BIM技術在快速路工程中的應用研究

王雨蒙

（濟南市市政工程設計研究院（集團）有限責任公司，山東 濟南 250101）

BIM技術在快速路工程中的應用研究

王雨蒙

（濟南市市政工程設計研究院（集團）有限責任公司，山東 濟南 250101）

隨著國家對BIM政策的引導與支持，BIM技術在市政行業的應用越來越多。主要介紹了新疆烏魯木齊市東外環快速路工程的概況、工程特點、難點以及BIM技術在本工程中的應用，闡述了BIM技術在快速道路工程、高架路工程、隧道工程及地下管線工程中的交通仿真、管線碰撞、動畫演示、工程量統計等方面的幫助作用。此外，還對BIM技術在市政工程中的具體實施方案和在其應用中總結的經驗教訓進行了闡述。

BIM；快速高架路；管線

0 引言

BIM技術最早始于20世紀末的美國，其應用在歐美及日本等地區發展迅速。目前我國的BIM技術應用正處于起步階段，應用BIM的建筑企業還不到10%，而在市政行業中應用的更少。但在住建部近日發布的《2016—2020年建筑業信息化發展綱要》中，對利用信息化技術提升建筑市場和工程建設監管水平提出了具體要求，把BIM列入“十三五”期間建筑業信息化的發展重點。

BIM模型的可視化特點可以讓甲方很容易地了解圖紙方案和優劣，提出方案調整意見和確定方案，以達到降低決策溝通成本的目的。還可以有效實現多專業設計模型的集成，發現問題，實現多階段間信息的流轉，減少因設計、施工、運維行業割裂造成的信息孤島。

目前在國內還沒有適用于道路橋梁項目全過程的BIM解決方案，通過本項目可以證明BIM技術在市政行業的重要性以及必要性，并建立一套適用于道橋項目全過程的BIM設計解決方案。在本項目中可以實現部分橋梁構件的參數化，解決項目中的協同問題以及解決各個軟件之間的數據互換問題。

雖然現在BIM技術還處在初級階段，初次設計建模時所耗時間和精力較多，對建立三維模型需要配備的電腦硬件配置要求也很高，但是BIM數據化的設計思路和先進理念對項目設計的質量和效率提高起到了顯著作用，在不久的將來它將成為設計的主流。

1 工程概況

1.1 項目簡介

新疆烏魯木齊東二環快速路工程，是烏魯木齊綜合交通樞紐的重要組成部分。其主線全長43 km，伴行輔道、繞行輔道合計長度為42 km，還包含高架橋9座，互通立交5座，中小橋6處，通道2處，分離立交9處，天橋7處，渡槽1處及簡易互通1處。

市政管線主要包括電力、通信（含有線電視）、燃氣、熱力、給水、雨水、污水、中水及防洪設施其他一些管線及設施。給水管線長約60 km，污水管線長約50 km，雨水管線長約80 km。

1.2 工程特點和難點

為了方便快速地進行選線方案比選，較好地把握工程尺度，進行相關分析，提高模型重復利用率，可視化匯報等，確定采用BIM技術。

BIM設計的難點主要體現在項目本身的設計難度和BIM技術自身的難度這兩方面。烏魯木齊東二環快速路工程是城市骨架路網上的高等級道路工程，其沿線地面環境復雜，經過居住區、河流、部隊駐區和地質塌陷區等；涉及到的專業眾多，有交通工程、道路工程、橋梁工程、隧道工程、排水工程、照明綠化等附屬工程，協調難度大。

BIM應用的難點有：（1）道路等級高、功能全、規模大；（2）建設條件復雜，地面環境、地下環境復雜；（3）專業多：道路、橋梁、高架、隧道、給排水及通信；（4）缺少道橋項目BIM解決案例；（5）在道路設計方面，使用Civil 3D的道路設計模塊。首先確定道路的偏移路線，然后通過橫斷裝配偏移及改變橫斷裝配的裝配形式進行道路建模。由于道路橫斷變化較多，使用Civil 3D的傳統操作進行裝配時工作量大。在局部更改橫斷時，要先拆分道路，再更改橫斷裝配，工作流程繁瑣，見圖1。（6）歐特克BIM軟件套包內沒有橋梁模塊，在處理橋梁匝道與主橋相接處，橫向坡度相反過渡無法準確的轉換。在同一款軟件內，不能同時創建箱梁與橋墩，而且還無法解決橋梁的三維配筋問題。（7）在Revit中雖然可以添加下部結構的配筋，但是工作量大，且配筋很難跟整個模型的參數相關聯。（8）在管線設計中，檢查井的樣式不能自行添加修改，而系統自帶的檢查井樣式，很多又不符合我院的設計標準，這樣給設計人員帶來很大的不便。（9）現狀管線、建筑物較多，人工建模需要較長時。如果不建成模型無法看出與橋梁的距離、體量關系，因此需要找到一種批量、快速建模的方法。（10）三維設計過程中，由于橋梁體量大，管道多，計算機運行速度很慢。（11）目前國家沒有出臺相關的三維交付標準，三維模型生成的二維工程圖不符合國家現行的制圖標準，影響施工方與設計人員對BIM的認可。

