市政立交設(shè)計(jì)階段BIM 的應(yīng)用

崔麗元，蘇曉玉

（1.重慶兩江新區(qū)水土高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園建設(shè)投資有限公司，重慶 400714；2.河南省科達(dá)水利勘測設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州 450003）

0 引言

在我國城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)的大環(huán)境下，市政立交工程越來越多，同時對市政立交設(shè)計(jì)的質(zhì)量提出了更高的要求，常規(guī)CAD 設(shè)計(jì)的局限性愈發(fā)突出。BIM技術(shù)的出現(xiàn)為市政立交設(shè)計(jì)提供了新的途徑。BIM 技術(shù)就是建筑信息建模技，是一種隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展起來的新型技術(shù)，在土木工程領(lǐng)域中得到了良好應(yīng)用。和CAD 技術(shù)相比BIM 技術(shù)在很多方面都有非常顯著的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)的可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性、出圖便利等方面，現(xiàn)有被廣泛應(yīng)用到土建工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域。

1 案例分析

1.1 工程概述

某市政立交工程是由8 條轉(zhuǎn)向匝道、1 條高速公路和3 條在建市政道路工程共同組成的全互通式立交，匝道合計(jì)總長8426.58m，橋梁總長5464.38m，道路總長3846.71m，橋梁箱涵總長度為210m。路面都是瀝青混凝土路面，涵洞都是普通鋼筋混凝土箱涵。結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，傳統(tǒng)CAD 設(shè)計(jì)難以滿足具體的要求。因此，本文采取了BIM 設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了研究，取得良好效果。

1.2 重難點(diǎn)

就案例工程而言，規(guī)模比較大，設(shè)計(jì)建設(shè)難度大，主要體現(xiàn)在以下4 個方面。

（1）立交線路復(fù)雜，橫坡和梁截面尺寸變化復(fù)雜，如何有效控制線形是本工程施工的重難點(diǎn)之一。

（2）異性結(jié)構(gòu)體量大，工程量核算難度大，傳統(tǒng)CAD 設(shè)計(jì)統(tǒng)計(jì)方法難以順利完成。

（3）現(xiàn)澆箱梁結(jié)構(gòu)比較多，預(yù)應(yīng)力波紋管和鋼筋之間存在交叉碰撞問題，如何有效進(jìn)行全面優(yōu)化和查缺補(bǔ)漏也是本工程的重難點(diǎn)。

（4）參建工種多，各部門協(xié)調(diào)難度大。

2 BIM 在市政立交設(shè)計(jì)中應(yīng)用的建模要點(diǎn)

案例工程結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜，需要同時用到多種BIM軟件技術(shù)，包括：Civil 3D、Power Civil、Micro Station、Generative Components 等相互軟件相互結(jié)合的方法來構(gòu)建起三維立體可視化市政立交模型。

2.1 地形建模

市政立交可看作是一種和周圍地形之間有相互關(guān)聯(lián)的一種構(gòu)筑物，BIM 建模并不能憑空而成，需要建立起一定的地形圖之上。只是地形模型不在采取傳統(tǒng)二維模型，而是選擇了三位數(shù)字化地型模型。案例工程比較復(fù)雜，僅憑一種技術(shù)完成地形建模，而是采取了Civil3D 和PowerCivil 軟件來獲得CAD 圖紙上的高程點(diǎn)和等高線性，然后再通過控制三角網(wǎng)最大長度來建立起三維地形模型。對那些錯誤的高程點(diǎn)而言，采取軟件系統(tǒng)自動的篩選功能就能快速去除，從而逐步建立起精確的三維地形模型。

2.2 路線建模

路線建模也是BIM 市政立交建模的主要內(nèi)容之一，具體的建模方法為將DICAD 上繪制而成的路線參數(shù)全部都導(dǎo)入PowerCivil 軟件中。再利用該軟件中自帶的平面幾何工具就能快速提取出平面線形，但案例市政立交由8 條轉(zhuǎn)向匝道、1 條高速公路和3 條在建市政道路工程共同組成，路線組成比較復(fù)雜，在具體建模操作中需要結(jié)合不同路線的特點(diǎn)，進(jìn)行有針對性的建模，需要分別提取每條線路的平面線形，并繪制出相應(yīng)的縱斷面線，在相互疊加和融合，就能建立起基于BIM 的市政立交線路模型。

