BIM技術條件下的市政道路橋梁設計研究

鄭大偉 嚴 明

（中交第一公路勘察設計研究院有限公司，南京 2 11100）

在市政道路橋梁等城市基建工程項目中，需要對工程的施工環境及施工過程進行全面分析，預判并解決相關項目問題。要達到這一目標，以建筑信息化模型構建為主要形式的BIM技術，在市政道路橋梁設計中大有用武之地。

1 BIM 技術基本概述

BIM 技術即建筑信息化模型技術，主要是采用三位數字建模技術，對建筑物體構建可視化3D 數字模型，然后圍繞建筑主體結構及道路橋梁主要節點進行三維動態設計及仿真模擬，進而使工程及建筑橋梁等能夠在可視化、系統化及模塊化下實現預期設計目標。在國家倡導建造智慧型城市的背景之下，道路橋梁設計及施工需要在理念上有所革新，賦予道路橋梁設計信息化特征，而BIM 技術則有效滿足了這一需求[1]。

在具體應用上，BIM 技術在三維模型中將主項及分項工程的設計周期、進度安排、技術參數等信息融入其中，針對道路橋梁項目，在模型構建前的繪圖環節，結合CAD 軟件的使用，使道路橋梁設計細節更加精細。在BIM技術應用到道路橋梁設計中時，首先要明確道路橋梁BIM 三維模型各構成要素，主要要素如下：橋梁、道路、路橋附屬物、地面模型、隧道、地形地貌、房屋建筑等。這些要素先通過實體測繪，然后將要素導入到系統中，使用分割法及歸并法進行要素的單獨建模，最后整合拼接成為完整模型系統。

2 BIM 技術在市政道路橋梁設計中的技術優勢

2.1 算量精確，優化市政道路橋梁工程整體成本

在BIM 技術條件下，市政道路橋梁的工程數據信息可以被獲取并在模型中體現，如此就為道路橋梁的工程量計算提供了技術支撐，在路橋設計預算、施工預算及后續管理維保環節可以通過數據參數的類比及調用，提高預算編制的精度，加快施工管理速率，從而優化工程項目的成本支出。具體而言，在BIM 技術下，道路橋梁設計的模式、投資成本、進度等基本信息可以隨時從系統模型中獲取，通過對這些信息的掌握，道路橋梁工程設計人員可以根據數據參數來對設計理念及施工管理方案加以調整，確保項目在滿足設計質量標準的同時，提高項目經濟效益產出。

2.2 視覺突出，保證市政道路橋梁工程決策質量

BIM 技術提供的技術解決方案主要借助三維渲染技術及3D 立體化建模技術對工程項目進行解析，這一過程帶有較明顯的視覺屬性，可以為設計人員提供更為直觀的設計視野[2]。而在對市政道路橋梁的關鍵部位，如路基設計、支護工程、橋梁墩臺布局、橋梁受力分析等，通過BIM 技術進行建模，這些部位三維渲染會更具精度和速度。外加上BIM 三維模型具備的參數化及數據化功能，可以對市政道路橋梁設計全過程提供決策支持，各個專業板塊的設計人員在同一平臺上開展設計，可以及時傳遞設計成果，對信息數據進行實時共享，如此可降低設計失誤概率。此外，由于BIM 技術條件為市政道路工程虛擬施工創造了可視化環境，針對市政道路設計及施工中的問題也可以通過虛擬呈現的方式展示，進而為項目各方協同設計及管理做好鋪墊。

2.3 彌補傳統市政道路橋梁工程設計模式弊端

市政道路橋梁在設計時需要考慮到路橋的壽命周期，在設計關頭即考慮到后續維保管理，避免因設計失誤而增加路橋安全隱患[3]。傳統市政道路橋梁工程設計過程中，存在不結合具體實際盲目套用設計規范及經驗的現象，在橋梁構造上數據參數計算不到位，道路橋梁的合理性及可擴展性不足。而在道路橋梁設計圖紙編制環節，缺乏多角度及全方位審查措施，一些制約影響路橋壽命周期的參數及因素未得到及時發現，道路橋梁安全隱患事故時有發生。BIM 技術的出現憑借其技術層面的高精度控制優勢，在解決這些設計弊端問題時可形成針對性方案，極大提高市政道路橋梁安全性。

