市政道路工程BIM正向設計應用研究

摘要：針對BIM技術(shù)在市政道路工程正向設計過程中存在的問題，文章以興安盟經(jīng)濟開發(fā)區(qū)風電產(chǎn)業(yè)園道路工程項目為例，研究市政道路BIM正向設計流程方法。通過道路工程、交叉工程、給排水工程、涵洞工程等專業(yè)在BIM正向設計關(guān)鍵技術(shù)方面的研究，提出基于Civil 3D及Revit的多專業(yè)三維動態(tài)設計、校核、出圖方法。工程應用結(jié)果表明，通過BIM技術(shù)可實現(xiàn)多專業(yè)協(xié)同設計、土石方算量、從模型中導出圖紙等，打通了從設計到出圖的全流程，實現(xiàn)了模型數(shù)據(jù)的流轉(zhuǎn)，推動了市政行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù)；正向設計；市政工程；三維出圖；設計校核

中圖分類號：U412.1+2A591985

0引言

自2016年起，我國相繼頒布相關(guān)政策推動基礎設施建設全要素、全周期的數(shù)字化。2021年，國務院印發(fā)的《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》中提出，到2035年我國交通基礎設施的數(shù)字化率要達到90%。BIM技術(shù)作為基礎設施全生命周期信息的載體，是推進建筑業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。因此，提高BIM正向設計能力，推動BIM模型在全生命周期的應用符合基礎設施數(shù)字化的發(fā)展要求。

道路工程BIM正向設計是指從項目草圖設計階段至交付階段，全過程由BIM三維模型完成，交付內(nèi)容是三維模型及基于模型剖切生成的圖紙。各參建方通過準確且?guī)в行畔⒌哪Ｐ瓦M行溝通，能夠打破傳統(tǒng)行業(yè)間信息傳遞壁壘，實現(xiàn)多向信息交流，提高設計交底工作效率，減少設計變更。此外，BIM正向設計交付也為下游單位提供了很多有用的信息，優(yōu)化的設計方案對工程進度、質(zhì)量以及建成后的使用效果、經(jīng)濟效益等方面都有著直接的影響。

1正向設計的思路方法

BIM正向設計與傳統(tǒng)道路設計最大的區(qū)別，為基于BIM平臺可以實現(xiàn)多專業(yè)的協(xié)同設計校核、信息的綜合調(diào)用及流傳，其主要流程如圖1所示。在項目前期制定各專業(yè)統(tǒng)一的建模標準和項目樣板；在方案設計階段，基于Infroworks、Civil 3D等軟件進行道路整體方案設計選線及原始場地分析；完成路線設計后，各專業(yè)在各自的本地文件進行方案設計，主要包括道路平面、縱斷面、橫斷面設計、平面交叉口設計等，并基于部件編輯器進行路基路面設計，基于Revit軟件進行路基結(jié)構(gòu)、橋涵、管線等具體構(gòu)造物設計，并將設計成果上傳至統(tǒng)一的BIM中心文件，進行集成碰撞檢查分析及可視化設計校核［1-2］；平臺反饋問題后，各專業(yè)繼續(xù)在本地文件進行模型深化設計并同步上傳至平臺進一步校核，直至施工圖設計完成；通過Civil 3D軟件進行土石方量統(tǒng)計，并通過Civil 3D軟件快速生成道路平面、縱斷面、橫斷面圖紙，通過Revit快速生成橋梁、涵洞等結(jié)構(gòu)物三維圖紙。通過正向設計，實現(xiàn)了全過程設計信息自動留存，方便多專業(yè)設計人員更直觀、高效地進行集成設計［3］。

2BIM正向設計實踐案例

2.1工程概況

興安盟經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)風電裝備制造創(chuàng)新示范產(chǎn)業(yè)園道路工程設計施工總承包項目位于烏蘭浩特市東南20 km，全長14.378 km，包含主線和連接線。主線全長13.220 km，其中新建段長度為8.738 km，改建利用段共4.482 km，連接線全長1.158 km。該路段主要服務大型風機運輸，對道路設計有特殊要求。此外，項目工期緊、任務重，涉及多專業(yè)交叉頻繁，對施工控制要求嚴格，迫切需要借助BIM正向設計，提高多專業(yè)協(xié)同能力，確保工程質(zhì)量。

