BIM在市政工程中的應(yīng)用實踐與發(fā)展研究

魏國安

（河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南鄭州，450064）

1 前言

BIM是Building Information Modeling的英文縮寫，字面意思為建筑信息模型，于1975年被查克·伊士曼最先提出[1]。伴隨著計算機(jī)和軟件等硬件條件的成熟以及傳統(tǒng)的二維圖紙設(shè)計信息日益無法滿足需要的現(xiàn)狀，通過三維數(shù)字化手段對建筑工程各相關(guān)信息建立模型的理念被廣泛接受，BIM技術(shù)隨之迎來了高速發(fā)展時期。

BIM是信息化技術(shù)在建設(shè)工程中的直接應(yīng)用，通過參數(shù)模型整合各種項目的相關(guān)信息，為參與各方主體在建設(shè)項目的設(shè)計、建造和運(yùn)營管理等整個生命周期搭建一個協(xié)同工作的平臺。其應(yīng)用價值在西方發(fā)達(dá)國家大量的工程實踐中已經(jīng)被肯定，在提高生產(chǎn)效率、降低成本、提高工程質(zhì)量、縮短工期等方面有很大優(yōu)勢[2]。國內(nèi)從2002年首次將BIM引入中國，已經(jīng)在中國的一些大型工程中得以應(yīng)用，諸如上海中心大廈、香港地區(qū)的地下鐵工程等，并取得良好的效果。在推廣BIM技術(shù)應(yīng)用方面，我國政府層面已將加快BIM技術(shù)推廣寫進(jìn)《建筑業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中，各地省市政府結(jié)合各地實際情況也相繼出臺了相關(guān)政策和規(guī)定。由此可見，雖然BIM 技術(shù)在我國應(yīng)用較晚，但是在市場和政策的驅(qū)動下不難看出中國的BIM時代已經(jīng)來臨[3]。

2 BIM技術(shù)在市政道路設(shè)計中的應(yīng)用

我們都明白任何一項新技術(shù)的出現(xiàn)，離不開市場需求。隨著城市化進(jìn)程的加快、土地資源的日益緊缺、建設(shè)環(huán)境約束條件的增加、向地下、地上空間的發(fā)展趨勢，使市政道路工程建設(shè)較以往更加復(fù)雜。而BIM技術(shù)在市政道路中的應(yīng)用中擁有眾多價值。

2.1 BIM 在市政道路設(shè)計應(yīng)用中的優(yōu)勢

在BIM廣泛應(yīng)用之前的CAD時代，市政道路的設(shè)計中要將復(fù)雜的市政道路展現(xiàn)在二維空間中，但由于傳統(tǒng)CAD制作出來的二維圖紙存在冗繁、錯誤率高、變更頻繁、協(xié)作溝通困難等缺點(diǎn)，而BIM技術(shù)在道路設(shè)計中的應(yīng)用存在著巨大的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在：一、BIM技術(shù)的應(yīng)用能將設(shè)計理念準(zhǔn)確、完整、直觀的在三維模型中表達(dá)出來，展現(xiàn)市政道路完工后的樣子；二、基于BIM強(qiáng)大的模擬、分析能力，能夠及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷，并采取措施整改優(yōu)化，有效減少施工返工率；三、基于BIM各模型中龐大的屬性和幾何數(shù)據(jù)，能對道路的各種工程量進(jìn)行自動化精確計算，減小誤差、節(jié)約人工成本；四、BIM信息模型的搭建方便多專業(yè)人員共同協(xié)作完成大規(guī)模的市政道路設(shè)計工作。在國家大力提倡節(jié)能減排與可持續(xù)發(fā)展理念的背景下，利用基于BIM模型的能耗分析軟件可以在設(shè)計初期對工程的能耗進(jìn)行模擬，減少為滿足低能耗要求的設(shè)計修改頻率。

2.2 BIM 在市政道路設(shè)計應(yīng)用現(xiàn)狀

BIM技術(shù)在市政工程行業(yè)得到日益深入的應(yīng)用與推廣，以BIM技術(shù)為基礎(chǔ)的Civil3D、Bentley等軟件在市政道路設(shè)計中應(yīng)用較為廣泛，其應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1.地形圖處理和道路中心線繪制

