BIM技術在市政路橋設計的應用與啟發
——以南臺大道南段道路工程設計為例

劉熠彪

(福州市規劃設計研究院 福建福州 350108)

0 引言

BIM即建筑信息模型，是利用數字化技術建立起虛擬的建筑工程三維模型，為具體工程提供完整的、與實際情況一致的建筑工程信息庫，幫助工程有關人員實現建筑信息集成，從建筑的設計、施工、運營直至建筑全生命周期的結束。也就是說，待建的工程各種相關信息始終整合于一個三維模型信息數據庫中，設計團隊、施工單位、設施運營部門和業主等各方人員都可以基于BIM進行協同工作，有效提高了工作效率、優化設計步驟，保證設計的科學性，節約資源，降低成本，實現建筑工程項目的可持續發展。

基于此，本文擬以福州市南臺大道南段道路工程設計為例，詳細介紹BIM技術在市政路橋設計中應用及其實際效果。

1 項目概況

該工程全長4.26km，寬度50m～70m，為城市快速路，是城市南向的快速放射線，兩環之間的快速聯系通道，路線起點段新建二環路北園互通，實現南二環與南臺大道南段互通，路段設高架連續跨越迎賓路、鳳山路東段后設地道下穿義序路,終點接三環路螺洲立交。其中，二環路北園互通實現南二環與南臺大道南段的互通,，立交型式為喇叭形，共設置7條匝道，主要考慮南臺大道南段與二環路之間的聯系，其它轉向交通和直行交通通過地面交叉口解決。因此該項目工程設計難度大，各方協調工作復雜，如圖1～圖2所示。

2 設計階段BIM技術應用分析

設計階段，市政道路橋梁設計引入BIM技術。BIM技術提升市政路橋設計質量與效率主要體現在全線三維可視化平臺應用、精細化設計、碰撞檢查、工程量精確統計、基于BIM模型的二維圖紙生成等幾個方面。

圖1 南臺大道全生命周期示意圖

圖2 項目總平圖

(1)全線三維可視化平臺應用

構建BIM模型，包括全線三維模型、重要節點、關鍵局部模型等，三維視圖促使設計方更加立體、直觀、全面地展現設計成果。

在設計階段即能直觀地看到工程完成后的樣子，解決了傳統CAD二維設計方法表述不完整、不準確等問題。

設計中，建立了全線三維模型，其中較復雜模型二環路北元互通7條匝道和3環螺洲立交的真實模擬，并在此基礎上進行方案論證和調整。立體地解決了匝道的優化性、美觀性以及橋面凈空規范性和樁柱的合理布局；同時，其他關鍵節點如主線高架、主線地道都通過全線模型直觀地解決與原狀地形的契合、現有道路的銜接。對設計人員而言，有問題可以及時發現；對業主而言，和心理預期有偏差能及時知道，把問題解決在萌芽階段。另外，通過三維模型的排查，如橋梁局部模型、人行地下通道模型，增強了設計的合理性、減少了變更與返工，保障了設計方與施工方之間的有效溝通。設計成果的三維立體化展示，提高了項目的實用性，縮短了施工技術交底時間。

(2)基于BIM的精細化設計

南臺大道項目設計中存在一些復雜的橋梁構件及道路交叉節點(圖3)，傳統CAD二維圖紙對這些復雜構件及節點表述比較困難，以往設計圖紙在設計信息表述上時常不夠完整，大大增加了施工方對圖紙意圖的理解難度，容易出現一些與施工圖設計不符的情況，產生不必要的變更，進而增加不必要的成本投入，導致經濟損失。該項目設計，基本運用了BIM精細化設計。以某段橋梁和道路交叉節點為例，某段橋梁為單箱三室鋼箱梁截面為閉口薄壁截面，抗扭剛性強，頂板、底板面積都比較大，其正負彎矩的承擔能力性能強，并且在市政路橋中得到了廣泛應用。橋梁上部結構，根據規范要求，構建各類族庫，如鋼箱梁底板族、腹板族、懸臂族、橋面鋪裝族等，然后利用確定的標高平面和兩個豎直平面交點設置一個自適應點組裝起來形成完整的上部結構；橋墩為雙柱矩形墩上加蓋梁尾墩帽，首先確定一個帶蓋梁柱子式墩的模型族，接著新建一個自適應公制常規型族，根據已知自適應點，設置蓋梁順橋向寬度約束參數為L。然后進行蓋梁族與墩柱族插入，調整邏輯參數K，確定墩柱的位置，構建拱圈、承臺、走道板等參數化結構族。最后，依據勘測資料、地理信息等基礎數據，借助構建參數化結構族庫，按照從整體到局部、從零件到構建的順序進行定位，建立起橋梁BIM模型。同樣的，某復雜的道路交叉節點經過精細化設計建模、渲染后，躍然于眼前，化復雜難解為簡單有序。基于BIM精細化設計，通過BIM模型應用平臺5D技術，在施工階段能夠對質量、進度、成本精細化管理，從而更好地控制項目，如圖4所示。