2.2BIM正向設計準備

BIM設計需要在多文件、多專業(yè)間進行文件數(shù)據(jù)信息共享、并向施工、運維階段傳遞信息，因此統(tǒng)一、規(guī)范的模型數(shù)據(jù)規(guī)則將極大地提高工作效率和成果質(zhì)量。基于興安盟項目特點，充分考慮后續(xù)在施工、運維階段的需求，形成本項目的模型命名規(guī)則及模型細度規(guī)則。

命名原則考慮各專業(yè)特點，主要包括8個部分，名稱組成見表1。根據(jù)不同應用階段及應用要求，模型構(gòu)件的命名選取不同字段組成。此外，項目還定義了模型的拆分規(guī)則及各階段模型細度規(guī)則，在后續(xù)路線、路基路面、橋涵管線設計過程中，嚴格按照命名及拆分規(guī)則對模型進行標準化設計，為模型檢索及后期模型向施工運維傳遞奠定基礎［4］。

2.3BIM正向設計

2.3.1總體設計

進行總體設計之前，首先要建立地形曲面。建立方法主要有兩種：（1）將無人機航拍形成的點云數(shù)據(jù)導入Infraworks軟件進行設計建模；（2）將等高線、高程點在Civil 3D軟件中進行三角構(gòu)網(wǎng)，形成地形曲面再貼圖。接著進行曲面分析，將地理信息模型導入Infroworks軟件進行項目總體方案設計，將規(guī)劃路網(wǎng)信息、土地利用信息、道路、水域、村莊、現(xiàn)況管線等項目相關(guān)信息集成，形成區(qū)域路網(wǎng)圖，如圖2所示，清晰展現(xiàn)項目周邊情況。基于包含多方面信息的三維地形、地物曲面，可以輔助設計人員快速進行路線方案設計，對路線、結(jié)構(gòu)物的合理性進行動態(tài)分析比選。

2.3.2路線設計

在Civil 3D軟件中進行道路設計，其實和傳統(tǒng)的緯地、EI、鴻業(yè)等傳統(tǒng)路線設計軟件很類似，便于設計人員熟悉和操作。和傳統(tǒng)設計一樣，先進行平面線形設計，本項目采用的是導線法。直接通過夾點編輯功能，快速完成選線。Civil 3D軟件在平面設計過程中，支持基于規(guī)范的路線設計，可以快速依據(jù)規(guī)范要求對設計方案進行檢查［5］。

在完成平面設計后，系統(tǒng)會依據(jù)道路曲面自動繪制目標曲面縱斷面，為設計人員提供參考。本項目在縱斷面設計時，考慮周邊規(guī)劃道路、已建道路標高的影響，將相交路口和環(huán)島作為高程控制點。添加完控制點后，通過“快速縱斷面”功能，可以自動完成縱斷面設計。設計的主要依據(jù)是高程控制點、規(guī)范要求的最大縱坡、最小縱坡等。設計人員通過夾點編輯功能調(diào)整豎曲線的長度和半徑后，即可快速完成縱斷面的細部設計優(yōu)化。見圖3。

2.3.3路基路面

路基設計首先要確定路基橫斷面形式，在Civil 3D軟件中將其稱為“裝配”。道路模型是通過橫斷面裝配串聯(lián)起來的。本項目依據(jù)設計需求通過部件編輯器完成了興安盟項目道路裝配設計，包括裝配設置詳圖（如圖4所示）。通過橫斷面裝配在目標曲面上進行放坡，并通過控制裝配沿線的加密情況完成路段的道路模型創(chuàng)建。本項目由于部分利用舊路，同一條道路涉及多個橫斷面，通過部件編輯器分別設計新建段裝配及連接段裝配形式后，快速完成全路段路基橫斷面設計［6］。

