BIM技術(shù)在市政道路設(shè)計(jì)優(yōu)化方面的應(yīng)用分析

郭 灝

中國(guó)市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司 四川 成都 610200

伴隨著城市道路工程的不斷發(fā)展和完善，城市道路工程的建設(shè)項(xiàng)目越來越多。在常規(guī)的市政道路設(shè)計(jì)已經(jīng)不能很好地適應(yīng)城市道路工程的實(shí)際需要的情況下，大力推進(jìn)BIM技術(shù)在城市道路設(shè)計(jì)流程中的操作運(yùn)用，有著十分重大的實(shí)際意義。

1 BIM技術(shù)綜述

BIM技術(shù)的核心思想是通過信息技術(shù)和建筑行業(yè)的不斷發(fā)展而產(chǎn)生的一種新型建筑設(shè)計(jì)及建造模式，即利用信息技術(shù)對(duì)建筑工程進(jìn)行信息化管理，使建筑工程項(xiàng)目中的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)等各個(gè)階段達(dá)到信息共享。BIM技術(shù)主要包括信息模型、信息數(shù)據(jù)庫、信息管理平臺(tái)和應(yīng)用軟件等四個(gè)部分。它將工程項(xiàng)目中的所有設(shè)計(jì)、施工等數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，并將工程項(xiàng)目的各項(xiàng)信息融合在一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫中，從而提高工程項(xiàng)目的質(zhì)量，縮短施工工期。

1.1 信息模型

BIM技術(shù)的核心在于將建筑信息通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行表達(dá)，使之成為具有真實(shí)屬性、相互關(guān)聯(lián)并能夠?qū)ㄖ?xiàng)目全生命周期進(jìn)行模擬和優(yōu)化的一種數(shù)字化表達(dá)形式。其主要包括：1)幾何信息模型，主要表示建筑的位置、尺寸、構(gòu)造等基本信息；2)結(jié)構(gòu)信息模型，主要表示建筑的各種構(gòu)件及其組合關(guān)系；3)施工信息模型，主要表示建筑的施工順序、材料供應(yīng)、協(xié)調(diào)關(guān)系等[1]。

1.2 信息數(shù)據(jù)庫

信息數(shù)據(jù)庫是指建筑工程項(xiàng)目的所有相關(guān)信息數(shù)據(jù)，包括：工程項(xiàng)目中的設(shè)計(jì)方案、施工圖紙、工程量計(jì)算等。BIM技術(shù)可以將各種數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，并以統(tǒng)一的格式存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中。各參與方都可以通過BIM系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行提取、更新和管理，并根據(jù)需要，對(duì)信息進(jìn)行加工和處理。

1.3 信息管理平臺(tái)

信息管理平臺(tái)是一個(gè)綜合信息管理系統(tǒng)，其功能包括：組織結(jié)構(gòu)管理、信息集成、工作流引擎、標(biāo)準(zhǔn)管理、應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)等。BIM信息管理平臺(tái)通過對(duì)建筑工程項(xiàng)目中的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)及維護(hù)等各個(gè)階段數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑工程項(xiàng)目的綜合管理，提高建筑工程項(xiàng)目的質(zhì)量。目前，BIM技術(shù)已經(jīng)在我國(guó)廣泛應(yīng)用于工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)階段，在實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目信息化方面發(fā)揮了巨大作用，它也是建筑業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

1.4 應(yīng)用軟件

BIM技術(shù)的應(yīng)用軟件主要包括BIM設(shè)計(jì)軟件、BIM施工模擬軟件和BIM運(yùn)維管理軟件。BIM設(shè)計(jì)軟件是進(jìn)行BIM設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)平臺(tái)，主要用于在BIM模型中進(jìn)行各種建筑信息的提取和應(yīng)用。BIM施工模擬軟件是為了解決施工項(xiàng)目中存在的問題而開發(fā)的，通過對(duì)施工過程進(jìn)行模擬，實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)與施工的信息整合。BIM運(yùn)維管理軟件主要用于對(duì)工程項(xiàng)目實(shí)施全過程、全方位的維護(hù)和管理，對(duì)工程項(xiàng)目運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，從而提高工程項(xiàng)目運(yùn)行效率。

2 BIM與相關(guān)數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用

2.1 GIS（地理信息系統(tǒng)）技術(shù)

GIS提供地理空間信息，BIM提供了建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施的三維模型。通過將BIM和GIS整合，可以實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)和建筑模型的融合，從而更好地分析和管理建筑物在地理空間上的位置和關(guān)系。例如，在城市規(guī)劃中，可以利用BIM和GIS相結(jié)合的技術(shù)，進(jìn)行建筑物的可視化分析和空間沖突檢測(cè)。

