基于BIM技術的市政道路設計方案優選分析

鄧瑋熙

（中機國際工程設計研究院有限責任公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

市政基礎設施建設是一項涉及城市道路、橋梁、地鐵等管線的專業建設項目。隨著BIM技術在市政基礎設施建設領域的應用水平日益成熟，市政工程項目的整體技術架構也從二維設計轉向三維模型。將建筑、施工設計等各類信息集成到BIM信息數據庫中，利用BIM技術完成三維建模，最終生成施工信息模型，可提高市政工程的施工效率，并大大減少各階段工程信息不均的問題。

1 BIM技術概述

1.1 BIM技術的基本概念

BIM指將項目中涉及的具體數據信息作為變量，通過對數據進行分析與處理，最終生成目標項目的3D模型[1]。NBIMS將其定義為一個3D模型的信息資源共享平臺。而我國《建筑信息模型應用統一標準》（GB/T51212—2016）[2]指出，BIM技術是一種能夠在整個設計、施工、運營和管理等工程項目生命周期內，完成功能和物理特性信息表達的技術。

1.2 BIM技術的主要特點

1.2.1 統一性。無論科技水平如何發展，一個特定的項目不可能僅由一個專業的人員完成。項目建設涉及多個學科，內容復雜，注重統一性。由于技術上的限制，人們通常根據自己的專業類別完成項目工作的一小部分。在工作過程中缺乏有效的溝通和信息共享機制，增加了項目管理的難度。然而，通過BIM技術三維建模可確保所有參與工作的人員都能對項目的最終效果形成統一的理解。因此，統一性是BIM技術最重要的特征。

1.2.2 集中性。從以上分析可以看出，同一個項目涉及多個學科，所以工程設計離不開多專業的合作。如果采用傳統的信息溝通機制，很難保證項目不同階段的所有信息都能夠收集完整，還會出現很多重復性的管理問題。不同專業領域的項目人員在同一個BIM技術平臺完成各自的工作，對于各個環節的項目資料進行集中性的存儲，對于各個部分的施工進度也進行集中，可降低項目負責人收集數據資料的難度。

（1）信息共享性。項目的實施是一個過程。從上一個流程的完成到下一個流程的部署，依靠有效的信息溝通機制來實現相關數據和信息的高效流動。BIM技術的應用改變了傳統的溝通方式，所有信息都可以在同一個模型中傳輸、下載和更新，極大地提高了信息溝通的流暢性。

（2）信息壓縮性。所有信息的存儲和共享都由專業人員在同一平臺上完成，專業人員只需建立和修改與其專業相關的信息，即可實現信息的有效壓縮。

（3）信息關聯性。組件信息的關聯性增強，方便了模型的后續修改。例如，在城市道路設計中，施工環境復雜，傳統的二維圖紙難以準確表達空間特征。所以，可通過3D模型顯示道路的功能和物理特征。

2 BIM技術在市政道路設計中的優勢概述

2.1 提高市政道路設計模型的完整性

BIM的三維建模能力很強大，BIM技術不僅能夠非常簡單地制成三維地形圖，從此圖中可清楚地看到地形的實際高程情況。除了可以展示道路設計的具體效果，BIM技術建立的三維市政道路模型還包含了許多其他信息，如線路信息、路基路面信息等物理和幾何工程信息，以及工程造價信息、施工技術和進度管理等信息。與傳統的設計理念相比，它更加完整。

2.2 加強不同階段設計信息的關聯性

隨著項目的進展，難免需要修改BIM三維模型中的數據。但即使修改了數據，也不會影響下一階段工作的正確性。因為在進行數據信息修改時，BIM技術會將其他不同階段的相應信息進行矯正，使其重新形成新的關系。這種自動矯正數據并與整體匹配的功能，減少了設計人員的工作量，降低設計模型的錯誤率。