2.3 橫斷面建模

市政立交是一種立體化的構(gòu)筑物，橫斷面是線形構(gòu)筑物的主要組成部分，通過線形可以很好的反映出整個構(gòu)筑物的外部和內(nèi)部形態(tài)。在CAD 設(shè)計(jì)，橫斷面的設(shè)計(jì)大多是按照20m 為一個路段進(jìn)行設(shè)計(jì)的，但案例市政立交組成結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，如果繼續(xù)采取CAD 設(shè)計(jì)方法，則無法很好的反映出實(shí)際情況，只是設(shè)計(jì)和實(shí)際差距差過大，降低設(shè)計(jì)效果。而采取PowerCivil 軟件可實(shí)現(xiàn)斷面的參數(shù)化設(shè)計(jì)，可對整條道路進(jìn)行有針對性的設(shè)計(jì)，而且可按照設(shè)計(jì)師的要求，清楚展示每個構(gòu)件之間的空間邏輯關(guān)系，能夠按照地形條件的不同進(jìn)行實(shí)時調(diào)整[1]。但橫斷面參數(shù)化建模是一項(xiàng)非常復(fù)雜的涉及內(nèi)容，其設(shè)計(jì)效果對市政立交建設(shè)質(zhì)量有很大影響，因此在具體建模中需要綜合考慮很多方面的內(nèi)容，具體如下：①邊坡的挖填必須根據(jù)實(shí)際地面線進(jìn)行自動化判斷和分析。②邊坡的高度和坡度需要隨著坡度級數(shù)對不同，進(jìn)行自動有效的調(diào)整。③能確保通過設(shè)計(jì)師布設(shè)的條件，減少填方的工程量，比如，如果邊坡多于三級，可自動設(shè)置路肩。在進(jìn)行橫斷面參數(shù)化建模中可定義多項(xiàng)參數(shù)，但每個構(gòu)建的名稱、尺寸、材質(zhì)以及標(biāo)記都必須符合設(shè)計(jì)文件的相關(guān)要求。

2.4 市政立交橋梁建模

案例中市政立交橋梁同時位于縱向曲線和平曲線之上，需要結(jié)合橋梁的特點(diǎn)，對上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分別建模。在進(jìn)行上部建模中可采取Generative Components 軟件進(jìn)行建模，利用可視化編程技術(shù)構(gòu)建起橋梁上部結(jié)構(gòu)模型，此種軟件可結(jié)合箱梁截面的實(shí)際情況，進(jìn)行實(shí)時調(diào)整和修改，Generative Components軟件的出現(xiàn)有效解決了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中橋梁曲線箱梁參數(shù)化建模難度太大的問題。可采取中心線驅(qū)動參數(shù)化橫斷的模式，可對箱梁的外部輪廓、內(nèi)腔、橫隔板等都進(jìn)行參數(shù)驅(qū)動設(shè)計(jì)，可對箱梁的寬度、長度、厚度等進(jìn)行參數(shù)和相關(guān)信息進(jìn)行動態(tài)化調(diào)整，更好地保證橋梁建模的準(zhǔn)確性[2]。

在進(jìn)行橋梁下部結(jié)構(gòu)如橋臺、橋墩等設(shè)計(jì)中，需要用到Micro Station 軟件，進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，Micro Station軟件能夠?qū)?gòu)件的樁長、樁徑、承臺尺寸等進(jìn)行調(diào)整設(shè)計(jì)，而且可以按照坐標(biāo)和支座高程放置到橋梁文件中。

3 市政立交設(shè)計(jì)階段中BIM 的應(yīng)用思路

利用BIM 技術(shù)建立起市政立交模型之后，如何將BIM 模型應(yīng)用到實(shí)際設(shè)計(jì)中，才是BIM 技術(shù)在市政立交設(shè)計(jì)階段應(yīng)用的重點(diǎn)，具體的應(yīng)用思路如下。

