BIM技術在市政道路中的應用

文／唐妙 長沙市市政工程有限責任公司 湖南長沙 410000

引言：

BIM代表著一種新的理念和實踐，是一種創新的建筑設計、施工和管理方法。長期以來，我國市政道路設計大多采用基于AutoCAD的二維平面設計模式，難以直觀全面展示設計對象信息，嚴重制約設計行業的提升發展。加上設計項目越來越復雜，二維設計方式已逐漸無法滿足工程設計的需要，亟須引入BIM技術，實現多專業的三維協同設計，有效解決設計難點、保證設計方案合理可行，同時搭建以BIM模型為基礎的BIM綜合協調管理平臺，集成項目管理流程，實現基于本項目的管理流程定制化部署。平臺需包含模型管理及瀏覽、圖紙管理、權限管理、BIM進度管理、BIM質量安全管理、BIM成本計劃管理、BIM智慧工地、任務管理等功能。同時將業主方、設計方、總承包單位、分包單位、監理單位及其他各參建方納入平臺管理，根據管理職責進行權限分配，實現各參加方基于互聯網的協同管理。本文主要圍繞此展開詳細分析。

1、BIM技術概述

建筑信息模型（BIM）是繼計算機輔助設計（CAD）技術后出現的建設領域又一重要的計算機應用技術，通過建立數字智能化模型對項目的設計、施工以及運維等過程進行優化管理，為運營維護管理提供全模型數據倉庫與工程資產全信息管理，BIM技術和理念將成為未來整個建設行業技術的發展方向。

本文主要圍繞BIM技術在市政道路中的應用展開分析，目前常用的道路設計BIM軟件有Bentley、revit以及3DEXPERIENCE等平臺，其中bentley基于道路系統進行研發應用。目前，BIM技術在道路設計建模方面已經得到實現，隨著bim的建筑信息模型設計交付標準、建筑信息模型應用統一標準、建筑信息模型施工應用標準、建筑信息模型分類和編碼標準等一系列標準的頒布以及實施，極大地鼓舞BIM行業大步向前發展。

2、BIM技術在市政道路中的應用優勢

2.1 充分體現設計者的設計意圖

BIM技術可以創建更直觀的3D數據模型，有效地避免了相關的缺點。例如在現有的二維設計模式中無法更好地反映設計形狀，應用BIM技術可以對市政道路建設的相關效果進行三維模擬，設計師和操作員可以清晰地感受到市政道路的建設效果，反映市政道路設計師的設計目標。

2.2 項目工作量計算快速準確

市政道路設計過程使用傳統的2D設計技術（例如CAD）來估算當前的設計工作量，在路面技術和安全計算上往往會出現比較大的誤差。通過運用BIM技術中的三維立體設計模塊，可以相當準確地了解長度、體積、面積等設計特征。基于準確的數據，可以實時相應地調整工作量，及時了解道路施工進度，因地制宜，高效及時派遣施工人員。

2.3 較強的模擬分析能力

市政道路設計階段采用BIM技術可進行項目快速建模，實現BIM框架下道路、橋梁、管網、綠化景觀照明的協調設計，提高項目效率。BIM技術可呈現項目在初始設計階段完成后的影響，展示最終效果，可以從各個角度進行分析。這使設計師能夠在設計早期發現設計缺陷，并及時調整和改進項目計劃和概念，展現出BIM技術在工程中強大的建模模擬和分析能力。

2.4 可實現全生命周期運維運用

安全管理：利用智慧工地云平臺和普華powerBIM可視化工程管理協同平臺、Web管理平臺、手機移動平臺，組成BIM應用平臺，結合現場監控系統和安全巡查，將收集和處理的安全問題掛接到對應位置、記錄發生時間，智慧工地云平臺、普華powerBIM可視化工程管理協同平臺和Web管理平臺端同步記錄問題發生的各種信息，顯示項目區域間發生安全問題的頻率和狀態，為項目安全生產提供問題保障。通過光感傳感器、運維平臺與報警系統聯合使用，對各種原因誤入施工范圍內的人員發出警報，保障行人的安全。