2.3 實現設計方式的可視化

BIM之所以比傳統CAD更適用于市政道路設計，在于它的可視化特性。BIM技術強調對設計中各個要素的清楚呈現，關注項目的整體性、功能性以及效益性。基于BIM技術的市政道路設計方案，不僅僅是一個簡單的三維圖形，還搭載了工程各方面信息和數據。此外，在3D信息模型中加入時間維度，還能夠得到一個可以反映工期變化的4D模型；繼續在4D模型中加入造價成本維度，就能夠得到一個可以反映造價信息的5D模型[3]。

3 實際工程中的BIM道路設計平臺比選

3.1 工程概況

H市某城市道路位于該市郊區，道路呈東西走向。道路現兩側為農田等未開發地塊，計劃用于住宅和綠化。該項目按照規劃紅線（寬度24m）進行道路設計。該項目為城市次干道，項目實施長度858.977m。道路中部設置綠化帶，兩側設置人行道。綠化帶寬度為5m，人行道寬度為2.5m。道路施工現場地勢平坦，現主要研究K0+000～K0+355321段道路工程項目的設計部分。

3.2 BIM道路設計平臺與比選

3.2.1 常用BIM道路設計平臺

業內現在常用的BIM軟件，基本以Autodesk和Bentley平臺上的BIM系列軟件為主。其中，Autodesk平臺上的BIM系列軟件多用在民用建筑。而Bentley平臺目前擁有的專業軟件數量最多。因此，設計人員在進行大型基礎設施項目的設計時，更青睞Bentley平臺上的BIM系列軟件。

（1）AutoCAD與MicroStation的對比

Autodesk中的AutoCAD軟件最有代表性，其多見于二維繪圖領域，但3D建模能力很差。Bentley系列軟件中的MicroStation功能與AutoCAD類似，但其3D建模能力更優。但由于MicroStation進入中國市場較晚，本土化程度較差，也沒有足夠全面的技術支持服務，因而其受眾不及AutoCAD。

（2）Autodesk與Bentley平臺各自的優勢與劣勢

Autodesk的用戶界面友好度以及本土化程度方面的表現都優于Bentley，更易于上手和使用。兩個平臺均擁有完整的生態系統，且平臺使用也都對外開放。國內與Autodesk建立友好合作關系的企業為緯地、金思路等；Bentley則主要與北京跨世紀軟件技術有限公司合作。

操作方面，Autodesk中的大多數軟件僅支持單一的文件格式，在道路工程項目設計時，需要在Autodesk中切換多軟件進行。而Bentley中軟件采用的都是dng格式，使用過程中無需切換軟件和數據格式轉換；真正實現了“不同用戶在同一平臺，使用同一模型，共用同一數據源，完成項目全生命周期工作”。且Autodesk處理大容量模型與數據的效率不如Bentley；對于電腦的硬件要求也高于Bentley。

（3）Autodesk與Bentley平臺各自的主要BIM軟件

Autodesk中的BIM系列軟件主要有Civil3D、Revit、NavisWorks、Infraworks等軟件。Bentley中 的BIM系列軟件主要有Powercivil、OpenRoad、BridgemasterModerler等軟件[4]。

Autodesk系列軟件中的Civil3D作為土木專用的BIM軟件，多適用于路線和路基的3D建模繪圖。主要具備設計場地與縱橫路線、計算土方以及道路測繪等功能。最終生成數字地形模型，實現道路設計。Bentley系列軟件中的Powercivil對標Civil3D。與此同時，Powercivil也是目前市面上唯一一款可以進行市政隧道設計的軟件。

目前，國內外均有不少采用Autodesk或Bentley平臺中的BIM系列軟件成功完成道路建設項目建模設計等工作的案例，文章整理了近幾年較為典型的幾個案例，如圖1所示。

軟件平臺的選擇是開展道路BIM設計工作的基礎。文章將使用Autodesk中的BIM軟件完成該項目道路建模流程的方法，稱為BIM設計方案一；將使用Bentley中的BIM軟件完成的，稱為BIM設計方案二。