在進行路面結(jié)構(gòu)設計時，通過部件編輯器可以以三維形式更清晰地展現(xiàn)路面各層材料及厚度，如下頁圖5所示。利用建立的路面結(jié)構(gòu)模型可生成道路實體模型，通過制作路基圖表模板，以參數(shù)化形式實現(xiàn)程序自動生成圖表，極大提高了生產(chǎn)效率。

2.3.4交叉工程

本項目在交叉口設計過程中主要考慮加鋪轉(zhuǎn)角半徑是否滿足風機運輸最小轉(zhuǎn)彎半徑的特殊需求（根據(jù)風電企業(yè)中廣核產(chǎn)業(yè)園提供的《葉片參數(shù)及運輸條件的要求》，路線轉(zhuǎn)彎半徑≥60 m）。通過Civil 3D軟件“自動交叉口建?！惫ぞ?，可以按需求完成交叉口的自動創(chuàng)建，該功能基本可以滿足所有常規(guī)平面交叉口的設計工作：（1）創(chuàng)建交點，選擇兩條需要建立交叉口的道路，確定交叉口交點，路線需要已經(jīng)完成平面與縱斷面的設計；（2）進行交叉口相關(guān)信息的設置，確定道路的優(yōu)先級、相交道路加輔轉(zhuǎn)角參數(shù)、車道坡度、加輔轉(zhuǎn)角縱斷面參數(shù)裝配等內(nèi)容后，即可自動生成平面交叉口［7］。本項目依據(jù)需求對加鋪轉(zhuǎn)角進行編輯修改，修改之后數(shù)據(jù)會動態(tài)更新到平面圖與模型中，如圖6所示。

Civil 3D軟件修改完成的交叉口模型可以導入Infraworks軟件中進行路口渠化設計，并以車輛動態(tài)的視角模擬不同階段的行車狀況（如圖7所示），以此驗證方案合理性、輔助設計方案比選及項目評審論證。此外，通過平臺可以輔助設計人員動態(tài)進行導改方案的設計，生成多階段動態(tài)導行方案，有效提高設計效率，保證設計質(zhì)量。

2.3.5涵洞工程

在Civil 3D軟件中進行場地分析及匯水分析，基于人行過街需求和排水需求，確定涵洞的位置及具體結(jié)構(gòu)形式。通過可視化設計，確定全線涵洞的數(shù)量及點位，包括過街通道11道、機耕通道1道、排水通道2道。在Civil 3D中提取出對應的位置、高程參數(shù)，導入Revit軟件中，通過Dynamo參數(shù)化的方式完成混凝土蓋板涵的設計建模（如圖8所示），清晰展示橋涵通道端部八字墻位置結(jié)構(gòu)，精確統(tǒng)計材料用量，提高設計效率和成果質(zhì)量。

完成涵洞設計后，可以將路線、路基、路面等專業(yè)的設計成果一同導入Infraworks軟件中集成，從全局的角度進行涵洞位置形式設計校核。涵洞的設計成果也能及時反饋給總體、路基等專業(yè)，實現(xiàn)了全專業(yè)協(xié)同校核以及數(shù)據(jù)的留存和共享。

2.3.6給排水工程

本項目隨道路新建一條給水管、一條污水管。（1）依據(jù)給排水需求，確定給水管和污水管管徑。在Civil 3D軟件中依據(jù)標準化流程設定，按項目需要選定所需的管材及接口，設計給水管道管和污水管的管頂覆土控制在2.2 m左右。（2）完成設定后，系統(tǒng)會沿路線快速建立給水、污水管線。（3）在完成管線建立后，還需要在管道沿線預留給水支線及污水支線，通過自定義設定菜單欄，可以快速輔助設計人進行手動添加［8］。