2.2 IoT（物聯(lián)網(wǎng)）技術(shù)

IoT可以將傳感器和設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。通過將BIM和IoT整合，可以實(shí)現(xiàn)建筑物的智能化管理和運(yùn)維。例如，可以通過傳感器和設(shè)備收集建筑物的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)與BIM模型進(jìn)行對(duì)比，以實(shí)現(xiàn)建筑物的智能維護(hù)和優(yōu)化[2]。

2.3 虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)

利用VR技術(shù)，可以在建設(shè)項(xiàng)目的初期階段就對(duì)建筑模型進(jìn)行虛擬漫游和可視化展示，幫助設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和業(yè)主更好地理解和評(píng)估設(shè)計(jì)方案。還可以對(duì)市政道路工程的現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)行模擬，更直觀的對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行分析，得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)邏輯關(guān)系，進(jìn)而幫助工程制定合適的施工方案。

3 BIM技術(shù)在市政道路設(shè)計(jì)中的優(yōu)點(diǎn)

3.1 精準(zhǔn)展示項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案

BIM技術(shù)可以通過三維建模和可視化展示，將道路設(shè)計(jì)方案以更直觀、生動(dòng)的方式呈現(xiàn)出來。設(shè)計(jì)師可以通過BIM軟件在虛擬環(huán)境中創(chuàng)建道路模型，并在模型中添加各種要素，如道路線型、標(biāo)志、交通設(shè)施等?？梢愿庇^地傳達(dá)道路的整體布局和設(shè)計(jì)效果，從而更好地進(jìn)行設(shè)計(jì)決策和方案優(yōu)化。

3.2 工程量的計(jì)算更精確

傳統(tǒng)的工程量計(jì)算方法依賴人工，效率低下且易出錯(cuò)。而BIM技術(shù)通過3D建模，能直觀呈現(xiàn)建筑物細(xì)節(jié)，精準(zhǔn)模擬施工過程，從而更準(zhǔn)確地計(jì)算工程量。此外，通過將BIM模型與時(shí)間、成本等信息結(jié)合，生成數(shù)據(jù)分析圖表，可用于預(yù)測(cè)項(xiàng)目成本、制定預(yù)算計(jì)劃、優(yōu)化施工流程等，為項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)提供決策支持，使工程量計(jì)算更為精細(xì)和全面。

3.3 提供強(qiáng)有力的模擬分析

BIM技術(shù)允許設(shè)計(jì)師進(jìn)行交通模擬和地質(zhì)模擬分析。交通模擬技術(shù)可以在虛擬環(huán)境中模擬交通流量、車輛通行以及人行道等方面的情況，從而預(yù)測(cè)和評(píng)估不同設(shè)計(jì)方案在交通方面的性能，進(jìn)而優(yōu)化道路設(shè)計(jì)、提高道路的交通效率和安全性。例如，設(shè)計(jì)師可以通過模擬不同時(shí)段的交通流量來確定最適宜的路寬、車道數(shù)量和交通標(biāo)志位置等[3]。

此外，我們還可以運(yùn)用BIM技術(shù)對(duì)地質(zhì)狀況進(jìn)行建模和模擬。通過這種模擬技術(shù)，設(shè)計(jì)師可以更加直觀地了解地質(zhì)結(jié)構(gòu)、土質(zhì)類型以及地下水等情況，從而確定適宜的路基處理方案、排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。進(jìn)行地質(zhì)模擬可以大大提高道路設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)性和可靠性，有助于提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和整體效益。

4 探索BIM技術(shù)在市政道路設(shè)計(jì)中的實(shí)際運(yùn)用

隨著城市建設(shè)項(xiàng)目的多樣化發(fā)展，市政道路的設(shè)計(jì)工作變得越來越復(fù)雜。為了適應(yīng)城市發(fā)展，BIM技術(shù)提高市政道路設(shè)計(jì)效率、減少錯(cuò)誤、優(yōu)化施工過程和提升運(yùn)維管理水平并促進(jìn)BIM技術(shù)在市政道路建設(shè)中的高效應(yīng)用，這具有重要的實(shí)際意義[4]。

當(dāng)前市政道路專業(yè)常用BIM設(shè)計(jì)軟件為Autodesk公司的Infraworks、Civil 3D、Revit系列軟件及Bentley公司的ORD系列軟件。本文以成都市草金路改造工程為例，基于Autodesk系列設(shè)計(jì)軟件，分析BIM技術(shù)在市政路橋規(guī)劃設(shè)計(jì)中的應(yīng)用（如圖1所示）。

