基于BIM的城市道路快速化改造應(yīng)用研究

摘要：文章介紹了揚州市運河路快速化改造一期工程的特點、難點以及BIM技術(shù)在工程中的應(yīng)用，闡述了BIM技術(shù)在道路、橋梁和隧道工程中的交通仿真、動畫模擬和有限元分析等方面的作用。由該工程實際應(yīng)用效果可知：BIM技術(shù)在項目全壽命周期中發(fā)揮了巨大優(yōu)勢，通過BIM技術(shù)建立協(xié)同平臺，實現(xiàn)了各環(huán)節(jié)、各專業(yè)的協(xié)同作業(yè)，有利于實現(xiàn)各階段的質(zhì)量、安全、進度等管理目標并提高施工效率。

關(guān)鍵詞：BIM；快速化改造；信息化管理；城市道路

中文分類號：U418.8A140433

0引言

隨著城市化進程的加快，位居城市道路等級體系頂端的城市快速路迎來了前所未有的發(fā)展機遇。同時，城市快速路具有立交節(jié)點結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工工序復(fù)雜、交叉施工多等特點［1］，其施工面臨著一些特殊的挑戰(zhàn)，亟須采用創(chuàng)新的技術(shù)手段來高效指導施工實踐。建筑信息模型（BIM）推動了基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)行業(yè)的創(chuàng)新和工程建設(shè)管理的發(fā)展，并將為城市快速路項目的交付和生命周期數(shù)據(jù)管理帶來深刻的變革［2］。

近年來，在全國各地掀起城市快速路建設(shè)新熱潮的背景下，作為城市快速路建設(shè)從落后到中上游水平的典型，揚州的城市快速路建設(shè)在較短時間內(nèi)先后經(jīng)歷了“一橫一縱”“三橫三縱”和“五橫七縱”，城市快速路網(wǎng)體系初具規(guī)模，通車總里程約80 km，基本實現(xiàn)了“成環(huán)成網(wǎng)、互聯(lián)互通”。BIM技術(shù)的應(yīng)用提高了城市快速路的施工效率，縮短了施工工期，保證了工程的如期交付使用。本文以揚州運河路快速化改造一期工程項目為例，對BIM技術(shù)在城市快速路改造中的應(yīng)用探索進行系統(tǒng)梳理，為BIM技術(shù)在城市快速路建設(shè)中的推廣應(yīng)用提供參考，助力企業(yè)加速推進數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

1BIM技術(shù)在城市道路改造中的應(yīng)用概述

1.1城市道路改造研究

城市道路對于城市的建設(shè)和發(fā)展起著至關(guān)重要的作用［3］。為有效緩解城區(qū)交通壓力，加強對外溝通效率，國內(nèi)外逐漸重視對城市內(nèi)部道路的規(guī)劃和優(yōu)化并加強城市快速路系統(tǒng)的建設(shè)［4］。然而，城市道路改造涉及的主體因素較為復(fù)雜、規(guī)劃難度較大。為推進城市道路改造實施方案的落地，不少單位和學者在改造規(guī)劃方面進行了深入研究。劉坤等［5］指出城市道路“修補型”改造的痛難點，從街道設(shè)計理念出發(fā)，以“綠色、高效、智慧、品質(zhì)、活力”出行為目標，提出城市道路綜合改造提升技術(shù)要點及措施。梁金昌［6］在此設(shè)計理念上考慮到老舊道路的質(zhì)量問題和改造難度，從改善軟弱路基處理工藝、路面構(gòu)造工藝和提升瀝青材料性能等方面出發(fā)，探究路面裂縫問題，提出防開裂技術(shù)。Schlosser T［7］則認為道路質(zhì)量和服務(wù)的退化，不能僅歸于資金不足和建設(shè)材料和技術(shù)等施工問題，更應(yīng)該關(guān)注前期的管理和設(shè)計工序。