3.1 在路線優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

在傳統(tǒng)CAD 設(shè)計(jì)中要進(jìn)行土方調(diào)整是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工作，而且難度很大，任何一個細(xì)節(jié)控制不當(dāng)都會大幅度提升挖填量，增加成本，延誤工期。而利用BIM 技術(shù)則可以有效解決這一問題，可對土方進(jìn)行實(shí)時動態(tài)化的調(diào)整，可按照三模型的橫斷面填挖來對線形進(jìn)行實(shí)時調(diào)整，從而達(dá)到土方平衡的設(shè)計(jì)效果。比如：在案例工程主線路基設(shè)計(jì)中，進(jìn)行了縱斷面調(diào)整，按照調(diào)整之后的土方平衡再進(jìn)行多次反復(fù)設(shè)計(jì)，經(jīng)過調(diào)整之后，原土方量從 12.6 萬 m3，減少到 6.7 萬 m3，相差量達(dá)到5.6 萬m3，達(dá)到了土方平衡的目的。此外，在BIM 模型還自帶高程和土方分析的功能，可按照現(xiàn)場實(shí)際情況對地形和工程模型的高程進(jìn)行對比分析，通過場地高程，就能得到所建場地到地形所需的實(shí)際土方量，為路線方案設(shè)計(jì)土方平衡提供有針對性的參考和依據(jù)。

3.2 在路線路形優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

在市政立交設(shè)計(jì)中停車視距長期以來都是路線路形設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)，在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會忽略附屬結(jié)構(gòu)物在曲線段對視線的遮擋，致使完工之后經(jīng)常出現(xiàn)道路實(shí)現(xiàn)不足的問題。BIM 模型可建立起市政立交建設(shè)完成之后的整體三維模型，通過BIM 技術(shù)自帶的視距檢查功能可及時發(fā)現(xiàn)視距是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。按照《城市道路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》中對最小視距和視線、障礙高的規(guī)定，可對建立起的模型進(jìn)行視距檢查，再按照實(shí)際的檢查結(jié)果就能對路線的線形進(jìn)行全面系統(tǒng)的優(yōu)化，更好地保障設(shè)計(jì)效果[3]。

3.3 在線路和管道線形優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

案例中市政立交道路組成比較多，道路、結(jié)構(gòu)、邊坡、管線需要由不同的設(shè)計(jì)單位聯(lián)合設(shè)計(jì)，大大提升了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，容易發(fā)生交叉碰撞問題。而交叉碰撞檢查是BIM 技術(shù)最基礎(chǔ)的功能，可通過三維立體可視化的方法，對各專業(yè)之間的設(shè)計(jì)進(jìn)行全方位的交叉碰撞檢查，以便及時進(jìn)行有針對性的調(diào)整。案例工程在應(yīng)用BIM 技術(shù)對市政立交雨水管道、污水管道、橋梁下部進(jìn)行全方位的碰撞檢查，有效解決了管道工程和橋梁下部結(jié)構(gòu)之間存在的交叉碰撞情況，不但優(yōu)化了路線的平面線形，也減少了施工變更，可大幅度度提升施工效率，控制工程造價。

3.4 在線路線形和高程優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

對案例工程而言，線性非常復(fù)雜，而且各路線在空間上存在相互交錯的現(xiàn)象，這就使得傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)難以滿足實(shí)際設(shè)計(jì)的需求，存在設(shè)計(jì)過于保守的問題，凈空通常會流出很大富余，致使工程量增加，無形中增加了市政立交的建設(shè)成本[4]。采用BIM 技術(shù)可有效解決這一問題，BIM 輔助設(shè)計(jì)能夠很好的優(yōu)化路線線形，及時解決和處理存在的不足和相關(guān)問題，促使市政立交設(shè)計(jì)更加科學(xué)合理，減少保守設(shè)計(jì)帶來的工程量浪費(fèi)。再通過三維立體可視化技術(shù)，就可以全面檢查調(diào)整之后的凈空高度，判斷能否滿足相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的要求。

本工程匝道橋路段設(shè)計(jì)中受到地形復(fù)雜的影響，大大提升了承臺標(biāo)高確定的難度，如果采取二維設(shè)計(jì)方法，會出現(xiàn)承臺標(biāo)高超過實(shí)際地面高度的問題。而BIM 技術(shù)可實(shí)現(xiàn)整個市政立交的三維可視化設(shè)計(jì)，在計(jì)算機(jī)模型中就能對橋梁下部結(jié)構(gòu)的標(biāo)高進(jìn)行檢查，再按照具體的檢查結(jié)果，就能對道路縱斷面和橋墩結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)整，從而達(dá)到減少施工變更的設(shè)計(jì)效果。

