BIM技術在市政道路設計階段的應用分析

龐聰 彭欣 符蕾 李佳航

摘要：文章結合BIM技術在我國工程行業的發展趨勢，以市政道路為研究對象，闡述了市政道路對于BIM技術應用的需求，分析了BIM技術在市政道路設計階段應用的優勢，并從平臺選用、總體方案、流程梳理、設計環境、協同管理、專業應用等多方面進行歸納總結，提出適用于市政道路全過程全專業設計的BIM建模方法和設計流程。

關鍵詞：BIM技術;市政道路;設計階段;Bentley

0 引言

隨著BIM技術在建筑行業的快速發展和優勢展現，水利水電、軌道、公路及市政交通等工程行業也在逐漸嘗試BIM技術所帶來的利好優勢。借助我國近十年在交通領域大發展的契機，BIM技術在我國交通行業的應用已逐漸成為全球領先，特別在近年來國際上各類BIM比賽的獲獎名單來看，中國項目基本占據獲獎名單一半以上。

以全生命周期為驅動的BIM技術在工程行業的迅速發展已被業內人士看作是繼CAD甩圖板之后的又一次技術革新[1]。BIM技術作為一種基于三維環境下開展的數字化新理念，隨著軟硬件條件的不斷提升，已逐漸成為行業所需。作為技術密集型企業的典型代表，國內大型設計院更是推動BIM技術的主力軍，如華東院通過基于BIM系統的二次開發，已初步具備針對水利水電工程的BIM技術正向設計能力;中交一公院通過基于Bentley系統的二次開發，已逐漸打通BIM技術在公路工程設計中的全專業全過程應用。隨著大數據時代的來臨，BIM技術已經具備高速發展的契機，這是工程行業設計手段上的一次偉大變革，是設計理念和習慣的根本改變[2]。

1 基于BIM的市政道路應用分析

1.1 市政道路的BIM應用需求分析

目前我國正處于對BIM技術的期望探索期，積極探索BIM技術在市政交通中的應用優勢是國內BIM應用主流，其中應用較多的城市主要集中在深圳、北京、上海等一線城市。[JP+1]而從技術應用角度分析，目前絕大部分市政道路的BIM技術應用仍以三維翻模的輔助設計為主，主要在大型市政交通項目如互通立交、特大橋、隧道等重要節點進行應用，是我國目前BIM技術應用的主要需求。

1.2 BIM技術在市政道路設計中的優勢分析

從市政道路工程的特點出發，相較于公路工程，其具有里程較短，規模較小，但環境因素影響大，交通方式分類多，涉及專業多，景觀綠化要求高等特點。因此，BIM技術在市政道路中的應用與公路相比，在需求上更為明顯。

與傳統設計方法相比較，BIM技術主要在三維可視、協調溝通、用量估算、征地拆遷及景觀亮化等方面存在較大優勢。如深圳市要求城市重點景觀道路必須采用BIM技術進行景觀亮化方案的對比，并從第一人視角進行模擬展現，為決策者提供直觀依據。在深圳梅觀高速公路湖南段市政化改造工程中，BIM技術的應用不僅減少了設計返工，優化了方案，提高了溝通效率，更節省了設計時間，在降低成本等方面作出了巨大貢獻。

2 市政道路的BIM技術應用分析

2.1 BIM技術應用系統分析

目前市面上存在多款BIM應用系統，從國內系統來看，針對公路BIM應用需求的主要有緯地BIM設計平臺、公路工程設計BIM系統等;針對市政BIM應用需求則以鴻業系統的路易、管立得及BIMSpace等軟件為主。從國外系統來看，主要以Autodesk與Bentley系統為主流，其均具備針對工程行業各專業需求的系列軟件集，從系統性、集成性上更具優勢。

根據市政道路設計階段的特點，從技術層面分析，Bentley系統本身為三維底層架構的系統集成，而Autodesk公司和鴻業系統均以AutoCAD為基礎框架平臺，在三維集成上存在一定的劣勢。從綜合性能上分析，Bentley系統是致力于解決各行各業的綜合性系統平臺，針對不同的需求對象開發有不同的解決方案，且格式統一，兼容性強。因此，從市政道路不同設計階段的需求分析，鴻業系統更符合目前方案設計階段的建模需求，Bentley系統則更符合深化設計階段的建模需求。

