BIM技術在市政道路中的應用

文／唐妙 長沙市市政工程有限責任公司 湖南長沙 410000

引言：

BIM代表著一種新的理念和實踐，是一種創(chuàng)新的建筑設計、施工和管理方法。長期以來，我國市政道路設計大多采用基于AutoCAD的二維平面設計模式，難以直觀全面展示設計對象信息，嚴重制約設計行業(yè)的提升發(fā)展。加上設計項目越來越復雜，二維設計方式已逐漸無法滿足工程設計的需要，亟須引入BIM技術，實現多專業(yè)的三維協同設計，有效解決設計難點、保證設計方案合理可行，同時搭建以BIM模型為基礎的BIM綜合協調管理平臺，集成項目管理流程，實現基于本項目的管理流程定制化部署。平臺需包含模型管理及瀏覽、圖紙管理、權限管理、BIM進度管理、BIM質量安全管理、BIM成本計劃管理、BIM智慧工地、任務管理等功能。同時將業(yè)主方、設計方、總承包單位、分包單位、監(jiān)理單位及其他各參建方納入平臺管理，根據管理職責進行權限分配，實現各參加方基于互聯網的協同管理。本文主要圍繞此展開詳細分析。

1、BIM技術概述

建筑信息模型（BIM）是繼計算機輔助設計（CAD）技術后出現的建設領域又一重要的計算機應用技術，通過建立數字智能化模型對項目的設計、施工以及運維等過程進行優(yōu)化管理，為運營維護管理提供全模型數據倉庫與工程資產全信息管理，BIM技術和理念將成為未來整個建設行業(yè)技術的發(fā)展方向。

本文主要圍繞BIM技術在市政道路中的應用展開分析，目前常用的道路設計BIM軟件有Bentley、revit以及3DEXPERIENCE等平臺，其中bentley基于道路系統(tǒng)進行研發(fā)應用。目前，BIM技術在道路設計建模方面已經得到實現，隨著bim的建筑信息模型設計交付標準、建筑信息模型應用統(tǒng)一標準、建筑信息模型施工應用標準、建筑信息模型分類和編碼標準等一系列標準的頒布以及實施，極大地鼓舞BIM行業(yè)大步向前發(fā)展。

2、BIM技術在市政道路中的應用優(yōu)勢

2.1 充分體現設計者的設計意圖

BIM技術可以創(chuàng)建更直觀的3D數據模型，有效地避免了相關的缺點。例如在現有的二維設計模式中無法更好地反映設計形狀，應用BIM技術可以對市政道路建設的相關效果進行三維模擬，設計師和操作員可以清晰地感受到市政道路的建設效果，反映市政道路設計師的設計目標。

2.2 項目工作量計算快速準確

市政道路設計過程使用傳統(tǒng)的2D設計技術（例如CAD）來估算當前的設計工作量，在路面技術和安全計算上往往會出現比較大的誤差。通過運用BIM技術中的三維立體設計模塊，可以相當準確地了解長度、體積、面積等設計特征?；跍蚀_的數據，可以實時相應地調整工作量，及時了解道路施工進度，因地制宜，高效及時派遣施工人員。

2.3 較強的模擬分析能力

市政道路設計階段采用BIM技術可進行項目快速建模，實現BIM框架下道路、橋梁、管網、綠化景觀照明的協調設計，提高項目效率。BIM技術可呈現項目在初始設計階段完成后的影響，展示最終效果，可以從各個角度進行分析。這使設計師能夠在設計早期發(fā)現設計缺陷，并及時調整和改進項目計劃和概念，展現出BIM技術在工程中強大的建模模擬和分析能力。

2.4 可實現全生命周期運維運用

安全管理：利用智慧工地云平臺和普華powerBIM可視化工程管理協同平臺、Web管理平臺、手機移動平臺，組成BIM應用平臺，結合現場監(jiān)控系統(tǒng)和安全巡查，將收集和處理的安全問題掛接到對應位置、記錄發(fā)生時間，智慧工地云平臺、普華powerBIM可視化工程管理協同平臺和Web管理平臺端同步記錄問題發(fā)生的各種信息，顯示項目區(qū)域間發(fā)生安全問題的頻率和狀態(tài)，為項目安全生產提供問題保障。通過光感傳感器、運維平臺與報警系統(tǒng)聯合使用，對各種原因誤入施工范圍內的人員發(fā)出警報，保障行人的安全。