通常情況下，市政道路勘測單位會向設(shè)計單位提供的地形圖分為兩種:二維地形圖和是三維地形圖。與二維相比在三維地形圖中的高程就是其實際的高程。

在整個市政道路設(shè)計中，因為道路中心線的設(shè)計與繪制需要考慮眾多控制因素，因此是設(shè)計過程的重點(diǎn)。這里以三維地形圖為例，運(yùn)用BIM 技術(shù)經(jīng)過中心線穿插、中心線轉(zhuǎn)化、線路構(gòu)建共三個環(huán)節(jié)來完成市政道路中心線的初步設(shè)計，此后結(jié)合設(shè)計中的各項要求對設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整[4]。

2.道路橫向斷面設(shè)計

因為道路工程的特點(diǎn)，在整個設(shè)計中重點(diǎn)通常就是道路的橫斷面設(shè)計。依據(jù)擬建道路等級和具體要求，橫斷面設(shè)計內(nèi)容主要包括車道和人行道布置、路基結(jié)構(gòu)層和路面寬度設(shè)計、橋梁斷面布置幾個方面。借助Civil3D軟件的科學(xué)設(shè)計，能夠保證BIM數(shù)據(jù)信息模型的準(zhǔn)確性。在設(shè)計過程中通過對斷面各材料屬性的精確設(shè)置，可以實現(xiàn)自動精準(zhǔn)統(tǒng)計工程量，節(jié)約人工成本；利用節(jié)點(diǎn)參數(shù)化的特點(diǎn)，可以快速實現(xiàn)道路、橋梁的變寬變化，方便設(shè)計變更。

3.道路縱向斷面設(shè)計

國內(nèi)常用的道路設(shè)計軟件針對道路縱向斷面設(shè)計都有一定優(yōu)化，其主流的設(shè)計流程為：首先根據(jù)擬建道路的地理條件等信息，完成編制原始路面的線路文件，此后在設(shè)計軟件的協(xié)助下構(gòu)建原地面線，接下來市政道路工程設(shè)計人員借用已經(jīng)構(gòu)建的原地面線完成拉坡線繪制工作，在繪制過程中根據(jù)設(shè)計要求對拉坡線進(jìn)行實時調(diào)整，完成道路縱向斷面的設(shè)計[5]。

圖1 實景建模

在市政道路設(shè)計過程中不僅要有先進(jìn)的軟件做基礎(chǔ)，同樣必不可少的是完善的標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)，目前可用于道路橋梁工程的BIM標(biāo)準(zhǔn)有：上海市的《道路橋梁信息模型應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》、河南省的《市政工程信息模型應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》、《鐵路聯(lián)盟的存儲標(biāo)準(zhǔn)》和中勘協(xié)BIM系列叢書的道路橋梁分冊。

3 BIM技術(shù)在市政道路設(shè)計中的應(yīng)用案例

國內(nèi)在一些大型市政道路工程中已經(jīng)將BIM技術(shù)融入到了設(shè)計過程中，本文著重以鄭州在建的四環(huán)路為例進(jìn)行介紹。如圖2，鄭州市四環(huán)路是中國乃至世界最大的一條市政工程，全長93公里，高架65公里,地面加高架150公里，采用節(jié)段預(yù)制梁橋設(shè)計和施工工藝，設(shè)計期限一年，施工期限一年，工期非常緊，本工程的BIM應(yīng)用主要集中在可視化工程環(huán)境、參數(shù)化精確建模、三維配筋、節(jié)段預(yù)制梁精細(xì)化設(shè)計四個方面。

圖2 鄭州市四環(huán)路

1.可視化工程環(huán)境

利用無人機(jī)航拍與三維實景模型創(chuàng)建可視化工程環(huán)境。無人機(jī)航拍分兩個階段：第一個階段是現(xiàn)場踏勘階段，利用無人機(jī)對全線進(jìn)行了航拍，大大縮短了設(shè)計人員踏勘的時間；第二階段，創(chuàng)建實景模型，給工程設(shè)計提供一個真實的現(xiàn)場環(huán)境，如圖3所示。

圖3 無人機(jī)巡查系統(tǒng)

2.參數(shù)化精確建模

采用參數(shù)化精確建模技術(shù)。主要包括：參數(shù)化路線設(shè)計、參數(shù)化橋梁上部結(jié)構(gòu)設(shè)計和參數(shù)化橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計。

