BIM 輔助城市快速路設(shè)計(jì)及協(xié)同管理應(yīng)用

■李 健

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 210017)

0 引言

現(xiàn)代化城市道路的設(shè)計(jì)主要有兩方面的挑戰(zhàn)： 一是專業(yè)多樣化，即一條道路既要承擔(dān)地面交通，又要運(yùn)輸?shù)叵鹿芫€， 因此空間構(gòu)造極其復(fù)雜。 二是與周圍環(huán)境相適應(yīng)，道路的綠化、走勢(shì)需與周圍環(huán)境融為一體，景觀設(shè)計(jì)要滿足現(xiàn)代人的審美。采用傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)方法，不僅對(duì)設(shè)計(jì)者本身的能力要求比較高，而且設(shè)計(jì)效率也比較低。

BIM 技術(shù)作為新興技術(shù)， 在建筑領(lǐng)域已經(jīng)廣泛應(yīng)用[1-3]，在橋梁領(lǐng)域也逐漸慢慢展開(kāi)[4-7]。 關(guān)于BIM 技術(shù)在道路工程中的應(yīng)用，研究人員則做了如下工作：吳健分析了國(guó)內(nèi)外BIM 技術(shù)在道路領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀，初步探索了BIM 技術(shù)在道路工程設(shè)計(jì)階段中的應(yīng)用[8]。 孫建誠(chéng)等研究了基于IFC 標(biāo)準(zhǔn)的公路路基邊坡的解決方案[9]和基于Revit 平臺(tái)的橋梁參數(shù)化建模思路[10]。 鐘煒等以某實(shí)例工程探索交互設(shè)計(jì)結(jié)合BIM 等技術(shù)的方式來(lái)探索大型城市道路工程的實(shí)現(xiàn)途徑[11]。

本文依托揚(yáng)子江大道快速化改造項(xiàng)目， 建立了多專業(yè)的BIM 模型，探索BIM 技術(shù)在道路工程中的應(yīng)用。

1 工程概況

揚(yáng)子江大道位于江蘇省南京市鼓樓區(qū)和建鄴區(qū)(如圖1 所示)，北起下關(guān)大橋，南至河西大街，是南京市規(guī)劃快速路網(wǎng)中主城快速外環(huán)的重要組成部分。 該工程全長(zhǎng)7.985km，其中綜合管廊為新建工程，施工范圍北起揚(yáng)子江隧道南出口接地點(diǎn)，南至河西大街，全長(zhǎng)7.24km。 項(xiàng)目總投資約32.9 億元。揚(yáng)子江工程項(xiàng)目包括道路工程、橋梁工程、隧道工程、過(guò)街通道、綜合管廊工程、排水工程、交通安全及管理設(shè)施、照明工程、綠化工程等相關(guān)附屬工程。

圖1 項(xiàng)目地理位置

2 實(shí)施技術(shù)路線

揚(yáng)子江大道改造工程具有體量大、專業(yè)多、空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)據(jù)收集困難等特點(diǎn)。在設(shè)計(jì)階段主要需考慮兩方面的難題：一是道路沿線服務(wù)及到達(dá)功能復(fù)雜多樣，線型設(shè)計(jì)受較大制約， 與周圍建構(gòu)筑物及用地的銜接要求緊密，涉及平面、縱斷、橫斷構(gòu)造繁冗；二是需綜合考慮道路排水等管網(wǎng)配套設(shè)施的空間布局， 涉及多專業(yè)在道路選線方案的縱橫空間及多個(gè)控制點(diǎn)間尋求滿足規(guī)范的設(shè)計(jì)施工圖。 因此， 采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程將無(wú)法滿足工作需求。

本項(xiàng)目借助于BIM 技術(shù)，構(gòu)建了市政道路、橋梁、綜合管廊和地鐵等結(jié)構(gòu)的BIM 模型， 結(jié)合4D 施工模擬手段和虛擬情境交互(VR)方式，探索將BIM(建筑信息模型)技術(shù)應(yīng)用至市政道路和地下綜合管廊的設(shè)計(jì)領(lǐng)域的方法。 其主要工作技術(shù)路線如圖2 所示：