進度管理：將進度計劃文件與模型文件、工程量清單等進行鏈接，結合現場施工進度對數據進行實時匯總，使現場任意節(jié)點的施工進度及所需資源能實時查看，同時可以對實際進度和計劃進度進行對比，為編制人員、材料、資金等資源計劃提供參考。

質量管理：通過三維模型和平臺的應用，進行三維可視化交底、方案模擬、資料掛接、變更管理等方式，增加交底的準確性、加快項目信息的傳遞，為保障施工質量提供保障。

3、實例分析BIM技術在市政道路中的應用

3.1 工程概況

本項目為某市政道路工程，機場中軸大道是銜接場外集疏運道路與場內交通系統(tǒng)的主要進出場道路，全線長約4.5km，（其中高架段約1.1km，向南與場外機場中軸大道南段銜接，地面段約1.3km，隧道段約2.1km，向北與場外機場中軸大道北段銜接），道路段紅線寬度123m；主路高架橋主線為雙向十車道，輔道規(guī)模為雙向六車道，主輔路之間通過匝道銜接。進出場道路包括中軸大道主線、中軸大道輔道、工作區(qū)平行匝道、工作區(qū)平行匝道、輔道調頭彎匝道、工作區(qū)銜接匝道、工作區(qū)銜接匝道、南北貫穿隧道東線、南北貫穿隧道西線。航站區(qū)道路包括航站區(qū)地面道路、進場路匝道。雨水、污水等附屬工程：航站區(qū)及沿中軸大道敷設的雨水、污水工程及其附屬工程。工期緊要求高，業(yè)主對BIM技術應用非常重視，明確提出需要采用BIM技術應用，并在招標文件中列出了具體要求。

3.2 BIM總體策劃

本項目在實施初期策劃了完整的BIM應用解決方案，明確了應用內容、流程、標準、組織、計劃及具體應用措施等，并按照策劃內容組織實施過程管理，順利實現了設計與施工全過程BIM綜合應用。本工程基于bentley以及revit軟件進行建模，并使用這些自研軟件進行正向設計和三維建模，再組合使用其他軟件開展BIM應用，并實現了各軟件之間的模型和信息共享，旨在借助BIM技術手段，合理優(yōu)化設計方案，提高設計效率，控制施工進度，減少工期，降低成本投入，從而提高設計質量和施工管理水平，保障項目的順利完成，并為后續(xù)的項目運維管理提供數據基礎。

本工程BIM協同平臺是基于普華powerBIM開發(fā)的面向工程參建各方的施工項目管理軟件，包含項目總覽、設計、施工、進度、質量、安全、合同、投資、系統(tǒng)等管理功能模塊，支持對各類靜態(tài)或動態(tài)數據的錄入和修改，可把BIM軟件創(chuàng)建的模型和信息，按照時間關系導入5D數據庫（3D模型+1D時間+1D內容），實現對模型和信息的統(tǒng)一整合和管理，為設計階段和施工階段的BIM應用提供平臺支持。

3.3 BIM模型創(chuàng)建

3.3.1 構件化建模方法

設計階段的BIM模型主要分為針對設計圖紙進行模型的深化和重建工作，主要體現為：

（1）土石方與地基處理工程模型需要進行重新建模：原地面地形地貌已發(fā)生變化，需要對原地面地勢模型進行重新建模；施工過程中的檢驗批土石方模型需要隨著施工進度時時重建。

（2）排水工程模型需要進行重新建模：排水工程的路線圖紙發(fā)生變更，原排水溝BIM模型溝體的高程、溝體結構厚度等尺寸不符合圖紙要求；原設計排水溝BIM模型的節(jié)點均未建?；蚝唵翁幚恚枰匦陆?；原設計排水溝BIM模型均未進行鋼筋建模，施工BIM階段需要對鋼筋模型進行重建。