利用參數(shù)化路線設(shè)計工具完成平曲線、豎曲線設(shè)計任務(wù)。路線成果支持參數(shù)驅(qū)動，通過改變關(guān)鍵變量數(shù)值驅(qū)動模型改變。當(dāng)路線變化時其他專業(yè)設(shè)計成果均隨路線成果實時更新。通過創(chuàng)建箱梁橫斷面模板，約束關(guān)鍵點(diǎn)變化關(guān)系實現(xiàn)參數(shù)化橋梁上部結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)參數(shù)化模板斷面，并利用條件約束工具，指定變化位置與變化規(guī)則，實現(xiàn)參數(shù)化變截面箱梁設(shè)計。后期可根據(jù)需要，直接更改關(guān)鍵變量數(shù)值實現(xiàn)設(shè)計成果更新。通過創(chuàng)建參數(shù)化單元的方法實現(xiàn)變截面復(fù)雜變化墩柱的設(shè)計，根據(jù)設(shè)計需求，從截面、實體構(gòu)建、幾何體空間關(guān)系等維度進(jìn)行參數(shù)化控制。圖4展示了西四環(huán)高架跨南水北調(diào)中線干渠大橋的BIM模型。

圖4 西四環(huán)高架跨南水北調(diào)中線干渠大橋

3.三維配筋

利用橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析與鋼筋配置。可以直觀顯示復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和鋼筋在三維空間布置情況，降低讀圖難度，有效指導(dǎo)現(xiàn)場工人加工生產(chǎn)。利用準(zhǔn)確詳盡的鋼筋數(shù)據(jù)信息，通過與鋼筋加工機(jī)械的配合，可效地提高鋼筋下料生產(chǎn)效率。

4.節(jié)段預(yù)制梁精細(xì)化設(shè)計

鄭州四環(huán)路工程中，采用的是節(jié)段預(yù)制橋梁的工藝，其中西四環(huán)節(jié)點(diǎn)預(yù)制梁就有2.13萬塊。從預(yù)制梁的加工、生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝到構(gòu)建跟蹤，對工程質(zhì)量來說都非常重要。以BIM技術(shù)為切入點(diǎn)，通過建立參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制梁，并與梁廠生產(chǎn)工藝相結(jié)合，做到打通設(shè)計施工環(huán)節(jié)間的信息壁壘，精確指導(dǎo)構(gòu)件生產(chǎn)。圖5展示了節(jié)段預(yù)制梁精細(xì)化設(shè)計過程。

圖5 節(jié)段預(yù)制梁精細(xì)化設(shè)計

另一個BIM在橋梁工程中的案例，是BIM技術(shù)在波形鋼腹板組合橋梁中的應(yīng)用。依托公司設(shè)計的3座各具特點(diǎn)的波形鋼腹板組合梁特大橋，率先在國內(nèi)開展了波形鋼腹板組合橋梁的BIM技術(shù)應(yīng)用與研究工作，主要包括參數(shù)化設(shè)計、可視化施工交底、施工工藝模擬、施工進(jìn)度模擬、施工過程信息管理。

通過軟件的二次開發(fā)，對項目開展施工過程的信息管理。將施工過程中的現(xiàn)場照片、圖紙、文件等資料，與模型的相應(yīng)部件及節(jié)點(diǎn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)鏈接，可在BIM模型中隨時查閱各類施工信息，有助于提高施工企業(yè)對項目的管理效率。

4 結(jié)語

隨著時代的發(fā)展，我國的市政道路建設(shè)發(fā)展方向也悄然發(fā)生改變，正由傳統(tǒng)的短平快向更復(fù)雜、更有創(chuàng)造性轉(zhuǎn)變。BIM技術(shù)的產(chǎn)生，一方面利用三維技術(shù)解決了二維的局限性，另一方面利用BIM技術(shù)構(gòu)建的共享的建筑信息體系，各專業(yè)可實時共享有關(guān)工程的各種信息，為該工程從建設(shè)到拆除的全生命周期中的所有決策提供可靠依據(jù)。本文從BIM技術(shù)的概念和其在市政道路設(shè)計中的應(yīng)用優(yōu)勢入手，并以鄭州四環(huán)路的建設(shè)作為具體應(yīng)用的案例進(jìn)行了研究。雖然在建市政道路工程中BIM技術(shù)的應(yīng)用比例較小，但是在住建部將加大推廣BIM技術(shù)在新開工項目中的應(yīng)用寫進(jìn)《建筑業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》的背景下[6]，BIM技術(shù)的應(yīng)用必將成為主流。