BIM技術在市政道路設計中的應用

黃炎 任娜娜 湯蘇衡 劉雪松

摘 要：本文以雄安新區市政道路設計工程為依托，詳細介紹了以鴻業路易軟件為工具，創建三維數字地面模型、道路模型和交通工程模型的技術路線，總結了快速添加設計工程信息和制作雄安工程項目數據（XDB）的技術流程，提出了四層級BIM設計與應用流程。介紹了在實際項目中BIM+GIS設計方案展示、復雜節點的深化設計和設計成果的數字化交付等應用，提高了設計質量，體現了BIM技術在市政道路設計中的獨特優勢。

關鍵詞：BIM;CIM;道路設計;數字化交付;雄安新區

0 引言

隨著市政工程項目規模越來越大，工程各部分三維空間關系越發復雜。市政道路設計內容點多面廣，設計難度越來越高。 “精工慢活”正逐步替代“短平快”，成為市政道路設計的主流需求[1]。BIM（Building Information Modeling）技術以數字三維模型為基礎，集成了建筑工程信息，應用在市政道路設計中，能夠實現設計意圖精確表達，具有強大的分析和模擬能力，完成精確快速計量，實現各專業高效協同，是解決市政道路設計難題的重要手段[2]。

市政道路BIM設計軟件，主要分三類：第一類是Autodesk、Bentley和CATIA等大型軟件平臺的系列產品，第二類是基于前者進行的二次開發產品。這兩類軟件產品，由于學習成本較高，投入產出比低，本土化研發進度慢等制約因素，并沒有在設計人員群體內形成自發應用的源動力。第三類是基于傳統道路設計軟件，貫徹BIM的理念，結合國內工程特點，順應各專業設計流程，適應中國本地化設計習慣，深入開發的本土BIM軟件。典型如金思路路線專家系統、同豪土木公路工程BIM設計系統、鴻業路易等。這類BIM軟件，很大程度上填補了傳統BIM軟件在市政設計領域的短板，并因其高效率和專業性，取得了市場的認可[3]。

本文以鴻業路易道路BIM設計軟件為基礎，探究BIM技術在市政道路設計中的應用。研究BIM模型快速創建流程，實現設計成果數字化交付，并實現與數字城市CIM（City Information Modeling）平臺的融合。在此基礎上，探索基于市政道路BIM模型，進行方案驗證、復雜節點空間分析、數字化交付等BIM應用工作，從而提高工程設計質量。

1 工程概況

河北雄安新區某配套市政道路工程，含5條主干路，9條次干路和55條支路，道路里程總長73.2公里。市政道路設計需要兼顧地下綜合管廊，統籌協調電力、通信、給水、燃氣、雨污水等各類市政管線，同時考慮地下通道在道路紅線范圍內的豎向關系，提出合理的道路及綜合管線實施方案。此外根據雄安新區智能城市建設專項規劃，要求匯聚城市空間數據，集成涵蓋規劃、設計、建造、運營等全生命周期的建筑信息模型，建設城市信息模型CIM平臺，發展數字鏡像城市。因此要求設計成果按照相關交付標準，完成三維模型的創建，屬性信息的添加，實現設計成果的數字化交付，并與雄安CIM平臺良好融合。

2 技術路線

根據工程需求，本項目BIM設計及應用由四個層級組成。第一級是工程環境的搭建，以地形圖、激光掃描、衛星影像、航空攝影數據、勘探鉆孔數據等為基礎數據，創建三維數字地面模型（DEM）和地質模型，作為BIM設計的基礎環境;第二級是市政道路及其他專業工程設計，設計的過程即工程數據庫的搭建，同時也是BIM模型創建的過程;第三級是BIM模型的應用，根據項目需求，完成方案驗證、空間分析、工程量計算等應用，并根據應用結果優化設計;第四級是設計成果的數字化交付，由工程數據庫導出所需圖表，并根據雄安CIM平臺相關技術要求，將設計成果模型轉換為雄安工程項目數據（Xiong’an database， XDB），實現與雄安CIM平臺的融合，BIM技術應用流程如圖1所示。

3 道路BIM模型的創建

3.1 數字地面模型創建

三維數字地面模型是道路設計的基礎，是構建道路BIM模型的三維環境。通過航空攝影、機載激光雷達等勘察技術，采集到地面高程信息[4]。通過軟件的曲面功能，將等高線、點云、激光雷達掃描勘測數據進行三角構網，建立地形曲面，形成數字化地形[5]。對高分辨率衛片、航空攝影影像數據進行整合，并與數字化地形進行匹配，形成項目的DOM 數據，為后續三維設計提供真實直觀準確的環境。

3.2 路線設計

路易雖然提供了完善的路線設計工具，能夠滿足絕大多數情況下的路線設計工作，但在多團隊、多人員協同設計的情況下，設計人員使用的路線設計工具五花八門，數據格式也多種多樣，不利于設計成果的數字化交付[6]。利用豐富的數據接口，可以將多源設計數據成果，包括地形圖、路線總體圖、路線縱斷面圖以及多種路線數據文件等設計資料，轉化為路易路線項目文件，獲取項目道路的平面、縱斷面、超高等設計信息，從而快速構建路線信息模型。