1.2BIM技術(shù)在城市道路改造中的研究

近年來，以BIM技術(shù)為代表的新興技術(shù)快速發(fā)展，逐步在城市規(guī)劃、建設(shè)和管理中嶄露頭角。針對如何利用BIM技術(shù)在推進城市道路建設(shè)的“多規(guī)合一”中實現(xiàn)城市建設(shè)的“提質(zhì)增效”，不少學者進行了深入探討和應(yīng)用。在設(shè)計層面，喬冠棟［8］利用BIM可視化和全局化的優(yōu)勢，對城市道路改造的理念和設(shè)計提出見解和啟示。在管理層面，蔡明豪［9］指出利用BIM的空間開發(fā)管理優(yōu)勢能大大提高道路建設(shè)施工的高效性和合理性，提高管理效率。在技術(shù)層面，高寧等［10］探索性提出基于BIM、物聯(lián)網(wǎng)等信息化技術(shù)建設(shè)的道路全生命周期標準化數(shù)字管理平臺，可以提前創(chuàng)建道路改造三維模型，并模擬施工過程，從而確定合理施工方案。

綜上可知，有效利用BIM技術(shù)建立可視化的信息模型，能夠幫助城市道路改造實現(xiàn)設(shè)計、管理和技術(shù)等層面的全方位、全過程分析應(yīng)用，保障城市道路設(shè)計質(zhì)量，滿足新時期道路設(shè)計的相關(guān)要求［11］。本文融合BIM與GIS等先進技術(shù)，以實現(xiàn)道路改造從設(shè)計、施工到運維階段的全生命周期管控和指導，并基于實際案例，充分考慮實踐環(huán)境帶來的復(fù)雜性情況，完成三位正向設(shè)計，形成一套可沿用、可拓展的高效設(shè)計方法［12］。

2工程概況

2.1項目簡介

運河南北路快速化改造一期工程位于揚州市廣陵區(qū)，是揚州市“五橫七縱”快速路網(wǎng)的重要組成部分。項目采用城市快速路標準，路線全長約2.4 km，主要包括城市高架和下穿隧道兩部分。新建快速路主線采用雙向六車道，設(shè)計速度為80 km/h；快速路兩側(cè)地面輔路采用雙向六車道，設(shè)計速度為50 km/h。其中，高架部分起于規(guī)劃城東路北側(cè)地面出入口，以高架形式連續(xù)跨越施井路、規(guī)劃花園路、七里河路，止于七里河路南側(cè)，接南部快速通道互通節(jié)點，長度約為1.0 km。隧道部分起于二里橋路南，采用下穿隧道形式穿越文昌中路和運河西路，止于施井路北，長度約為1.4 km。該項目作為揚州運河快速路的重要組成部分，建成后將打通揚州東側(cè)南北主通道，縱向串聯(lián)揚州主城核心區(qū)和南部港區(qū)，對推進揚州城市發(fā)展、完善城市快速路網(wǎng)、緩解老城交通擁堵以及提升城市形象有著十分重要的作用。

2.2特點分析

該工程周圍環(huán)境復(fù)雜，為保證道路改造建設(shè)嚴格按照標準實施，需綜合考慮快速路服務(wù)范圍、交通流量緩解、生態(tài)環(huán)境保護等眾多因素。

（1）土體工程性質(zhì)差，施工安全風險大。工程沿線建筑物密集，基坑底部及周邊多處于粉土、粉砂層，基坑最大開挖深度為14.28 m。運河路隧道東側(cè)白云商廈距基坑僅7 m，對基坑開挖引起的沉降、位移控制要求極為嚴格。

（2）隧道工程浩大，混凝土澆筑量大。根據(jù)以往施工經(jīng)驗，若地下工程混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大規(guī)模裂縫，不僅影響結(jié)構(gòu)自身的安全與壽命，而且直接影響結(jié)構(gòu)防水的能力。大體積混凝土施工是該工程施工管理的重點。

（3）項目地理位置特殊，沿線商業(yè)及生活服務(wù)設(shè)施密集，為城區(qū)交通要道，交通生活功能并重，人流、車流量大。隧道施工工藝復(fù)雜，長時間、大面積占用道路資源，勢必會對城市交通產(chǎn)生較大影響，因此施工期交通組織是工程現(xiàn)場管理的難點。

3BIM技術(shù)的應(yīng)用框架構(gòu)建

3.1BIM技術(shù)的應(yīng)用目標

基于項目的特點分析，提出BIM技術(shù)在城市快速路改造中的解決方案。具體的應(yīng)用目標包括：

（1）實現(xiàn)全過程數(shù)字化管理。包括規(guī)劃設(shè)計、施工和運維階段，通過BIM技術(shù)建立起全方位、全周期的項目數(shù)據(jù)模型，為項目各階段決策提供科學依據(jù)。