在方案設計階段，選用鴻業系統，充分利用其在建模快速化及展示便利化等方面的優勢。

在深化設計階段，選用Bentley系統進行精細化建模，在各專業協同設計、模型精細度、工程量計算及效果渲染展示等方面具有較大優勢。

2.2 BIM技術總體方案

市政道路BIM應用方案以不同設計階段的不同需求和建模精度為原則，制定BIM建模標準、應用體系及系統應用方案，避免陷入“過渡建模”的誤區。對于設計場地環境的構建，采用無人機傾斜攝影技術基于ContextCapture軟件進行三維實景構建，高度還原項目周邊真實場景。對于協同設計管理平臺，通過ProjectWise建立基礎文件、模型文件和管理文件多層結構，實現設計模型的協同管理和資源共享，以解決傳統二維設計“信息孤島”的問題。

從場地勘測到方案設計再到深化設計，形成了一套行之有效的市政道路工程設計全專業全過程BIM技術總體應用方案（見圖1）。

3 市政道路的BIM設計應用

3.1 市政道路設計BIM應用解決方案

針對市政道路各設計階段的不同需求，提出分別將鴻業系統應用于方案設計階段，Bentley系統應用于深化設計階段的BIM解決方案，具體如圖2所示。

3.2 基于BIM的場地勘測

基于真實準確的三維實景環境下開展動態交互設計是BIM技術的一大亮點，可極大提升設計效率和質量。利用無人機傾斜攝影技術對項目區域進行航拍，獲取項目所需的高分辨率影像，通過BentleyContextCapture軟件構建三維實景模型，為項目提供真實、準確、實時的設計環境。在此基礎上開展建模設計工作，改變傳統枯燥晦澀的設計環境，使設計工作真實協調于現場條件，減輕設計人員外業調查強度和難度，為設計人員提供更為詳實的設計資料，提高項目設計的準確性。

3.3 基于BIM的設計協同及管理

市政道路工程設計是基于多專業多階段的共同協作流程，在設計過程中會存在方案調整、資料互提及進度把控等需求，而傳統設計方法在過程上往往存在脫節問題，導致項目出現缺陷甚至錯誤。Bentley公司為解決項目協同設計管理等問題，提供了一款用于項目信息管理及協同工作的平臺ProjectWise開展協同設計，如圖3所示，清晰表達了傳統設計與BIM協同設計在總體構架上的區別。

利用ProjectWise開展BIM協同設計管理，實現全專業在同一環境標準下開展設計工作。平臺會自動將模型數據信息存儲到系統中，即實現信息共享，簡化了信息傳遞的渠道。由項目負責人（管理員）根據項目各專業的人員安排、進度計劃及特點進行統一創建，所有的項目資料和消息都將在平臺上統一發布，具有嚴格的一致性和實時性。項目參與人員無論在何時何處均可登陸客戶端開展工作，而不同設計成員將由項目負責人賦予不同的權限以確保文件安全和流程可控。這種將分散的信息孤島進行有效集合的信息共享設計模式將使得設計工作變得簡單且規范，大幅度提高工作效率，減少過程差錯。

3.4 基于BIM的市政道路方案設計

針對市政道路方案設計階段的特點分析，選用鴻業路易2020作為路、橋、隧、交安、照明等專業的BIM應用軟件，選用鴻業管立得作為給排水BIM應用軟件，選用鴻業鴻城平臺作為方案BIM模型基礎平臺，重點突出方案設計階段的快速建模比選及便捷展示等方面的需求。

3.5 基于BIM的市政道路深化設計

3.5.1 道路設計

道路設計需要將各分項專業進行有效串聯。Bentley提供了OpenRoadsDesigner系統開展道路三維建模，通過多視口系統功能可開展平、縱、橫協同設計，在集成性、參數化、三維化、可視化等方面更具優勢，更利于路線的總體把控。針對路基路面，其核心和關鍵在于廊道橫斷面模板的智能參數化構建，詳細靈活的參數化廊道模板應具有結構清晰、分類明確及延展性佳等特點，可實時對道路的加寬、超高、分離等變化進行參數化調整，為使用者提供靈活、便利的三維設計環境。基于BIM技術的市政道路設計將傳統二維設計中的點與線的設計信息直接轉化為三維數字化實體模型信息，避免了二維設計層次上的“模糊性”等問題。