3.2.2 兩種方案比選

（1）BIM設計方案一

Autodesk平臺中的BIM系列軟件多用于規模較小的民用住房設計。因其投資少、回報快，在中小企業中很受歡迎。對于此次項目來說，采用BIM設計方案一，意味著很難只使用Revit一種軟件單獨完成設計工作，必須要使用其他軟件進行協助建模。

第一步，初步設計數據導入Civil3D后構建地質地形模型與道路的平縱橫三維線性。第二步，將所得結果導入Revit地質模型中。由于軟件本身的局限性，此方案生成的模型不能反映道路交叉口和互通式立交的實際情況，對道路的一些特殊位置（如路橋交匯處、涵洞通過位置等）沒有進行有效處理。因此，BIM設計方案一必須借助Dynamo的參數化組件，對路面、路基等專業細部進行編程。

（2）BIM設計方案二

Bentley的BIM系列軟件是針對不同行業的一個相對全面的軟件類別，主要用于復雜的項目。它的設計理念不僅關注某一部門的設計，更關注設計的整體性，因此大型企業經常用Bentley的BIM系列軟件完成市政項目中的道路建模設計。大型企業在軟件的選擇上，不會僅局限于軟件的使用成本，更考慮該軟件能否支持各個部門的大量人員同時設計一個規模較大的項目，實現各個部門之間的信息無縫交換；同時每個部門都可以高效、順利地完成自己的部分。對于此項目來說，BIM設計方案二相對簡單，只需要OpenRoad一種軟件即可。

第一步，根據設計需要，預先設計標準路基和路塹橫斷面參數。第二步，將初步設計階段的高程點控制信息導入OpenRoad，即可自動完成空間三維三角高程網的生成工作，獲取縱斷面坡度數據和豎曲線要素。第三步，提取道路中心線處的自然標高，然后利用第一步獲取的數據和元素完成拉坡設計。第四步，將第一步中預先設計的參數，應用于線路中心線的空間位置和三維地形中，就能夠自動生成道路橫斷面模型。

3.2.3 方案一和方案二的對比與總結

從以上比較可以看出，BIM設計方案二中，對于參數的設置更為簡便，只需要設置關聯性強的參數，生成的信息量較少。對于BIM設計方案一而言，一旦項目規模增加，需要進行相關參數的調整，將會使得Revit生成的信息量呈現幾何倍數增長。

在軟件互通性方面，盡管Revit和AutoCAD都屬于Autodesk，但它們在軟件體系結構和數據格式方面存在很大差異。而MicroStation作為Bentley平臺的底層開發軟件，其所有BIM系列軟件，都是在Micro-Station圖形功能的基礎上進行二次開發獲得的。

綜上所述，BIM設計方案二更適用于處理文中的市政道路設計。然而，國內用戶多習慣使用Autodesk，如果采用BIM設計方案二，就需要項目相關設計人員從頭學習Bentley中所有BIM系列軟件的使用和開發。目前，我國基于BIM設計的市政道路之路才剛剛開始，應加快推進市政道路工程BIM技術應用標準體系建設、積極推廣Bentley平臺中BIM軟件的使用開發，助力市政道路工程的發展。

4 結語

文章介紹了BIM技術在市政道路建設工程中的意義，從Autodesk平臺與Bentley平臺眾多BIM系列軟件中挑選出BIM設計方案一與BIM設計方案二。結合H市郊區的某條城市道路K0+000～K0+355321段道路工程項目的實際設計案例，分別對基于BIM設計方案一與BIM設計方案二的城市道路建模流程方法做了具體描述。對比發現，BIM設計方案二更加適用于該項目中道路工程項目BIM建模，為其他類似的城市道路設計提供了技術參考。

BIM作為一種新興技術，它的出現，市政道路設計注入了全新活力。BIM軟件平臺種類繁多，設計師應當充分掌握不同平臺中的BIM技術，才能在不同的使用場景選擇出最優的BIM設計方案，從而最大化發揮BIM的優勢。