圖1 Civil 3D中道路橫斷裝配

2 BIM組織及應用環境

2.1 BIM應用目標

通過本工程的BIM實施，建立一套適用于道橋項目全過程的BIM設計解決方案。

BIM應用的目標有：（1）道路、高架橋、互通立交組合結構復雜。通過三維設計模型，可以檢查道路、橋梁、管線各構件之間相互關系，驗證施工時的可操作性，而且將設計方案更好的呈現給甲方，使甲方能更好的進行決策。（2）道路線形發生變化時，道路的平面、交叉口以及管線也隨著發生變化。進行工程BIM協同，以滿足工程設計過程中道路線形、橋型、管線等變化。（3）建設構件庫使模板快速實例化，提高設計效率。（4）形成可以指導其他類似項目的流程和標準。

本工程中BIM實施的應用點有：基于道路曲線的橋隧結構創新建模方法；方案比選；構件庫的開發與應用；全專業協同設計；基于BIM的交通仿真；碰撞檢查；工程數量統計；基于BIM模型的全專業的二維出圖；Revit環境下快速建模工具的開發與應用；三維場景虛擬漫游。

2.2 實施方案

使用Civil 3D進行地形數據的處理，創建地形曲面，給衛星圖片添地理坐標。使用ArcGIS軟件進行現狀建筑及現狀管線批量生成；道路、管線使用Civil 3D進行建模，橋梁上部結構使用Civil 3D進行創建，下部結構使用Revit進行創建，并在Revit中進行橋梁模型整合；標志標牌、路燈（新疆雪蓮燈）等模型統一在Revit中創建完成。

在模型創建完成后，在Civil 3D中進行高程分析、流域分析、視距分析、超高分析等工作；使用Infraworks進行模型整合、方案展示等工作。

工作流程見圖2。

圖2 BIM工作流程圖

2.3 團隊組織

成立BIM團隊，設置BIM項目經理和各專業BIM工程師，同時還有工程經驗豐富的各專業工程師擔任專業技術支持團隊。人員包含全專業，具有一定的專業知識和設計經驗，學習能力強，溝通能力好，能夠很好的完成技術、知識和流程的傳遞，并且能夠幫助他人成長，從而逐步實現企業向全專業、全人員、全流程的BIM設計生產格局轉變，見表1。

表1 BIM團隊人員配備表

2.4 應用措施

根據項目的設計內容進行專業拆分，每個項目組成員分配具體的任務；依據建模流程制定協同模式、工作流程；根據設計需求，確定每個成員的工作內容、深度、進度安排。

2.5 軟硬件環境

BIM軟件對于計算機的硬件要求較高，至少使用4核CPU，8GB內存，64位系統，獨立顯卡1G緩存，最好有一臺服務器，以便于運行大型項目。

通過前期的調研、咨詢與學習，本項目決定使用Autodesk平臺的幾款核心軟件進行BIM設計，主要使用的軟件有 Infraworks、Civil 3D、Revit、Navisworks、ArcGIS軟件。

3 BIM應用

3.1 BIM建模

建模涵蓋全線43 km的地形、建（構）筑物、橋梁、道路、管線等設計內容。

3.2 BIM應用情況

首先，創建地形三角網格曲面，繪制道路中心線和縱斷面，添加道路偏移，然后裝配道路、橋梁管線模型。采用Civil 3D軟件，根據CAD地形圖中的等高線、高程數據點、河流及湖泊位置快速、精確建立數字地面曲面模型。

由于道路、橋梁中心線都是空間曲線，而且設計道路寬度頻繁變化、匝道曲面過渡困難、高程依靠樁號，使得Revit等建模工具難以完成橋隧結構的設計，通過探索，我們將Civil3D和Revit功能進行結合解決了這一建模難題。

道路模型的創建在Civil 3D中完成。Civil 3D能夠設計公路、鐵路、溝渠、橋梁或其它任何與曲面關聯設計的地物。平面線形設計用Civil 3D曲線法定義道路、橋梁、互通匝道線形。縱斷設計直接在設計地形上截取現狀地面線，然后進行縱斷拉坡設計。設計過程中可以通過實時查看三維模型，輔助項目設計。

橫斷面主要是根據道路板塊形式進行劃分，如：快慢車道、綠化帶、人行道等。

Civil 3D道路平面交叉口可以根據交叉線路不同，設計不同的交叉口樣式，如T形，十字等。可以進行交叉口、公交車站局部拓寬車道設計，添加導流道，進行交叉口豎向設計。