（3）道面工程模型局部需要進行修改、部分需要進行重建、部分需要深化：道面板未進行分縫和刻槽處理，需要對原BIM模型進行局部深化修改；道面標志標識模型需要進行提量，需要對原設計BIM模型進行底漆細化；原設計BIM模型的傳力桿、拉桿等存在碰撞、位置擺放不對等問題，需要對原模型進行修改。建模的內容及具體方法如下：

1）土石方與地基處理工程

對排水溝的填挖方土石方量進行精確計算并與設計工程量進行對比。

①建立原始地形

通過CNCCBIMOpenRoads的過濾地形功能提取復測的原地面高程數據從而形成三維地形圖。為后面的土方計算做數據依據。

②建立排水溝路線的平面、縱斷面。

③建立溝渠開挖橫斷面模板并通過廊道功能建立溝渠開挖模型，然后統(tǒng)計出工程量（填挖方量）。

④使用CNCCBIMOpenRoads的出工程量表工程對整個開挖出土石方數量計算表。按照每20米一段出工程量。用以輔助施工。

邊坡模型由于設計圖紙變更，原設計邊坡BIM模型無法使用，需要根據新建立的排水溝模型的外邊線提取邊坡坡腳線，進行邊坡建模；

原設計模型邊坡模型中的護坡處理、六棱柱磚等模型均未體現，故該部分的模型需要重新建立，利用Microstation將護坡六棱磚做成單元進行匹配放置。

2）排水工程建模（多種類排水溝的影響，交匯節(jié)點的影響）

①依照溝體開挖斷面同樣思路進行路線的平縱斷面建模，依照設計斷面進行橫斷面建模，在橫斷面模板中設置參數控制橫斷面變寬變高，實現溝體的參數化設計。

②按照伸縮縫的要求，20米繪制一節(jié)溝渠，中間留出2cm的伸縮縫。通過把溝渠主體轉化成智能實體之后，使用Microstation進行泄水孔的建模。每500米范圍內設置一條檢修步道。

③溝渠的節(jié)點處，使用Microstation的基本功能，畫好面，拉伸、剪切、布爾運算等操作，建模節(jié)點的底板、側墻、頂板、擋土墻等結構模型。然后通過其精確坐標系移動到對應高程和坐標位置上。

④對于暗溝的傳力桿等細部構件，我們先制作好傳力桿單元，然后通過放置單元的功能批量放置，這樣既實現了構件庫的建立，又保證了文件的輕量化。

3）道路工程建模

①道路基層

道路的平縱橫斷面和溝渠的建模方式一致，不做重復贅述，道面基層采用線模板的方式進行建模。

②路面工程

使用路面的邊線和中線形成一個地形，然后用面模板的工程把地形賦予路面結構層。

③圍界

采用Microstation對圍界模型進行放樣，然后創(chuàng)建成單元，進行布置。

④標線

將場道工程的標線復制出來，在CNCCBIMOpenRoads中使用壓印功能把標線印到已制作好的道面上，同時提取標線曲面，分別生成底漆和面漆模型。經測試復核，壓印標線精確度符合標準。

⑤鋼筋建模

根據施工需要及設計要求，建立鋼筋節(jié)點、施工縫節(jié)點、變形縫節(jié)點、異性混凝土節(jié)點等模型。

鋼筋部分運用Prostructures，常規(guī)構件可以通過自動拾取構件的截面參數和形狀，并且可以通過不同的形狀自動選擇鋼筋的初步布置方式；

異形構件主要是解決主筋和箍筋，不管布置主筋還是箍筋，對于異形體都可以批量的布置，不需要一根一根的去布置；鋼筋的方向，可根據構件提取的導向線來控制。并且可以通過不同的鋼筋顯示模式控制鋼筋：支持單線模式、線框模式、草圖模式、渲染模式。

3.3.2 方案展示和驗證

本項目施工場地復雜，大型設備與材料物資經常運輸存在一定交叉協調困難，本項目在大型設備進出場及吊裝方案編制實施前，擬采BIM通過預先設立的大型設備進場及運輸路線，采用BIM技術模型進行大型設備進場及運輸吊裝模擬，驗證施工方案的可操作性，優(yōu)化施工方案。