圖2 揚(yáng)子江快速化改造工程BIM 工作技術(shù)路線圖

3 結(jié)構(gòu)BIM 模型建立

3.1 初期支護(hù)工程

本工程隧道主體基坑采用SMW 工法樁+內(nèi)支撐的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式。 設(shè)計(jì)時(shí)采用Bentely MicroStation CE 軟件建立初期支護(hù)BIM 模型，如圖3 所示。

圖3 初期支護(hù)模型

3.2 路基隧道工程

該項(xiàng)目設(shè)計(jì)總體采用主線節(jié)點(diǎn)下穿的方案， 分別在草場(chǎng)門大街、清涼門大街、漢中門大街和水西門大街各設(shè)置一座下穿隧道。 隧道敞開(kāi)段主體結(jié)構(gòu)采用U 槽結(jié)構(gòu)形式，暗埋段采用矩形單箱雙孔框架結(jié)構(gòu)。

通過(guò)采用OpenRoads Designer 進(jìn)行路線恢復(fù)和地模的建立，對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行初步復(fù)核。 以參數(shù)化橫斷的形式，布置路基橫斷面和隧道敞開(kāi)段與暗埋段橫斷面， 以點(diǎn)控制和參數(shù)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)道路加寬， 隧道變高等特殊節(jié)點(diǎn)工程。 最終，路基與隧道BIM 模型如圖4 所示。

圖4 道路與下穿隧道BIM 模型

3.3 橋梁工程

湘江路通道橋跨徑為34m， 橋?qū)?0m， 上部結(jié)構(gòu)為PC 空心板。 該工程屬于改建項(xiàng)目，即是在原有的舊橋基礎(chǔ)上做加寬處理。 通過(guò)OpenBridge Designer 橋梁專業(yè)建模軟件，進(jìn)行橋梁定位、布跨、上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最終組合而成橋梁BIM 模型，如圖5 所示。

圖5 湘江路橋梁模型

為與傳統(tǒng)橋梁計(jì)算軟件(如橋梁博士、Midas 等)對(duì)比， 將該模型導(dǎo)入RM bridge 進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算， 如圖6 所示。 計(jì)算結(jié)果表明，與原設(shè)計(jì)結(jié)果在誤差范圍內(nèi)一致，說(shuō)明BIM 模型可直接用于計(jì)算，這將大大提高設(shè)計(jì)效率。

圖6 RM bridge 計(jì)算模型

3.4 綜合管廊工程

綜合管廊工程初步設(shè)計(jì)內(nèi)容為工程總體設(shè)計(jì)以及配套的結(jié)構(gòu)、電氣、通風(fēng)、消防、給排水等工程設(shè)計(jì)，以及綜合管廊內(nèi)出線管線和配套管線遷改等同步實(shí)施工程的設(shè)計(jì)。根據(jù)相關(guān)管線現(xiàn)狀及規(guī)劃需求，本工程涉及的各市政專業(yè)管線包括給水、污水(壓力管)、通信、電力等，管線種類及BIM 設(shè)計(jì)要求如表1 所示。

管廊的標(biāo)準(zhǔn)斷面可以分為兩艙室和三艙室。 兩艙室斷面凈尺寸為(2.5+6.2)m×3.2m，結(jié)構(gòu)尺寸10.2m×4.4m。 斷面形式如圖7 所示。三艙室斷面凈尺寸為(2.5+3.1+6.7)m×3.2m，結(jié)構(gòu)尺寸14.1m×4.4m。 斷面形式如圖8 所示。

設(shè)計(jì)采用自主研發(fā)的編程工具， 對(duì)管線CAD 圖進(jìn)行分層處理。 通過(guò)OpenRoads Designer 軟件的公共地下設(shè)施模塊(SUE)，使原狀地下管線的恢復(fù)成為可能，形成電子化的基礎(chǔ)資料保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。 對(duì)于管廊的主體結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)工程及隧道配電室等建筑模型，則采用ABD 軟件(AECOsim Building Designer)進(jìn)行建模工作，精細(xì)化的設(shè)計(jì)使我們的設(shè)計(jì)更加豐滿。 最終完成的綜合管廊BIM模型如圖9 所示。

