BIM在市政工程中的應用實踐與發展研究

魏國安

（河南建筑職業技術學院，河南鄭州，450064）

1 前言

BIM是Building Information Modeling的英文縮寫，字面意思為建筑信息模型，于1975年被查克·伊士曼最先提出[1]。伴隨著計算機和軟件等硬件條件的成熟以及傳統的二維圖紙設計信息日益無法滿足需要的現狀，通過三維數字化手段對建筑工程各相關信息建立模型的理念被廣泛接受，BIM技術隨之迎來了高速發展時期。

BIM是信息化技術在建設工程中的直接應用，通過參數模型整合各種項目的相關信息，為參與各方主體在建設項目的設計、建造和運營管理等整個生命周期搭建一個協同工作的平臺。其應用價值在西方發達國家大量的工程實踐中已經被肯定，在提高生產效率、降低成本、提高工程質量、縮短工期等方面有很大優勢[2]。國內從2002年首次將BIM引入中國，已經在中國的一些大型工程中得以應用，諸如上海中心大廈、香港地區的地下鐵工程等，并取得良好的效果。在推廣BIM技術應用方面，我國政府層面已將加快BIM技術推廣寫進《建筑業發展“十三五”規劃》中，各地省市政府結合各地實際情況也相繼出臺了相關政策和規定。由此可見，雖然BIM 技術在我國應用較晚，但是在市場和政策的驅動下不難看出中國的BIM時代已經來臨[3]。

2 BIM技術在市政道路設計中的應用

我們都明白任何一項新技術的出現，離不開市場需求。隨著城市化進程的加快、土地資源的日益緊缺、建設環境約束條件的增加、向地下、地上空間的發展趨勢，使市政道路工程建設較以往更加復雜。而BIM技術在市政道路中的應用中擁有眾多價值。

2.1 BIM 在市政道路設計應用中的優勢

在BIM廣泛應用之前的CAD時代，市政道路的設計中要將復雜的市政道路展現在二維空間中，但由于傳統CAD制作出來的二維圖紙存在冗繁、錯誤率高、變更頻繁、協作溝通困難等缺點，而BIM技術在道路設計中的應用存在著巨大的優勢，主要體現在：一、BIM技術的應用能將設計理念準確、完整、直觀的在三維模型中表達出來，展現市政道路完工后的樣子；二、基于BIM強大的模擬、分析能力，能夠及時發現設計缺陷，并采取措施整改優化，有效減少施工返工率；三、基于BIM各模型中龐大的屬性和幾何數據，能對道路的各種工程量進行自動化精確計算，減小誤差、節約人工成本；四、BIM信息模型的搭建方便多專業人員共同協作完成大規模的市政道路設計工作。在國家大力提倡節能減排與可持續發展理念的背景下，利用基于BIM模型的能耗分析軟件可以在設計初期對工程的能耗進行模擬，減少為滿足低能耗要求的設計修改頻率。

2.2 BIM 在市政道路設計應用現狀

BIM技術在市政工程行業得到日益深入的應用與推廣，以BIM技術為基礎的Civil3D、Bentley等軟件在市政道路設計中應用較為廣泛，其應用主要體現在以下幾個方面。

1.地形圖處理和道路中心線繪制

通常情況下，市政道路勘測單位會向設計單位提供的地形圖分為兩種:二維地形圖和是三維地形圖。與二維相比在三維地形圖中的高程就是其實際的高程。

在整個市政道路設計中，因為道路中心線的設計與繪制需要考慮眾多控制因素，因此是設計過程的重點。這里以三維地形圖為例，運用BIM 技術經過中心線穿插、中心線轉化、線路構建共三個環節來完成市政道路中心線的初步設計，此后結合設計中的各項要求對設計方案進行優化和調整[4]。

2.道路橫向斷面設計

因為道路工程的特點，在整個設計中重點通常就是道路的橫斷面設計。依據擬建道路等級和具體要求，橫斷面設計內容主要包括車道和人行道布置、路基結構層和路面寬度設計、橋梁斷面布置幾個方面。借助Civil3D軟件的科學設計，能夠保證BIM數據信息模型的準確性。在設計過程中通過對斷面各材料屬性的精確設置，可以實現自動精準統計工程量，節約人工成本；利用節點參數化的特點，可以快速實現道路、橋梁的變寬變化，方便設計變更。

3.道路縱向斷面設計

國內常用的道路設計軟件針對道路縱向斷面設計都有一定優化，其主流的設計流程為：首先根據擬建道路的地理條件等信息，完成編制原始路面的線路文件，此后在設計軟件的協助下構建原地面線，接下來市政道路工程設計人員借用已經構建的原地面線完成拉坡線繪制工作，在繪制過程中根據設計要求對拉坡線進行實時調整，完成道路縱向斷面的設計[5]。