進度管理：將進度計劃文件與模型文件、工程量清單等進行鏈接，結合現場施工進度對數據進行實時匯總，使現場任意節點的施工進度及所需資源能實時查看，同時可以對實際進度和計劃進度進行對比，為編制人員、材料、資金等資源計劃提供參考。

質量管理：通過三維模型和平臺的應用，進行三維可視化交底、方案模擬、資料掛接、變更管理等方式，增加交底的準確性、加快項目信息的傳遞，為保障施工質量提供保障。

3、實例分析BIM技術在市政道路中的應用

3.1 工程概況

本項目為某市政道路工程，機場中軸大道是銜接場外集疏運道路與場內交通系統的主要進出場道路，全線長約4.5km，（其中高架段約1.1km，向南與場外機場中軸大道南段銜接，地面段約1.3km，隧道段約2.1km，向北與場外機場中軸大道北段銜接），道路段紅線寬度123m；主路高架橋主線為雙向十車道，輔道規模為雙向六車道，主輔路之間通過匝道銜接。進出場道路包括中軸大道主線、中軸大道輔道、工作區平行匝道、工作區平行匝道、輔道調頭彎匝道、工作區銜接匝道、工作區銜接匝道、南北貫穿隧道東線、南北貫穿隧道西線。航站區道路包括航站區地面道路、進場路匝道。雨水、污水等附屬工程：航站區及沿中軸大道敷設的雨水、污水工程及其附屬工程。工期緊要求高，業主對BIM技術應用非常重視，明確提出需要采用BIM技術應用，并在招標文件中列出了具體要求。

3.2 BIM總體策劃

本項目在實施初期策劃了完整的BIM應用解決方案，明確了應用內容、流程、標準、組織、計劃及具體應用措施等，并按照策劃內容組織實施過程管理，順利實現了設計與施工全過程BIM綜合應用。本工程基于bentley以及revit軟件進行建模，并使用這些自研軟件進行正向設計和三維建模，再組合使用其他軟件開展BIM應用，并實現了各軟件之間的模型和信息共享，旨在借助BIM技術手段，合理優化設計方案，提高設計效率，控制施工進度，減少工期，降低成本投入，從而提高設計質量和施工管理水平，保障項目的順利完成，并為后續的項目運維管理提供數據基礎。

本工程BIM協同平臺是基于普華powerBIM開發的面向工程參建各方的施工項目管理軟件，包含項目總覽、設計、施工、進度、質量、安全、合同、投資、系統等管理功能模塊，支持對各類靜態或動態數據的錄入和修改，可把BIM軟件創建的模型和信息，按照時間關系導入5D數據庫（3D模型+1D時間+1D內容），實現對模型和信息的統一整合和管理，為設計階段和施工階段的BIM應用提供平臺支持。

3.3 BIM模型創建

3.3.1 構件化建模方法

設計階段的BIM模型主要分為針對設計圖紙進行模型的深化和重建工作，主要體現為：

（1）土石方與地基處理工程模型需要進行重新建模：原地面地形地貌已發生變化，需要對原地面地勢模型進行重新建模；施工過程中的檢驗批土石方模型需要隨著施工進度時時重建。

（2）排水工程模型需要進行重新建模：排水工程的路線圖紙發生變更，原排水溝BIM模型溝體的高程、溝體結構厚度等尺寸不符合圖紙要求；原設計排水溝BIM模型的節點均未建模或簡單處理，需要重新建模；原設計排水溝BIM模型均未進行鋼筋建模，施工BIM階段需要對鋼筋模型進行重建。