圖1 草金路BIM模型總裝圖

4.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

草金路為起于三環(huán)的快速路，往外延伸為成溫邛快速路。本次改造范圍為成溫邛快速路二環(huán)，全長(zhǎng)約14.4km，結(jié)合在建的地鐵17號(hào)線統(tǒng)籌實(shí)施。

改造內(nèi)容主要包括道路、交通工程、橋隧工程、管線工程、照明工程、智能交通工程、景觀化綠工程等市政配套工程。

4.2 技術(shù)路線

與傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)相比，基于市政道路BIM正向設(shè)計(jì)在路線規(guī)劃時(shí)便結(jié)合范圍周邊區(qū)域的三維數(shù)字地形（條件充分的還可使用傾斜攝影實(shí)景模型），直接在三維環(huán)境中進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)。這不僅能為設(shè)計(jì)師提供直觀的現(xiàn)狀效果，方便進(jìn)行多種設(shè)計(jì)方案比選，還能實(shí)現(xiàn)參數(shù)的精準(zhǔn)計(jì)算和調(diào)優(yōu)，使方案匯報(bào)與修改變得更加便捷[5]。

4.2.1 概念設(shè)計(jì)

概念設(shè)計(jì)階段，利用Infraworks軟件自動(dòng)讀取衛(wèi)星地圖，生成三維地形，還可載入傾斜攝影實(shí)景地形，讓我們?cè)谡鎸?shí)的三維環(huán)境中快速建立道路和橋梁的概念模型，并快速放置護(hù)欄、路燈、標(biāo)線等附屬設(shè)施。通過實(shí)時(shí)變換工程量，方便估算造價(jià)，為方案比選和業(yè)主決策提供了極大的便捷，從而提高了設(shè)計(jì)效率并降低了設(shè)計(jì)成本。

4.2.2 方案設(shè)計(jì)

在方案設(shè)計(jì)階段，直接將Infraworks軟件設(shè)計(jì)的路線信息導(dǎo)入中預(yù)先導(dǎo)入Civil3D，獲取道路中心線的平曲線、豎曲線要素和坡度、坡長(zhǎng)等指標(biāo)，根據(jù)提取的原始地形，通過構(gòu)件編輯器，對(duì)路緣石、擋土墻和放坡等進(jìn)行道路橫斷面詳細(xì)設(shè)計(jì)，不僅節(jié)省了外業(yè)測(cè)量的時(shí)間，還提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量。通過導(dǎo)入的標(biāo)準(zhǔn)，可以自動(dòng)檢測(cè)設(shè)計(jì)是否符合規(guī)范，從而避免了手工查詢的繁瑣過程。

4.2.3 施工圖設(shè)計(jì)

在施工圖設(shè)計(jì)階段，將道路方案模型導(dǎo)入Revit軟件，設(shè)置中心模型，并在此基礎(chǔ)上完成橋梁、景觀等其他專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)，完成整個(gè)項(xiàng)目的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)與構(gòu)件建模。通過模型，截取橋梁橫斷面，完成橋梁專業(yè)部分圖紙直接輸出，減少出圖工作量，提升設(shè)計(jì)效率。

4.2.4 設(shè)計(jì)校審

本項(xiàng)目為改造項(xiàng)目，工程涉及專業(yè)多，項(xiàng)目現(xiàn)狀復(fù)雜。在模型總裝階段，還需要進(jìn)行碰撞檢測(cè)，以減少出圖錯(cuò)誤，確保工程的合理性。為了優(yōu)化檢查流程、節(jié)約時(shí)間和人工成本，我們利用BIM輕量化技術(shù)導(dǎo)出各個(gè)專業(yè)的設(shè)計(jì)模型，結(jié)合場(chǎng)地現(xiàn)狀模型進(jìn)行碰撞檢查。在設(shè)計(jì)階段就快速檢測(cè)出潛在的沖突，避免在施工過程中出現(xiàn)相應(yīng)問題而導(dǎo)致返工與浪費(fèi)。同時(shí)基于模型，導(dǎo)出項(xiàng)目工程量，作為造價(jià)專業(yè)計(jì)算的輔助依據(jù)。提高了項(xiàng)目的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