3 BIM 條件下市政道路橋梁設計要點

3.1 市政道路橋梁場地選址規劃設計中的BIM 技術應用

市政道路橋梁工程在立項建設后，除了在原有路橋基礎上進行擴建外，如涉及到新修道路及橋梁隧道建設，首要考慮內容要素是路橋工程場地選址規劃。只有合理選擇路橋工程地址，才能使市政道路橋梁的交通樞紐作用充分發揮。而場地規劃狀況也會對市政道路橋梁設計質量產生直接影響。傳統設計模式框架下，市政道路橋梁工程場地規劃設計主要采用項目勘察人員進入現場勘察獲取數據的方式完成，這一規劃設計方式一方面需要大量人力物力，勘察設計的效率也受到影響，另一方面采用人工勘察規劃設計時容易出現數據參數不精準或存有誤差的情況。為此，要使市政道路橋梁場地規劃分析兼具效率及精度，可以引入BIM 技術，對規劃設計進行補充完善[4]。

相關要點有：第一，BIM 技術對市政道路橋梁工程場地規劃進行高精度展現，主要是通過對設計及施工場地范圍內的平面元素進行提煉，將其在模型中表示出來，達到一目了然的效果。例如，BIM 可以推進道路橋梁的無紙化設計及施工進程，在規劃設計階段建模，快速清晰地實現信息的傳遞，項目方可以大幅節約設計時間。在計劃表設置，路橋結構制作及架設中，如鋼結構狀態設計及安裝，混凝土澆筑都可以被納入到模型內。第二，在路橋設計及施工各個階段場地的布置及轉換上，要優化不同階段場地布置狀況，借助地形勘測軟件對場地建立模型并做好路橋排水系統及標高系統的策劃。例如，在地形中導入標高方格網，為道路排水及標高設計提供參數依據，避免過多挖填方。第三，BIM 技術與地理信息系統的結合應用，可以提高路橋設計的智能化水平，使用BIM 軟件模擬道路空間及車流荷載量，可對道路等級及具體設計標準加以清晰展示，避免傳統設計思路下可能出現的信息數據不足及精度欠缺問題。第四，在市政道路橋梁規劃選址后，需要對路橋周邊景觀同步進行設計，為了保持工程與景觀的協調一致，避免工程對周邊生態造成影響，可以使用BIM 技術進行景觀模型的構建，為設計人員提供可視化場景。

3.2 市政道路橋梁工程量統計中BIM 技術的應用

市政道路橋梁工程建設體量大，涉及到的分項工程多，整個建設周期內的工程量同步較大，這就給市政道路橋梁工程量統計增加了難度[5]。為解決這一問題，通過引入BIM 技術，可以對市政道路橋梁工程量進行智能批量化統計，然后借助路橋工程算量軟件，實現工程量的自動統計，以確保工程量清單準確高效。以BIM 技術為基礎而出現并應用的算量軟件較多，例如，斯維爾算量軟件等，通過該算量軟件可以達到算量模型的快速匹配，然后引用相應的計算規則，對市政道路橋梁的數據進行測量，直至形成路橋工程量清單。比如，在道路橋梁混凝土構件工程量核算上，根據BIM 模型，參考構件、清單、選定部位等要素，對道路橋梁工程量進行快速計算，可以輔助工程現場計量人員快速達到提量目的。在道路橋梁坐標高程的計算上，一般在路橋設計圖紙上僅僅涉及到關鍵部位控制點的坐標及數據，如現澆箱梁等，這就需要測量人員做好計算放樣，工作量較大，外加上匝道線形通常較復雜，在橫坡部位存在超高變化，從而極大增加計算難度。借助BIM 技術條件下的算量軟件，如Dynamo，可以在澆筑箱梁支模之前，對現澆箱梁邊角控制點等間距坐標加以數據抓取，根據該數據測量放樣，在確保坐標正確的前提下，能夠省去人工計算的時間成本。在道路橋梁土方計算環節，采用Civil 3D 道路建模，可以結合具體實際情況對松散系數數據進行調整，如此可將土方量直接計算得出，同步得出道路面層、基層、邊溝等部位的體積及方量。