南臺大道整體模型 橋梁局部模型

圖3 項目全線模型，重要節點模型

圖4 精細化設計圖

(3)碰撞檢查、各專業協同設計

碰撞檢查，主要通過BIM模型檢測工具發現項目中圖元之間的沖突，這些圖元可能是模型中的一組選定圖元，也可能是所有圖元。協同設計是對多個專業及其關聯進行協調設計，它將原本獨立的各項關系有機聯系在一起，同時還能夠根據實際要求對這些關系不斷優化和更新。在結構復雜的市政路橋設計中，CAD二維圖紙設計是將不同的架構分別繪制在不同的設計圖紙上。因此，設計中無法避免一些考慮不周的情況，而導致一些管道碰撞、部位沖突等情況；另外，專業設計人員之間，由于溝通不善，也容易引發一些設計問題。模型檢測工具能夠快速檢測以上這些問題，并優化傳統CAD設計的不足。

在該項目工程設計中，道路模型被細分成了幾十種子模型，有些子模型又由更精細的子模型組成。例如，橋梁由主梁、蓋梁、墩、系梁、承臺、樁等10多種子模型組成，這些子模型之內高內聚，之間低耦合，由于子模型之間的耦合是明確的，所以很容易合并，并且能立即發現沖突情況(圖5)。同時，因為子模型之間的低耦合性，它們可以分配給不同的人負責設計，從而實現協同。總之，采用了Revit鏈接管理與工作集和協作化管理工具Teambition，在建模、整合、碰撞檢查等方面大幅降低了設計不周導致的一系列失誤。通過BIM模型對施工階段的構件和管線、建筑與結構、結構與管線等進行碰撞檢查、施工模擬等可以實現設計優化。

圖5 協同設計、碰撞圖

(4)工程量精確統計

由于國家對于工程浪費等現象管理嚴格，社會對精細化設計的要求高。工程量精確與否，某種角度上取決了工程浪費的與否。傳統的工程量統計，造價人員需從圖紙中逐一計數來統計設備、部件、管道等，然后分類統計于表格中，它具有工作量大、費時、繁瑣、要求嚴謹等特點，約占全部工程預算編制工作量的50%～70%，且其精確度和快慢程度將直接影響工程預算的質量和速度，而BIM技術能夠實時、準確地提供所需的各種工程量信息，快速生成相關數據統計表。先前的施工預算超支現象十分普遍，缺乏可靠的技術數據是造成超支的重要原因。BIM模型本身就是一個富含建筑構件工程信息的數據庫，借助這些信息，快速做出精確的工程量統計。該項目全線模型完成精細化設計后，能夠快速生成各種工程量，并獲得各項工程量清單。將BIM構建過程中生成的工程量清單與二維CAD設計圖紙的構建清單對比，可以快速、精確地檢測出基于二維CAD圖紙設計中存在的工程量統計問題，如圖6所示。

圖6 項目工程量統計圖

(5)基于BIM模型的二維圖紙生成

該項目基于深度LOD(Level Of Detail)100-200的三維模型，生成符合初步設計深度要求的設計圖紙，大大減輕了設計人員的工作量。傳統的二維圖紙說明未有連動性、沖突不易檢查且不含信息等缺點。因此，變更設計后同一部位的圖紙說明可能分布于多張二維圖紙說明中，若不能將圖紙說明全部清圖檢查，且修改處若沒全數修改，則容易產生錯誤的圖紙說明信息，導致施工現場的施作誤解、施工界面產生等問題，需要花額外的時間檢討、溝通、檢查，影響后續工期或施作作業。而BIM模型內的部位皆含三維可視化、連動性、參數化、信息化，同部位的二維圖紙生成雖然也分布于不同視圖中，但因視圖由同一個三維模型剖切而直接產生，同部位只需修改一次即可，減少了相關部位變更次數，并且可將修改過的部位進行沖突檢測，提早仿真修改后的方案有無部位碰撞問題，確認修改是否合適或有更好的方案選擇，可克服傳統二維圖紙說明檢查時人為疏失或難以察覺的缺失，確保圖紙說明數據正確性。

3 結語

近年來，BIM技術在市政、公路行業已經有了相對廣泛的應用，該項目集合了市政道路、高架橋、地下人行通道的大類的綜合項目，在設計階段引入BIM技術，優化了設計環節，即通過構建BIM模型，對三維可視化應用、精細化管理、工程量統計、碰撞檢查等，效果十分顯著，大大提高了設計質量，同時也使得設計與施工能夠有機結合起來。本文對此項目設計過程進行總結研究，旨在為日后類似工程設計應用BIM技術提供一定參考經驗。

目前，我國在BIM技術領域的發展和推廣還處于初步階段，執行標準還不夠統一，但BIM技術是設計理念的一次飛躍，正在引發工程設計領域的又一次變革，雖然暫時會有一些阻力，但設計走向BIM是必然趨勢。