4.3 項(xiàng)目的BIM技術(shù)拓展應(yīng)用

（1）基于VR+實(shí)景傾斜攝影技術(shù)的方案策劃決策

利用VR技術(shù)虛擬環(huán)境，結(jié)合三維實(shí)景模型，精準(zhǔn)高效地完成項(xiàng)目場(chǎng)地模擬，對(duì)方案的合理性與科學(xué)性進(jìn)行可視化分析，對(duì)項(xiàng)目重點(diǎn)、難點(diǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)方案進(jìn)行決策。

（2）基于BIM+實(shí)景傾斜攝影技術(shù)的智慧規(guī)劃

通過Dynamo完成結(jié)構(gòu)計(jì)算模塊化工具編寫。自動(dòng)讀取橋梁模型結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，提高設(shè)計(jì)及計(jì)算的效率，同時(shí)計(jì)算結(jié)果可寫入模型中作為后續(xù)應(yīng)用（如配筋計(jì)算）的數(shù)據(jù)使用。相比傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)采用Excel表格輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，BIM正向設(shè)計(jì)能夠更充分更全面的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行利用。

（3）全過程全專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)

通過服務(wù)器作為中轉(zhuǎn)站，將中心文件放置在服務(wù)器上，實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)傳遞，保證每個(gè)人都能及時(shí)獲得最新的設(shè)計(jì)圖紙，大大減少了各專業(yè)間提資料的等待時(shí)間。同時(shí)設(shè)置中心文件的方式保證了模型文件和版本的統(tǒng)一，減少了模型版本的混亂，文件便攜且不易出錯(cuò)。

（4）專業(yè)族庫構(gòu)建

對(duì)橋墩、橋臺(tái)、路緣石等需要定制族的構(gòu)件，進(jìn)行族庫的建立。然后完成對(duì)相應(yīng)的構(gòu)件的添加、替換（如圖2所示）。

圖2 道路橋梁構(gòu)件族庫

5 BIM在實(shí)際運(yùn)用中的阻礙與優(yōu)化措施

BIM技術(shù)擁有強(qiáng)大的模擬分析能力、高精度協(xié)調(diào)性以及多領(lǐng)域協(xié)同等眾多優(yōu)勢(shì)，然而，BIM技術(shù)在具體應(yīng)用中也會(huì)遇到一定的阻礙：

（1）人才缺乏：當(dāng)前，BIM技術(shù)已廣泛應(yīng)用于住宅建設(shè)，但其應(yīng)用于城市道路設(shè)計(jì)的相關(guān)技術(shù)尚處于摸索與研究之中。BIM技術(shù)在道路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用也尚未普及，目前的道路設(shè)計(jì)人員難以運(yùn)用BIM正向設(shè)計(jì)完成工作任務(wù)，通常需要單獨(dú)配備BIM建模師基于二維設(shè)計(jì)圖紙翻模。

優(yōu)化措施：提供培訓(xùn)和教育，提高團(tuán)隊(duì)成員的BIM技能和知識(shí)水平?？梢越M織培訓(xùn)課程、研討會(huì)和工作坊，以幫助團(tuán)隊(duì)成員掌握BIM技術(shù)和工具的使用。

（2）文件格式不統(tǒng)一：由于市政項(xiàng)目參與專業(yè)眾多，目前尚無一款BIM軟件支持所有專業(yè)完成設(shè)計(jì)。因此，設(shè)計(jì)師需采用多種BIM設(shè)計(jì)軟件，完成項(xiàng)目設(shè)計(jì)工作，而文件輸出結(jié)果的格式并不一致，在不同的軟件或者是在不同的版本之間，都會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)無法進(jìn)行正常的傳送的問題。

優(yōu)化措施：行業(yè)協(xié)會(huì)牽頭，完善三維設(shè)計(jì)體制機(jī)制，建設(shè)市政行業(yè)統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)；軟件公司注重產(chǎn)品研發(fā)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸接口的打通，確保數(shù)據(jù)的正確傳遞和使用。

6 結(jié)束語

總之，在市政道路設(shè)計(jì)優(yōu)化方面，應(yīng)用BIM技術(shù)是設(shè)計(jì)院企業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，它可以更好地建立起城市道路的設(shè)計(jì)理念，更直觀的完成施工圖方案交底。眾多理論和實(shí)際工作證明，BIM技術(shù)在市政道路設(shè)計(jì)中具有顯著的優(yōu)越性，要想做好目前城市道路的設(shè)計(jì)，就需要對(duì)BIM技術(shù)進(jìn)行深入的了解，充分利用BIM技術(shù)的優(yōu)越性。如此，方能適應(yīng)市政道路建設(shè)的需要，使市政道路建設(shè)的品質(zhì)持續(xù)提升。