（3）道面工程模型局部需要進行修改、部分需要進行重建、部分需要深化：道面板未進行分縫和刻槽處理，需要對原BIM模型進行局部深化修改；道面標志標識模型需要進行提量，需要對原設計BIM模型進行底漆細化；原設計BIM模型的傳力桿、拉桿等存在碰撞、位置擺放不對等問題，需要對原模型進行修改。建模的內容及具體方法如下：

1）土石方與地基處理工程

對排水溝的填挖方土石方量進行精確計算并與設計工程量進行對比。

①建立原始地形

通過CNCCBIMOpenRoads的過濾地形功能提取復測的原地面高程數據從而形成三維地形圖。為后面的土方計算做數據依據。

②建立排水溝路線的平面、縱斷面。

③建立溝渠開挖橫斷面模板并通過廊道功能建立溝渠開挖模型，然后統計出工程量（填挖方量）。

④使用CNCCBIMOpenRoads的出工程量表工程對整個開挖出土石方數量計算表。按照每20米一段出工程量。用以輔助施工。

邊坡模型由于設計圖紙變更，原設計邊坡BIM模型無法使用，需要根據新建立的排水溝模型的外邊線提取邊坡坡腳線，進行邊坡建模；

原設計模型邊坡模型中的護坡處理、六棱柱磚等模型均未體現，故該部分的模型需要重新建立，利用Microstation將護坡六棱磚做成單元進行匹配放置。

2）排水工程建模（多種類排水溝的影響，交匯節點的影響）

①依照溝體開挖斷面同樣思路進行路線的平縱斷面建模，依照設計斷面進行橫斷面建模，在橫斷面模板中設置參數控制橫斷面變寬變高，實現溝體的參數化設計。

②按照伸縮縫的要求，20米繪制一節溝渠，中間留出2cm的伸縮縫。通過把溝渠主體轉化成智能實體之后，使用Microstation進行泄水孔的建模。每500米范圍內設置一條檢修步道。

③溝渠的節點處，使用Microstation的基本功能，畫好面，拉伸、剪切、布爾運算等操作，建模節點的底板、側墻、頂板、擋土墻等結構模型。然后通過其精確坐標系移動到對應高程和坐標位置上。

④對于暗溝的傳力桿等細部構件，我們先制作好傳力桿單元，然后通過放置單元的功能批量放置，這樣既實現了構件庫的建立，又保證了文件的輕量化。

3）道路工程建模

①道路基層

道路的平縱橫斷面和溝渠的建模方式一致，不做重復贅述，道面基層采用線模板的方式進行建模。

②路面工程

使用路面的邊線和中線形成一個地形，然后用面模板的工程把地形賦予路面結構層。

③圍界

采用Microstation對圍界模型進行放樣，然后創建成單元，進行布置。

④標線

將場道工程的標線復制出來，在CNCCBIMOpenRoads中使用壓印功能把標線印到已制作好的道面上，同時提取標線曲面，分別生成底漆和面漆模型。經測試復核，壓印標線精確度符合標準。

⑤鋼筋建模

根據施工需要及設計要求，建立鋼筋節點、施工縫節點、變形縫節點、異性混凝土節點等模型。

鋼筋部分運用Prostructures，常規構件可以通過自動拾取構件的截面參數和形狀，并且可以通過不同的形狀自動選擇鋼筋的初步布置方式；

異形構件主要是解決主筋和箍筋，不管布置主筋還是箍筋，對于異形體都可以批量的布置，不需要一根一根的去布置；鋼筋的方向，可根據構件提取的導向線來控制。并且可以通過不同的鋼筋顯示模式控制鋼筋：支持單線模式、線框模式、草圖模式、渲染模式。

3.3.2 方案展示和驗證

本項目施工場地復雜，大型設備與材料物資經常運輸存在一定交叉協調困難，本項目在大型設備進出場及吊裝方案編制實施前，擬采BIM通過預先設立的大型設備進場及運輸路線，采用BIM技術模型進行大型設備進場及運輸吊裝模擬，驗證施工方案的可操作性，優化施工方案。