（2）實現(xiàn)多方協(xié)同合作。利用BIM技術(shù)平臺，促進項目參建各方的緊密協(xié)作與信息共享，減少信息誤差，降低施工成本，確保項目如期交付使用。

（3）實現(xiàn)決策支持與優(yōu)化設(shè)計。利用BIM技術(shù)的可視化和仿真功能，針對快速路道路線形的變化進行虛擬仿真分析和評估，通過工程BIM協(xié)同確保道路平面、交叉口以及管線等在設(shè)計過程中能夠隨線形變化而同步調(diào)整［13］。

（4）實現(xiàn)信息共享與可追溯性。利用BIM的可追溯性，追蹤設(shè)計變更、施工進度等信息，便于項目管理與監(jiān)控，提高項目整體的透明度和可控性。

3.2BIM技術(shù)的實施方案

該工程采用無人機傾斜攝影技術(shù)完成地形數(shù)據(jù)的采集和工程項目的信息收集，從設(shè)計到施工階段，以“BIM+軟件”進行城市快速化道路的正向設(shè)計。通過集成應(yīng)用“BIM+GIS”技術(shù)，可以共享建筑空間信息和周圍地理環(huán)境，進而降低建筑空間信息成本，并實現(xiàn)工程項目信息與建筑信息的三維建立。鑒于工程涉及現(xiàn)場交通導行以及高架橋、下穿隧道等工程施工，需借助相關(guān)軟件完成施工前期場地布置，對施工關(guān)鍵工序進行模擬。此外，針對大體積混凝土、止水帷幕等施工，基于BIM和有限元分析進行應(yīng)力分析和方案優(yōu)化。BIM技術(shù)應(yīng)用框架如圖1所示。

4BIM技術(shù)的具體應(yīng)用

4.1BIM技術(shù)的參數(shù)化建模

該工程將BIM技術(shù)應(yīng)用于參數(shù)化建模，實現(xiàn)數(shù)字化模型構(gòu)建。本次建模主體部分是在Revit系列軟件內(nèi)完成，高架橋橋墩及預(yù)應(yīng)力箱梁建模是建模過程的重難點，在建模過程中還須實現(xiàn)隧道主體變截面體建模及高程控制。在數(shù)字化建模過程中，橋梁各部分構(gòu)件建模完成后，作二維碼標記并載入事前建立的項目族庫中，并在后期進行數(shù)字化交付。本次建模實現(xiàn)了Dynamo軟件與Revit軟件的聯(lián)動應(yīng)用，基于Dynamo軟件利用編程手段快速精準繪制路線，最終實現(xiàn)可視化編程形體設(shè)計以彌補Revit軟件在創(chuàng)建復(fù)雜形體方面存在的缺陷，實現(xiàn)了城市快速化道路的真實三維建模。

4.2BIM技術(shù)的空間數(shù)據(jù)組織

無人機傾斜攝影技術(shù)與BIM技術(shù)結(jié)合是城市三維模型建模的新趨勢，該技術(shù)可以為BIM模型搭建周邊地理環(huán)境的場景，結(jié)合GIS地理信息整合和空間分析能力，共同提高工程的信息完備性。

基于BIM技術(shù)的空間數(shù)據(jù)組織主要體現(xiàn)在以下內(nèi)容：

（1）利用無人機傾斜攝影技術(shù)獲取工程所在地的GIS地理信息，結(jié)合軟件構(gòu)建三維數(shù)字高程模型（DEM），清晰地表達地形、地貌等工程環(huán)境，使道路、景觀等與模型融合。

（2）通過應(yīng)用“BIM+GIS”技術(shù)，匯總勘測數(shù)據(jù)并獲取工程所在地土質(zhì)情況，構(gòu)建地質(zhì)三維模型，展現(xiàn)地質(zhì)元素間的空間關(guān)系，實現(xiàn)地質(zhì)穿越分析，提高施工工作效率，降低施工安全風險。

（3）借助GIS技術(shù)可以提前實現(xiàn)不同時間段內(nèi)車流量和所處環(huán)境的模擬，從而優(yōu)化交通導行方案，引導車流有序行駛，有效避免交通堵塞。

4.3BIM技術(shù)的關(guān)鍵工藝模擬

該工程運用BIM系列軟件完成項目施工前期場地布置，并對施工過程中的關(guān)鍵工序進行模擬，體現(xiàn)了BIM技術(shù)在工藝模擬、質(zhì)量管理、工期優(yōu)化等方面的應(yīng)用價值。