3.5.2 橋梁設計

橋梁工程是項目的主要控制節點，Bentley提供了多款軟件進行交互設計并完成模型構建，利用OpenBridgeModeler開展橋梁整體建模，同時基于ProStructures進行配筋設計，并對部分特殊組件采用MicroStation平臺進行構建。除此之外，為更好地滿足國內設計單位的需求和習慣，基于OpenRoadsDesigner，北京跨世紀軟件公司開發的CivilStationDesigner和華東院開發的BDStation均可應用于橋梁交互式建模。采用三維參數化設計方式，建立參數化構件庫，通過更新參數化通用圖來自動更新全橋三維模型，有效提高了橋梁模型的構建效率，也盡可能提高市政橋梁建模的準確性和便利性[3]。

3.5.3 隧道設計

城市隧道工程相對需求較少，Bentley提供了OpenRoadsDesigner進行隧道主體結構及三維地質模型的構建，利用MicroStation開展細部構件處理，最后采用ProStructures開展配筋設計，以多系統交互式的方式完成市政隧道建模。

3.5.4 交安設計

交安工程根據其內容可分為交通標線、交通標志及智能監控三部分。其中交通標志及智能監控主要基于MicroStation進行模型構建，并根據規范建立不同標準的交安模型數據庫，實時調用相應對象，采用面向組件的參數化構建方法將具有靈活的分解性和組合性，每一種交安設施可分解為一個基本單元構建，且編碼信息唯一獨立，這樣既可以快速創建交安設施，同時也可保證信息唯一性[4]。交通標線則采用OpenRoadsDesigner基于平面進行不同類型標線的參數化定制及平面繪制，最后利用三維映射功能投影至實體模型上以滿足項目實際需求。

3.5.5 排水設計

排水工程是城市道路的主要內容之一，利用OpenRoadsDesigner中內置的SUE地下公用設施模塊進行地下管線模型構建，其三維建模功能可基于CAD及Excel等信息集進行批量處理，自動創建井、管線等三維模型，可針對整個項目的雨水和污水管網進行建模、分析和設計。

3.5.6 模型集成及渲染

基于MicroStation將各專業模型進行參考匯總，并通過Navigator對模型內部所存在的錯、漏、碰、缺問題進行檢查，從設計的源頭保證工程質量，減少施工過程中的變更，確保施工順利進行[5]。

完成項目模型的碰撞檢查后，可直接導入LumenRT進行場景渲染，開展真實材質轉化、植物景觀添加、交通流模擬等后期處理，并能以駕駛員及行人視角進行場景模擬，打造“所見即所得”的場景構建，制作視頻動畫。

4 工程應用

本文所提出的針對市政道路不同設計階段應用不同BIM設計流程的全過程全專業設計建模方法和設計流程已在大學路改擴建工程、廉州灣大道工程、民大立交工程等多個市政道路項目上成功應用（見圖4），并在項目方案匯報、評審及技術交底上取得了一致好評。使得匯報成果更為清晰明了，生動活潑，在三維可視化環境中促進專業間及各參建方間的理解和溝通，減少溝通成本，提高設計效率。

5 結語

BIM技術的出現，為市政交通行業帶來了新思想的技術革新，是大數據時代衍生的一種全新的技術方法。本文以市政道路為對象，探索研究BIM技術在市政道路設計階段的應用，對目前市場上主流BIM平臺進行分析對比，根據市政道路不同設計階段的特點提出選用不同BIM系統的應用流程及解決方案。從設計環境構建、協同設計管理平臺搭建及各專業應用等方面進行分析，探索性梳理了一套適用于市政道路的BIM輔助設計方法并成功應用于多個市政項目，為今后市政交通行業BIM技術的應用發展提供了重要經驗，具有十分重要的意義。

參考文獻：

[1]涂圣文，楊 柳，姚常偉，等.BIM+VR道路設計系統技術特點及應用現狀[J].公路，2019（2）：164-169.

[2]劉 鵬.鐵路工程設計BIM技術的差異化和解決方案[J].鐵道工程學報，2014，185（2）：23-26.

[3]梁 才，彭 欣，龍 波，等.BIM技術在大跨徑組合斜拉橋設計中的應用[J].西部交通科技，2019（4）：87-90.

[4]彭 欣，龐 聰，龍 波，等.基于BIM技術的公路交通安全設施數據庫構建分析[J].西部交通科技，2019（5）：148-151.

[5]徐 博.基于BIM技術的鐵路工程正向設計方法研究[J].鐵道設計標準，2018，62（4）：35-40.