3.3.3 虛擬現實設計優(yōu)化

基于BIM多專業(yè)合成模型，結合虛擬現實（VR）新技術手段，制作了整個工程項目的交互式漫游場景，對景觀設計方案進行以下多處優(yōu)化。（1）通過沉浸式漫游體驗，驗證了橋下廣場的景觀設計方案；（2）根據虛擬代入體驗結果，優(yōu)化了部分浮雕、燈光及綠化的細節(jié)設計；（3）橋梁下部通過以浮雕、綠化覆蓋、夜景亮化等方式優(yōu)化，弱化了與文物本體的正面沖擊，使之與古運河整體風貌相協調。

3.3.4 交通仿真優(yōu)化

建基于BIM模型，制作的項目全景瀏覽鏈接，可以通過分享鏈接在PC端直接打開、瀏覽項目模型。

3.3.5 輔助設計及復核

（1）多專業(yè)協同三維設計

在協同工作環(huán)境中，依據項目BIM應用實施策劃要求，搭建項目各專業(yè)BIM設計模型，包括道路工程、橋梁工程主體及其附屬的地質、土建、管線等，以及工程周邊市政管線、地面交通系統(tǒng)等BIM模型創(chuàng)建。

（2）設計方案可視化效果表現

在設計方案中，根據橋梁不同設計方案要求，創(chuàng)建相應的橋梁BIM模型，以三維可視化的形式展現方案的設計理念、思路和細節(jié)表現，輔助設計方、業(yè)主、政府相關部門協調溝通，便于進行設計方案比選和快速決策。通過可視化直觀方式，看出不同設計方案條件下的主橋結構以及周邊環(huán)境之間的相對空間位置關系，有助于設計人員改進設計方案，輔助業(yè)主進行方案決策。

（3）工程設計方案漫游

以規(guī)劃的項目道路、橋梁BIM模型為基礎，結合無人機航拍的周邊環(huán)境模型、市政管線模型及地下建構筑物模型，直觀展示工程整體設計方案成果，進行仿真漫游，虛擬展示工程建成實景并判斷周邊環(huán)境的影響，尤其是線路與現狀路網及相關工程的關系，橋梁匝道口位置、?？空九c周邊環(huán)境的關系等，在方案階段妥善處理與周邊建構筑物的關系，避免錯漏碰缺，輔助設計方案優(yōu)化。

（4）碰撞檢查與三維管線綜合

本項目橋梁上部結構中鋼筋及波紋管密集的情況，通過建立鋼筋及鋼束結構BIM模型，對BIM模型進行碰撞檢測，優(yōu)化設計圖紙，輔助現場施工作業(yè)協助方案優(yōu)化，有效減少了鋼筋與預應力波紋管的沖突問題，提升施工效率和品質。

（5）工程量復核

根據設計清單工程量統(tǒng)計要求，采用BIM技術手段對工程土建等工程量輔助統(tǒng)計，核對設計統(tǒng)計量與BIM工程量，復核差異較大的項，提高工程算量的準確性。

（6）景觀藝術方案動態(tài)呈現

基于前期方案建立的周邊地表、市政管線等模型，并根據景觀設計方案資料創(chuàng)建景觀綠化方案模型，整合各專業(yè)設計方案BIM模型，以三維可視化仿真形式展現橋梁、道路關鍵節(jié)點景觀方案的設計理念、思路和細節(jié)表現，輔助設計單位、建設單位、政府等相關部門進行景觀綠化方案協調溝通，優(yōu)化和穩(wěn)定景觀綠化設計方案。

（7）橋梁裝修效果仿真

基于橋梁BIM模型可快速完成多個裝修方案模型，對方案進行可視化展示，體驗橋梁建成后真實環(huán)境，有助于方案的優(yōu)化和快速落地。

（8）BIM+VR沉浸式體驗

本橋梁為變截面結構，針對異形漸變結構施工質量控制的難點，結合BIM模型找出異形結構中關鍵部位及復雜工藝工序的最優(yōu)方案，使用“BIM+VR”的形式進行技術交底，提升工程品質。

結語：

綜上所述，BIM技術在我國現代道路工程建設中發(fā)揮著重要作用，基于BIM技術可以高效完成工程設計與優(yōu)化，在計算工程量、攻克施工難點和提高施工質量、安全方面具有極為突出的作用，同時在后續(xù)運維管理過程中都能發(fā)揮較大作用。