3.3 道路設計

根據《雄安新區規劃建設BIM管理平臺交付標準》對道路專業模型單元分類和編碼規則，將城市道路的模型結構分為三級，分別是項目級、功能級和構件級，所表述的道路結構構件也逐步細化。根據模型單元組成，定義不同等級道路準橫斷面，創建道路板塊方案。通過沿路線放樣生成道路的路基、路面模型，實現參數化快速建模。軟件會根據路線交叉情況自動生成參數化平交口模型，用戶根據設計原則，調整平交口設計參數，或者在平面視圖中拖拽平交口的輪廓，實現對道路平交口模型的修改。軟件會自動將設計信息寫入BIM模型，并賦予材質和貼圖等。通過創建各條道路模型和平面交叉模型，通過拼接和整合，最終得到完整的片區路網模型，如圖2所示。

3.4 交通工程設計

完成市政道路的交通工程模型創建，主要包括各種交通標志標線、標牌、護欄和公交車站等。標志標牌主要反映布設具體位置、標志外形尺寸和標示內容。車道線準確反映布設情況，車道線寬度、分流和合流走向;護欄準確反映外形尺寸和布設位置。交通工程模型以反映內容、形式和位置為主，不反映細部尺寸、基礎和混凝土內部細節。附屬設施模型主要包括各種路燈、電桿、交通信號燈、智慧交通設施等。添加交通工程及相關專業模型后的道路總裝模型如圖3所示。

3.5 模型信息添加

完成工程模型創建后，為保證模型信息符合雄安CIM平臺的要求，按照《雄安新區規劃建設BIM管理平臺數據交付標準》賦予模型屬性信息。對道路模型，建模完成后，軟件將對應的屬性與模型構件自動進行掛接。完成屬性掛接后，利用雄安XDB制作工具，分別將道路、橋梁和隧道模型、綜合管廊模型以及管網模型以XDB文件格式導出。利用雄安新區BIM管理平臺方提供的XDB自檢軟件完成模型自檢，并生成自檢報告。根據自檢報告提示內容，修改模型及信息。通過將道路、橋梁、管廊、管網等各專業的設計成果轉換成統一的XDB數據格式，即形成可交付的數字資產，從而實現設計信息傳入到數字雄安CIM平臺，為數字城市建設提供基礎的數據信息。

4 模型應用

4.1 GIS+BIM設計驗證與展示

雄安新區市政道路、綜合管廊、給排水工程區域沿線存在多處控制性節點，方案設計除需要考慮道路自身交通功能外，還應兼顧協調與沿線各種基礎設施、環境保護和周邊現有交通的關系。在三維數字地面模型基礎上，按照《雄安新區市政工程 BIM 模型成果技術指南》，對本項目的設計道路、橋梁、管廊等工程對象及周邊環境的建筑、路網、鐵路、高壓電塔等進行建模，即得到本項目GIS+BIM全專業數字沙盤，如圖4所示。借助三維數字沙盤，實現各種設計方案的可視化，供項目參與各方人員對方案進行論證，實現方案的快速展示和設計深化。

4.2 復雜節點深化設計

傳統圖紙一般只展示了平面或者縱面在幾個關鍵點處剖視圖，不能全面、直觀反映設計是否滿足設計安全凈空和間距要求。利用BIM 模型所見即所得的特點，對復雜節點設計成果進行碰撞檢測，可提前發現空間關系沖突問題，實現設計圖紙的三維校審，從而有效避免多專業構件的沖突與碰撞，防止設計錯誤傳遞到施工階段或造成安裝工程的返工。利用BIM模型，檢查地下結構的空間排布、道路交叉口管線的交叉與對接的沖突，并對管道設施進行碰撞檢測，顯示出管道碰撞點，并反饋給設計進行管線綜合優化設計（圖5）。同時，通過施工模擬等應用，能夠直觀地反映項目的施工組織，有利于把控項目施工期間的風險、成本和進度。

4.3 設計成果的數字化交付

CIM是以城市信息數據為基數，建立起三維城市空間模型和城市信息的有機綜合體。從范圍上是大場景的GIS數據+小場景的BIM數據+物聯網的有機結合。與傳統基于GIS的數字城市相比，CIM將數據顆粒度細化到城市內部所有構件，將傳統靜態的數字城市升級為可感知、動態在線、虛實交互的數字孿生城市，為城市敏捷管理和精細化治理提供了數據基礎。雄安CIM平臺的建設，在規劃階段可實現規劃評估、土地管理、可視化設計、天際線分析、交通分析、投資測算、地價大數據預測等功能;在建設階段，可管理工程進度，提升質量安全管理能力;在運維管理階段，CIM集成平臺為城市精細化管理提供數字底板基礎設施，打破各物聯平臺和IOT設備之間的系統壁壘，實現安防、消防、停車、能源的可視化管理。

參考文獻：

[1]余萌.BIM技術在市政道路設計中的應用研究[J].四川建材，2016（2）：149-151.

[2]白宇，陳晉.公路工程BIM應用現狀與技術特點淺析[J].低溫建筑技術，2020，42（9）：135-138.

[3]高書克.BIM技術在市政道路設計中的應用[C].全國工程建設計算機應用大會，2014.

[4]黃炎，丁璁，何魯鄂.傾斜攝影測量技術在舊城改造工程中的應用[J].土木工程，2018，7（3）：381-388.

[5]陳光，薛梅，劉金榜，等.一種市政道路BIM設計模型與三維GIS數據集成方法[J].地理信息世界，2018（3）：90-94+98.

[6]金爾仲.BIM技術在市政道路設計中的應用研究[J].江西建材，2016（15）：141-142.