤，造成成本增加和工期延長現(xiàn)象。通過BIM技術(shù)構(gòu)建的可視化碰撞模型，將需要鋪設(shè)的管線數(shù)量和位置依次輸入數(shù)據(jù)庫中，按照初始設(shè)計好的排布形式進行模擬分析，保證復(fù)雜管路在施工前期的鋪設(shè)合理性。

通過對BIM 技術(shù)的多角度應(yīng)用，在進行綜合管線的碰撞檢查中，能夠合理預(yù)留未知的或多數(shù)管線，保證在后期疊加管路中具備空余位置。施工中應(yīng)重點關(guān)注雨水管道，受城市內(nèi)循環(huán)影響，在雨季若出現(xiàn)強降水或洪澇災(zāi)害，會導(dǎo)致城市道路出現(xiàn)安全隱患，使城市的排水系統(tǒng)崩潰，因此，必須保證雨水管路的數(shù)量配比更加合理，避免與其他管道之間產(chǎn)生沖突，可以適當(dāng)增加雨水管道的鋪設(shè)數(shù)量以及埋設(shè)深度。

4 實驗結(jié)果分析

為驗證此次設(shè)計的市政道路優(yōu)化方法具有實際應(yīng)用意義，采用實驗測試的方法進行論證。選擇某新區(qū)道路進行規(guī)劃，道路全長約14km，內(nèi)置管廊長度約為10km。此次實驗的目的是檢驗新方法是否能夠進行道路建設(shè)全周期的數(shù)據(jù)記錄，形成動態(tài)的市政道路建設(shè)流程，避免在建設(shè)過程中出現(xiàn)樁編號定點錯誤，以及綜合管線碰撞問題。測試開始前對該市政道路的擬建樣式進行建模，保證模型內(nèi)具備綜合管線的分布示意圖，以及樁編號的定點數(shù)量和位置，具體擬建模型如圖1所示。

圖1 市政道路擬建模型示意圖

根據(jù)圖1所示，在選定施工的市政道路中，包含大小不一的樁編號點位，共計12 個。其中綜合管線主要分為排水系統(tǒng)和燃氣供給系統(tǒng)，兩條線路的設(shè)計初步符合運維需求。實驗開始前引入兩組傳統(tǒng)的道路優(yōu)化方法，對擬建的道路模型進行優(yōu)化處理，對比不同方法下道路的最終施工結(jié)果。為避免成本過高，不采用實地施工方案對比，將擬建的模型傳輸?shù)組ATLAB 測試模型中，進行三組優(yōu)化方法的測試。

實驗分為兩個階段：第一部分是對所在的管線進行碰撞檢查，是否存在高程尺寸表達錯誤，即驗證優(yōu)化方法對道路管線設(shè)計的合理性。第二部分是測量多個樁編號點位的位置，驗證施工完成其所在位置的偏移程度，即優(yōu)化方法對道路全周期的控制度。選擇其中10組管線進行驗證，當(dāng)排水管線的高程超過3.2m，則表示兩組管線存在不合理現(xiàn)象，具體結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同優(yōu)化方法對道路管線的布局結(jié)果

根據(jù)圖2可知，在本文方法的應(yīng)用下，選定的排水管線不存在高程超出現(xiàn)象，其與燃氣管線能夠處于相對穩(wěn)定的布局中，而兩組傳統(tǒng)方法的管線布局出現(xiàn)交叉會影響后期市政道路的施工，說明本文方法更具有優(yōu)勢。為進一步驗證本文方法能夠提高市政道路的建設(shè)標準，測試對應(yīng)的樁編號位移情況，其起點位置和終點位置保持在0.8cm 范圍內(nèi)，即表示道路的建設(shè)符合施工標準，具體測試結(jié)果如表1所示。

表1 不同優(yōu)化方法下道路樁編號位移情況 單位：cm

由表1 可知，在本文方法的應(yīng)用下，樁編號的前后位移基本保持在0.2cm 范圍內(nèi)，遠高于行業(yè)內(nèi)的建設(shè)標準。而兩組傳統(tǒng)方法的位移距離與基本的施工標準持平，說明本文設(shè)計的優(yōu)化方法可行性更高。綜合實驗結(jié)果表明：在本文方法的應(yīng)用下，市政道路的管線布局能夠符合規(guī)定，不會出現(xiàn)碰撞問題，且前后樁編號的位移情況遠高于行業(yè)標準，具有實際應(yīng)用意義。

5 結(jié)語

本文在BIM技術(shù)的優(yōu)勢下，利用可視化和模擬化施工特點，對市政道路的管線進行綜合布局，并利用最小半徑完成橫縱截面的高度計算及道路優(yōu)化方法設(shè)計。實驗結(jié)果表明：本文的實際管線布局更加合理，且樁編號的位移量高于行業(yè)標準，具有推廣意義。但由于時間有限，在測試過程中只進行了少量的管線測試，所得結(jié)果具有一定的偏差性。后續(xù)研究中會綜合考慮多種管線的布局，完成不同類型的市政道路規(guī)劃，為城鎮(zhèn)化建設(shè)提供理論支持。