3.3.3 虛擬現實設計優化

基于BIM多專業合成模型，結合虛擬現實（VR）新技術手段，制作了整個工程項目的交互式漫游場景，對景觀設計方案進行以下多處優化。（1）通過沉浸式漫游體驗，驗證了橋下廣場的景觀設計方案；（2）根據虛擬代入體驗結果，優化了部分浮雕、燈光及綠化的細節設計；（3）橋梁下部通過以浮雕、綠化覆蓋、夜景亮化等方式優化，弱化了與文物本體的正面沖擊，使之與古運河整體風貌相協調。

3.3.4 交通仿真優化

建基于BIM模型，制作的項目全景瀏覽鏈接，可以通過分享鏈接在PC端直接打開、瀏覽項目模型。

3.3.5 輔助設計及復核

（1）多專業協同三維設計

在協同工作環境中，依據項目BIM應用實施策劃要求，搭建項目各專業BIM設計模型，包括道路工程、橋梁工程主體及其附屬的地質、土建、管線等，以及工程周邊市政管線、地面交通系統等BIM模型創建。

（2）設計方案可視化效果表現

在設計方案中，根據橋梁不同設計方案要求，創建相應的橋梁BIM模型，以三維可視化的形式展現方案的設計理念、思路和細節表現，輔助設計方、業主、政府相關部門協調溝通，便于進行設計方案比選和快速決策。通過可視化直觀方式，看出不同設計方案條件下的主橋結構以及周邊環境之間的相對空間位置關系，有助于設計人員改進設計方案，輔助業主進行方案決策。

（3）工程設計方案漫游

以規劃的項目道路、橋梁BIM模型為基礎，結合無人機航拍的周邊環境模型、市政管線模型及地下建構筑物模型，直觀展示工程整體設計方案成果，進行仿真漫游，虛擬展示工程建成實景并判斷周邊環境的影響，尤其是線路與現狀路網及相關工程的關系，橋梁匝道口位置、停靠站與周邊環境的關系等，在方案階段妥善處理與周邊建構筑物的關系，避免錯漏碰缺，輔助設計方案優化。

（4）碰撞檢查與三維管線綜合

本項目橋梁上部結構中鋼筋及波紋管密集的情況，通過建立鋼筋及鋼束結構BIM模型，對BIM模型進行碰撞檢測，優化設計圖紙，輔助現場施工作業協助方案優化，有效減少了鋼筋與預應力波紋管的沖突問題，提升施工效率和品質。

（5）工程量復核

根據設計清單工程量統計要求，采用BIM技術手段對工程土建等工程量輔助統計，核對設計統計量與BIM工程量，復核差異較大的項，提高工程算量的準確性。

（6）景觀藝術方案動態呈現

基于前期方案建立的周邊地表、市政管線等模型，并根據景觀設計方案資料創建景觀綠化方案模型，整合各專業設計方案BIM模型，以三維可視化仿真形式展現橋梁、道路關鍵節點景觀方案的設計理念、思路和細節表現，輔助設計單位、建設單位、政府等相關部門進行景觀綠化方案協調溝通，優化和穩定景觀綠化設計方案。

（7）橋梁裝修效果仿真

基于橋梁BIM模型可快速完成多個裝修方案模型，對方案進行可視化展示，體驗橋梁建成后真實環境，有助于方案的優化和快速落地。

（8）BIM+VR沉浸式體驗

本橋梁為變截面結構，針對異形漸變結構施工質量控制的難點，結合BIM模型找出異形結構中關鍵部位及復雜工藝工序的最優方案，使用“BIM+VR”的形式進行技術交底，提升工程品質。

結語：

綜上所述，BIM技術在我國現代道路工程建設中發揮著重要作用，基于BIM技術可以高效完成工程設計與優化，在計算工程量、攻克施工難點和提高施工質量、安全方面具有極為突出的作用，同時在后續運維管理過程中都能發揮較大作用。