完成全部的給排水管線BIM模型建立后，平臺會自動生成管道、閥門、彎頭等材料的工程量清單，將給排水管線模型導入Navisworks軟件，可以快速進行碰撞檢查（如圖9所示），并同步生成碰撞分析報告。設計完成后，將管線模型導入Infraworks軟件集成（如圖10所示），輔助設計人員更清晰、直觀地查看各類管線的布置情況，更準確地對設計成果進行把控及優(yōu)化，提高設計質(zhì)量，最大限度減少資源成本浪費。

2.4BIM正向設計應用

2.4.1BIM土石方算量

道路路基主體模型是不規(guī)則的，傳統(tǒng)軟件土石方量計算原理是通過分段計算棱柱體體積的方法獲得。分段的細度對工程量的精度有很大影響，但Civil 3D軟件可以直接生成道路實體，實現(xiàn)土石方量的精確計算和提取。具體的計算流程主要分為四步（如圖11所示）：（1）設置采樣線與采樣線編組；（2）定制土方量標準；（3）土方量計算；（4）生成材質(zhì)報表［9］。

通過Civil 3D軟件土石方算量，不僅可以保證項目中土方計算的精度，還能通過定制土石方標準，快速生成材質(zhì)報表，在直觀有效開展土石方挖運分析與運算的基礎上，實現(xiàn)土方平衡計算的精確化與精細化，對項目成本管控有重要支撐作用。

2.4.2BIM出圖

在完成路線設計后，通過Civil 3D軟件可以實現(xiàn)平縱橫快速出圖。平面設計完成后，設定好出圖樣板，本項目采用的是上下兩個視圖（如圖12所示）：上面和傳統(tǒng)二維圖紙類似，方便展現(xiàn)具體尺寸標注；下面同步三維模型，更形象立體。縱斷面設計出圖是根據(jù)設計需要自定義縱斷面出圖樣式和特性，通過出圖向?qū)Э焖偻瓿桑ㄈ鐖D13所示）。當縱斷面發(fā)生調(diào)整時，所出的相關(guān)圖紙會聯(lián)動改變。和縱斷面出圖類似，橫斷面設計出圖也通過出圖向?qū)В_定橫斷面出圖范圍、高程區(qū)間、數(shù)據(jù)欄標注樣式等，快速完成橫斷面圖紙集的創(chuàng)建。創(chuàng)建完成的圖紙可以實現(xiàn)與模型聯(lián)動，極大節(jié)約了圖紙反復修改的時間［10-11］。

涵洞等類似結(jié)構(gòu)物出圖主要在Revit軟件中，需要設定好統(tǒng)一的圖框和模型剖切的斷面，控制尺寸大小，確保同一構(gòu)件的同一位置，尺寸在不同視圖能夠保持一致。當完成設定后，之后的出圖可以直接應用此樣板，省去重復工作。在發(fā)生設計變更后，僅需對模型修改，所有視圖對應尺寸自動修改，不再需要對每個視圖進行尺寸校核，規(guī)避了傳統(tǒng)方式的人為修改誤差，提高了出圖效率?；谇笆瞿Ｐ推是蟹椒?，出具本項目的涵洞圖紙如圖14所示。

3結(jié)語

本文以興安盟經(jīng)濟開發(fā)區(qū)道路工程為例，探索了道路、涵洞、給排水等專業(yè)BIM正向設計的實現(xiàn)路徑，提出了各專業(yè)正向設計的思路方法，實現(xiàn)了各專業(yè)可視化設計校核、碰撞檢查、三維出圖等，有效排查工程設計問題，取得了較好的效果。

BIM正向設計也存在一些問題，如Civil 3D軟件適合做道路、管線等線性結(jié)構(gòu)物的設計，但在盲溝、蓋板溝等特殊結(jié)構(gòu)物建模方面功能薄弱，要更好地完成設計需要借助多款軟件。由于軟件間的坐標系不一致、數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一等問題，使得軟件間無法實現(xiàn)精準、全面的數(shù)據(jù)互通，這些問題是后續(xù)需重點攻克的方向。

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作者簡介：雷運良（1987—），助理工程師，研究方向：路橋管理。