圖1 實景建模

在市政道路設計過程中不僅要有先進的軟件做基礎，同樣必不可少的是完善的標準和依據，目前可用于道路橋梁工程的BIM標準有：上海市的《道路橋梁信息模型應用標準》、河南省的《市政工程信息模型應用標準》、《鐵路聯盟的存儲標準》和中勘協BIM系列叢書的道路橋梁分冊。

3 BIM技術在市政道路設計中的應用案例

國內在一些大型市政道路工程中已經將BIM技術融入到了設計過程中，本文著重以鄭州在建的四環路為例進行介紹。如圖2，鄭州市四環路是中國乃至世界最大的一條市政工程，全長93公里，高架65公里,地面加高架150公里，采用節段預制梁橋設計和施工工藝，設計期限一年，施工期限一年，工期非常緊，本工程的BIM應用主要集中在可視化工程環境、參數化精確建模、三維配筋、節段預制梁精細化設計四個方面。

圖2 鄭州市四環路

1.可視化工程環境

利用無人機航拍與三維實景模型創建可視化工程環境。無人機航拍分兩個階段：第一個階段是現場踏勘階段，利用無人機對全線進行了航拍，大大縮短了設計人員踏勘的時間；第二階段，創建實景模型，給工程設計提供一個真實的現場環境，如圖3所示。

圖3 無人機巡查系統

2.參數化精確建模

采用參數化精確建模技術。主要包括：參數化路線設計、參數化橋梁上部結構設計和參數化橋梁下部結構設計。

利用參數化路線設計工具完成平曲線、豎曲線設計任務。路線成果支持參數驅動，通過改變關鍵變量數值驅動模型改變。當路線變化時其他專業設計成果均隨路線成果實時更新。通過創建箱梁橫斷面模板，約束關鍵點變化關系實現參數化橋梁上部結構設計，實現參數化模板斷面，并利用條件約束工具，指定變化位置與變化規則，實現參數化變截面箱梁設計。后期可根據需要，直接更改關鍵變量數值實現設計成果更新。通過創建參數化單元的方法實現變截面復雜變化墩柱的設計，根據設計需求，從截面、實體構建、幾何體空間關系等維度進行參數化控制。圖4展示了西四環高架跨南水北調中線干渠大橋的BIM模型。

圖4 西四環高架跨南水北調中線干渠大橋

3.三維配筋

利用橋梁結構設計模型進行結構分析與鋼筋配置?？梢灾庇^顯示復雜的結構和鋼筋在三維空間布置情況，降低讀圖難度，有效指導現場工人加工生產。利用準確詳盡的鋼筋數據信息，通過與鋼筋加工機械的配合，可效地提高鋼筋下料生產效率。

4.節段預制梁精細化設計

鄭州四環路工程中，采用的是節段預制橋梁的工藝，其中西四環節點預制梁就有2.13萬塊。從預制梁的加工、生產、運輸、安裝到構建跟蹤，對工程質量來說都非常重要。以BIM技術為切入點，通過建立參數化標準預制梁，并與梁廠生產工藝相結合，做到打通設計施工環節間的信息壁壘，精確指導構件生產。圖5展示了節段預制梁精細化設計過程。

圖5 節段預制梁精細化設計

另一個BIM在橋梁工程中的案例，是BIM技術在波形鋼腹板組合橋梁中的應用。依托公司設計的3座各具特點的波形鋼腹板組合梁特大橋，率先在國內開展了波形鋼腹板組合橋梁的BIM技術應用與研究工作，主要包括參數化設計、可視化施工交底、施工工藝模擬、施工進度模擬、施工過程信息管理。

通過軟件的二次開發，對項目開展施工過程的信息管理。將施工過程中的現場照片、圖紙、文件等資料，與模型的相應部件及節點進行關聯鏈接，可在BIM模型中隨時查閱各類施工信息，有助于提高施工企業對項目的管理效率。

4 結語

隨著時代的發展，我國的市政道路建設發展方向也悄然發生改變，正由傳統的短平快向更復雜、更有創造性轉變。BIM技術的產生，一方面利用三維技術解決了二維的局限性，另一方面利用BIM技術構建的共享的建筑信息體系，各專業可實時共享有關工程的各種信息，為該工程從建設到拆除的全生命周期中的所有決策提供可靠依據。本文從BIM技術的概念和其在市政道路設計中的應用優勢入手，并以鄭州四環路的建設作為具體應用的案例進行了研究。雖然在建市政道路工程中BIM技術的應用比例較小，但是在住建部將加大推廣BIM技術在新開工項目中的應用寫進《建筑業發展“十三五”規劃》的背景下[6]，BIM技術的應用必將成為主流。