（1）將BIM技術(shù)與Sketch Up軟件、Fuzor軟件相結(jié)合，根據(jù)工程實際情況，完成生活區(qū)、材料堆放區(qū)和施工區(qū)域的場地部署，實現(xiàn)施工場地場景漫游。在完成場地布置的基礎(chǔ)上，采用Fuzor軟件對基坑開挖、沉井施工、橋梁下部結(jié)構(gòu)施工、鋼箱梁頂升施工、現(xiàn)澆箱梁施工及隧道蓋挖法施工等重要工序進行模擬，實現(xiàn)精細化施工。

（2）采用3D Studio Max軟件，對止水帷幕施工進行模擬，針對施工過程中易發(fā)生的質(zhì)量問題提出優(yōu)化方案；對預(yù)應(yīng)力箱梁施工進行模擬，根據(jù)設(shè)計要求完成預(yù)應(yīng)力管道安裝模擬及預(yù)應(yīng)力張拉分析，實現(xiàn)節(jié)點的精細化管理。

（3）采用Synchro 4D技術(shù)，將現(xiàn)有的時空域信息進行整合，形成可視化的4D建筑模型，準確模擬整個施工過程，從而制定合理的施工計劃，優(yōu)化施工現(xiàn)場管理，解決工期、成本和質(zhì)量問題。

4.4Midas技術(shù)的有限元分析

該項目基于Midas軟件，進行沉井受力、止水帷幕應(yīng)力以及大體積混凝土水化熱等分析。驗算了沉井下沉、豎向抗拉、井壁內(nèi)力及抗浮穩(wěn)定等，考慮土體受各方影響因素易產(chǎn)生滑坡，需在加入止水帷幕前后進行應(yīng)力分析，以保證施工過程中的安全。對大體積混凝土水化熱進行有限元分析，有效提高施工生產(chǎn)效率，確保了施工進度與安全。

4.5BIM技術(shù)在安全管理中的應(yīng)用

通過BIM技術(shù)對項目場地布置、深基坑止水帷幕、土方開挖、沉井施工、高架橋及下穿隧道施工進行全過程動畫模擬，利用BIM技術(shù)開展項目施工安全技術(shù)交底，交底內(nèi)容形象直觀，方便管理人員和各專業(yè)施工班組熟悉各工種作業(yè)工序、相鄰工種間的配合、混凝土支撐拆除順序，掌握作業(yè)過程中的安全注意事項，為工程施工安全提供了保障。

5結(jié)語

本文依托揚州運河路快速化改造一期工程，總結(jié)分析了城市快速路改造的特點，探索了BIM技術(shù)在城市快速路改造中的應(yīng)用方法。通過BIM技術(shù)綜合應(yīng)用實現(xiàn)了同一平臺上的協(xié)同設(shè)計，提高了團隊協(xié)作效率，通過建立完整的項目周邊環(huán)境和道路情況，減少了傳統(tǒng)設(shè)計的潛在變更。通過“BIM+GIS”技術(shù)的應(yīng)用，對項目路段施工期交通組織進行模擬優(yōu)化，運用Midas軟件進行有限元分析等，基于參數(shù)化建模進行復(fù)雜關(guān)鍵節(jié)點的施工模擬，減少項目施工期的工程變更。通過分析沉井受力、止水帷幕預(yù)應(yīng)力及大體積混凝土水化熱等，提高了施工安全性。

BIM技術(shù)在城市道路快速化改造過程中發(fā)揮了顯著作用，但也存在一些問題：（1）隨著傾斜攝影技術(shù)的普及，點云模型文件在場地模型中的體積巨大，且點云技術(shù)和BIM其他軟件的融合使用還需深入探索；（2）大型項目需要集成應(yīng)用BIM相關(guān)軟件，并與其他新興技術(shù)融合，但目前軟件間的數(shù)據(jù)格式仍不統(tǒng)一，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互需對數(shù)據(jù)進行導入導出，且模型在不同軟件中的交互使用質(zhì)量不一，軟件缺陷易對模型精細度產(chǎn)生影響；（3）三維模型設(shè)計的配置需求太高，導致施工成本增加，并且模型檢查主要依靠人工進行，缺乏相關(guān)規(guī)范，易造成模型缺陷，且工作效率較低。

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作者簡介：管盈銘（1978—），碩士，高級工程師，主要從事道路與橋梁工程建設(shè)方面工作。