3.3 市政道路地下管線設計中BIM 技術的應用

市政道路多位于城市人流集中區域，在城市主要道路橋梁部位，前期市政規劃中敷設的管線可能需要在道路與橋梁下方穿越，如此就給市政道路工程設計增加了管線協調的難度，如管線的位置方位設計及高程豎向設計等。這一環節與BIM 技術的結合應用主要體現在如下幾方面：首先，在市政道路橋梁初期設計環節，應全面收集有關管線的信息資料，通過詳盡的信息資料為地下管線的具體敷設方向、管線類型選擇、管線性能規格，如管徑大小控制等提供進一步優化的條件。其次，采用BIM 技術對市政道路橋梁施工完成后的管線布局進行先期測繪，這一過程可以通過3D 模擬的方式實現。在對模擬模型進行分析研究后，結合地下管線施工圖進行印證。第三，針對市政道路橋梁地下管線的BIM 建模，應把握一定的原則方法，一般應遵循先打后小，自上而下的建模順序，如此能夠降低模型后期修改調整的難度。為了檢驗BIM 模型的有效性，完成建模操作后應及時開展碰撞檢測，記錄碰撞檢測的參數數據，然后形成完整的報告。第四，在市政道路橋梁地下管線的具體尺寸的測定上，為了提高加工生產效率，降低管線配件的制造加工難度，大幅節約管材成本，也可以通過BIM 技術及監控平臺對地下管線各元件的尺寸大小進行調控，確定無誤后將尺寸數據交由加工制作技術人員進行統一批量制作。第五，采用BIM 技術著重解決市政道路橋梁地下管線預埋階段可能出現的質量問題及隱患。例如，通過BIM 技術確定管線預留孔方位及尺寸，能夠降低預留孔洞位置不符施工要求的概率，而BIM 技術在查找管線套管漏埋上也較為便捷快速。

3.4 市政道路橋梁綜合管廊設計中BIM 技術的應用

市政道路橋梁綜合管廊設計及管理維護對整個路橋工程的周期壽命有重要影響。在這一環節中，BIM 技術的應用可以貫穿于路橋綜合管廊的設計、施工、竣工等全過程階段。具體而言，其應用要點如下：第一，在綜合管廊施工圖設計環節，BIM 技術可以應用于入廊管線施工圖設計及管廊廊體施工圖設計中。選用BIM 技術進行綜合管廊工程建模，參考施工影響因素，得出施工設計圖紙，指導管廊施工。第二，在綜合管廊施工階段，BIM 技術的應用范圍較為廣泛，主要涉及到如下幾個方面：①對市政路橋綜合管廊施工中所用到的設備元件，如預制構件等進行數量、規模、技術方面的模擬。用3D模型的方式明確管廊預制拼接制作、檢驗、養護等主要步驟，然后滿足質量及技術條件后，開展施工現場的拼裝吊裝作業。②管廊施工方案的執行及監督，尤其是在技術交接重難點上，使用裝有BIM 可視化模型軟件的移動終端設備，可以針對設計圖、施工圖、施工數據參數等進行便捷觀察和管理，從而提高市政道路橋梁綜合管廊設計質量，為后續的管理維護打好鋪墊。

4 結語

市政道路橋梁工程作為城市基礎設施建設的重要內容，對城市外在形象有直接宣導作用。隨著BIM 技術的成熟，傳統市政道路橋梁設計弊端及問題得到得以彌補，為智慧型城市的構建提供了新的技術支撐。在具體應用BIM技術時，應對市政道路橋梁設計的各個環節加以綜合分析，在主體構造、設備裝置、管線布局等主要方面通過數字化可視化模型加以預判，提高路橋設計質量深度。