如果修改與道路關聯的曲面，如編輯了道路中心線或縱斷面，道路模型會進行實時的更新，減少后期修改模型的工作量。

橋梁通過 Civil 3D的 Autodesk Subassembly Composer編輯創建橋梁的上部結構橫斷裝配，見圖3。在Civil 3D中根據地形以及設計需求，調整橋梁的平曲線、縱曲線，并通過創建出的橫斷裝配，裝配出橋梁上部結構模型，提取出實體。橋梁的下部結構模型以及部分附屬設施則由Revit創建生成。在Autodesk InfraWorks中進行橋梁上部結構和下部結構的整合，調整模型坐標，布置附屬設施。

圖3 橋梁上部結構橫斷模型裝配

參照道路中心線，以及生成的三維地形和三維道路曲面，進行給水、排水、燃氣、熱力、電力、電信等專業管線的設計。在道路中心線發生變化時，參照道路中心線設計的管線能隨著更新。

三維管線設計是在實際位置采用真實尺寸建立的模型，設計過程中，管道可以進行碰撞檢測，調整管道滿足規范凈距要求。

對于現狀雨水和污水管管線部分，先通過Excel整理出井編號、坐標、管線連接方向、管徑等基本數據，整理完成后導入ArcGIS進行二次處理，最后導入InfraWorks中生成管線三維模型。

使用Civil 3D生成的道路、橋梁、管線模型可以與Infraworks等軟件進行交互展示，更好地體現設計意圖。

在項目前期，專家一般關心線形走向和設計規范參數，業主則關心占地面積、拆遷和工程造價，而公眾更關心環境問題，利用BIM進行不同方案的比較，BIM技術完整地展示了方案的技術特點，可以更容易地被專家、甲方和公眾理解，解決了專業人士與非專業人士的溝通問題，提高了方案決策的科學性。

城市交通問題十分復雜，交通仿真能夠分析在出行需求、車道特性、交通組成、交通信號等約束下道路交叉口的交通運行情況，幫助提高交通設施利用效率，確定合理的道路斷面和交叉口形式。基于BIM模型的交通仿真分析解決匝道、交叉口的設計問題，可以避免基于經驗設計有可能產生的交通擁堵問題，節省投資。

在道路上行駛的車輛，視距是影響交通安全的重要指標，通過行車視角漫游模擬真實環境，使街景舒適美觀，兩側建筑物、山體對行車視距、視角不遮擋，交通設施布置更合理，發現規劃、設計中存在的不合理之處，從而幫助規劃、設計部門快速進行改進。基于BIM模型的視距分析，可以高效、準確的發現并解決問題。

4 運用效果

BIM技術應用后的效果有：（1）完整建立項目周邊地面和地下環境，減少傳統設計有可能產生的設計變更；（2）實現同一平臺上的協同設計；（3）能夠完成精確的三維模型，進行良好的三維展示；（4）能夠利用三維模型檢查錯誤，提高設計質量；（5）道路、橋梁、管線一體化設計，統籌考慮相互之間的位置關系；（6）實現了部分橋梁構件的參數化，將加快今后類似工程的設計速度；（7）依據交通仿真分析，提高了方案的科學性和合理性；（8）通過交通安全分析，合理的設置標牌和標線，提高安全和舒適性；（9）通過凈空分析使用，最大限度的降低了工程高度，節約造價；（10）可視化的方案展示，更容易被專家、業主和公眾理解，從而提高了方案決策的科學性。

5 總結

5.1 創新點

BIM應用的創新點有：（1）橋梁、道路、管線基于坐標、平縱曲線、樁號在BIM中準確定位；（2）實現橋墩、柱子等參數化；（3）BIM分析優化設計方案；（4）解決了現狀管道、設計排水管道、壓力管道導入到AIW中存在的問題；（5）解決了橋梁、道路、管線的項目協同設計問題；（6）解決了AIW中交通標線問題；（7）解決了Arcgis中建筑材質問題；（8）解決了道路橫斷變寬的過渡問題；（9）解決了匝道與主橋銜接問題；（10）探索出交叉口豎向出圖；（11）實現現狀建筑、現狀管線批量、快速建模；（12）打通多軟件之間的數據傳遞。

有些方法為我院獨創，有力地促進了BIM項目設計質量和速度。

5.2 經驗教訓

該項目比較復雜，工程體量過大，項目前期未能做出更為合理的細分，導致計算機運行速度降低，影響了工作效率。

目前國內還沒有建立起BIM模型檢查的制度和規范，也沒有模型檢查的有效軟件工具和方法。既缺乏有效的模型檢查手段，又缺少可行的模型檢查標準。現在主要是依靠人工的審查方式對模型的幾何及非幾何信息進行確認，由于沒有模型檢查的規范和標準，檢查中的錯誤和遺漏、工作效率低等問題難以避免。

U412.37

B

1009-7716（2017）04-0226-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.067

2017-02-08

王雨蒙（1992-），女，山東濟南人，助理工程師，從事建筑設計工作。