表1 管線種類表

圖7 兩艙室布置圖

圖8 三艙室布置斷面圖

4 分析應(yīng)用

圖9 綜合管廊BIM 模型

結(jié)合傾斜攝影模型與主體結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行總裝(如圖10 所示)，采用LumenRT 實(shí)時(shí)渲染展示，在VR 技術(shù)的支持下，我們可以以建設(shè)者的身份，以第一視角的角度來(lái)觀察我們的模型， 無(wú)論是多專業(yè)之間的碰撞還是綜合管廊本身的碰撞均可以清晰表達(dá)。該技術(shù)的加持，可使得BIM模型準(zhǔn)確地反映出傳統(tǒng)圖紙所無(wú)法表達(dá)的信息， 同時(shí)能夠使參與者親身體驗(yàn)工程的實(shí)際規(guī)模， 形成巨大的視覺(jué)沖擊力。

圖10 總裝BIM 模型

5 效益分析

5.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

采用BIM 技術(shù)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益主要表現(xiàn)在3 個(gè)方面：一是通過(guò)糾正設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，從而減少設(shè)計(jì)變更；二是通過(guò)設(shè)計(jì)模型，導(dǎo)出精確的工程量清單，制定出合理的材料采購(gòu)計(jì)劃，減少了材料浪費(fèi)；三是通過(guò)4D 施工方案的模擬，一方面可以確定施工計(jì)劃的合理性，另一方面，對(duì)于大型的復(fù)雜性工程， 可以通過(guò)多種方案的模擬來(lái)提升施工安全性和施工質(zhì)量。

以隧道為例，對(duì)于暗埋段的橫斷面結(jié)構(gòu)尺寸，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路是經(jīng)驗(yàn)相當(dāng)豐富的設(shè)計(jì)師通過(guò)在腦子里構(gòu)建3D 模型然后通過(guò)2D 圖紙的形式進(jìn)行表達(dá)， 因此在主路與匝道的合流處與分流處，難免會(huì)有高程誤差的存在。而B(niǎo)IM 模型則可以輕易地暴露這些問(wèn)題， 在設(shè)計(jì)階段即可解決這些細(xì)節(jié)上的錯(cuò)誤，保證施工階段的順利進(jìn)行。整個(gè)項(xiàng)目檢查出湘江路通道橋設(shè)計(jì)錯(cuò)誤4 處， 隧道敞開(kāi)段及暗埋段設(shè)計(jì)錯(cuò)誤21 處，管線碰撞多達(dá)186 處，平交口設(shè)計(jì)錯(cuò)誤3 處。據(jù)建設(shè)方反饋，該項(xiàng)目減少?gòu)?fù)核及后期服務(wù)變更設(shè)計(jì)時(shí)間約3000 小時(shí)，折合成本400 多萬(wàn)元。

5.2 社會(huì)效益分析

揚(yáng)子江大道不僅僅只是作為一條交通紐帶， 同時(shí)也是濱江風(fēng)光帶的重要組成部分。 隨著居民生活水平的提高，居民外出旅游率越來(lái)越高，旅途上的風(fēng)景也是一座城市的明信片。 采用BIM 技術(shù)，也不僅僅可以做結(jié)構(gòu)分析，而且也可以做景觀分析。 通過(guò)LumenRT 軟件，可以做景觀設(shè)計(jì)和路燈夜景設(shè)計(jì)。通過(guò)各種方案的對(duì)比，可以使得揚(yáng)子江道路工程與周圍的建筑和環(huán)境融為一體， 大大增加城市魅力。

圖11 揚(yáng)子江項(xiàng)目景觀設(shè)計(jì)圖

6 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合工程實(shí)例，運(yùn)用Bentely 平臺(tái)中多款軟件建立了橋梁、道路、地鐵和綜合管廊等BIM 模型。 基于精確的參數(shù)化模型， 對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行復(fù)核， 提高了設(shè)計(jì)的正確性。 通過(guò)BIM 模型來(lái)準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)工程量，用于指導(dǎo)施工過(guò)程中原材料的消耗，最后通過(guò)景觀設(shè)計(jì)與BIM 技術(shù)結(jié)合的形式， 使得道路與周圍環(huán)境融為一體， 更符合生態(tài)原則。 通過(guò)該項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用很好地推動(dòng)了BIM 技術(shù)在市政工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域的發(fā)展及完善。