3.5 在工程量統(tǒng)計(jì)和清單設(shè)計(jì)中應(yīng)用

在利用CAD 進(jìn)行市政立交工程量統(tǒng)計(jì)，經(jīng)常采取斷面法進(jìn)行計(jì)算分析，但不同地段的地形地貌復(fù)雜多變，僅憑斷面法存在很大的誤差，經(jīng)常多計(jì)算工程量，從而增加了建設(shè)成本。而利用BIM 技術(shù)能夠按照路基段和匝道橋兩端模型的橫斷面模板和參數(shù)化結(jié)構(gòu)的定義進(jìn)行自動分類統(tǒng)計(jì)，可得到不同廊道段準(zhǔn)確的工程量數(shù)據(jù)。從而嚴(yán)格的按照《公路工程工程量清單及計(jì)量規(guī)范》中的要求各清單量進(jìn)行構(gòu)件編碼，在通過BIM 就能自動生成工程量Excel 文件，借助VBA 程度，可對每個構(gòu)件進(jìn)行清楚的編碼，將相應(yīng)的工程量數(shù)據(jù)讀入對應(yīng)項(xiàng)的工程量清單中，為市政立交設(shè)計(jì)概預(yù)算提供真實(shí)有效的工程量清單，更好的保證市政立交設(shè)計(jì)效果。

3.6 三維出圖和深化設(shè)計(jì)

當(dāng)市政立交設(shè)計(jì)完成之后，還可以利用BIM 軟件對設(shè)計(jì)的模型和相關(guān)構(gòu)件進(jìn)行局部平面、立面、剖面分析和優(yōu)化。也可以將三維構(gòu)件調(diào)整到所需的視角，進(jìn)行標(biāo)注和說明。設(shè)計(jì)完成之后全部檢查一遍，確認(rèn)都得達(dá)到要求后，即可進(jìn)行市政立交項(xiàng)目BIM 模型三維出圖。在就案例工程而言，涉及的因素比較多，包括：道路、橋梁、地下管線、周圍環(huán)境保護(hù)等眾多業(yè)務(wù)。每個參建方都可以按照自己的需求輸入自己所需的三維設(shè)計(jì)圖紙，以便更好的直到后期施工。

3.7 VR 虛擬現(xiàn)實(shí)

BIM 技術(shù)是一種新型的設(shè)計(jì)技術(shù)，是在計(jì)算機(jī)軟件基礎(chǔ)上起來的，能夠和其他計(jì)算機(jī)相配合使用。比如：在進(jìn)行市政立交設(shè)計(jì)方案匯報時，傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)方法只能在圖紙上進(jìn)心講解，闡述，但案例工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各道路交錯布置，在段時間內(nèi)，設(shè)計(jì)人員無法將全部的設(shè)計(jì)內(nèi)容展示在業(yè)主眼前，致使一些業(yè)主對設(shè)計(jì)單位設(shè)計(jì)方案一知半解，投入施工中出現(xiàn)問題后，就會出現(xiàn)相互推卸責(zé)任的問題，影響施工進(jìn)度和成本[5]。而采取BIM 技術(shù)在匯報設(shè)計(jì)方案時可利用BIM 自帶的三維立體可視化能力，將市政立交BIM 設(shè)計(jì)模型和VR虛擬技術(shù)相互結(jié)合，為業(yè)主提供一個身臨其境了解設(shè)計(jì)方案全貌的機(jī)會，可大幅度提升業(yè)主和設(shè)計(jì)人員之間的交互體驗(yàn)，將設(shè)計(jì)意圖更加全面、準(zhǔn)確傳達(dá)給業(yè)主。

4 結(jié)語

綜上所述，本文結(jié)合實(shí)際案例分析了市政立交設(shè)計(jì)階段BIM 的應(yīng)用。分析結(jié)果表明，BIM 技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用為市政立交設(shè)計(jì)提供臨時一種全新的技術(shù)。和傳統(tǒng)CAD 設(shè)計(jì)技術(shù)相比，BIM 技術(shù)在設(shè)計(jì)速度、設(shè)計(jì)效率、設(shè)計(jì)直觀性、設(shè)計(jì)方案表達(dá)等方面都有非常顯著的優(yōu)勢，非常契合現(xiàn)代化市政立交結(jié)構(gòu)復(fù)雜、道路交錯的設(shè)計(jì)要求。在計(jì)算技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，BIM 技術(shù)的功能將會更加全面，在市政工程領(lǐng)域中的應(yīng)用將會愈發(fā)廣泛，促進(jìn)我國市政事業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。