BIM技術在市政道路工程施工圖設計階段的應用研究

谷 健，余 鵬，王 敏

中國市政工程西南設計研究總院有限公司，四川 成都 610000

傳統(tǒng)市政設計行業(yè)采用CAD等二維平面設計軟件進行建模，并通過大量文字輔助說明的方式解釋工程方案。這種方式的弊端是非專業(yè)人士很難全部理解，且表達效果不佳，影響設計效率和后續(xù)工作質量?？紤]到市政工程自身施工環(huán)境復雜，多層結構如立交、高架、下穿道路繁多等特點，這種傳統(tǒng)的平面設計結合效果圖及文字說明的設計方式亟待革新。因此，采用一種更加直觀、形象的表達方式是市政設計行業(yè)一直期望的。

BIM技術又稱建筑信息模型，它可以將建筑的設計、施工等各種信息整合于信息數(shù)據(jù)庫中協(xié)同工作，提高效率、節(jié)省資源，以實現(xiàn)施工可持續(xù)發(fā)展。如今，BIM技術日趨完善，這種新興技術給許多傳統(tǒng)土木工程行業(yè)帶來了革命性的改變。

BIM技術是建立在已有的計算機輔助設計軟件之上的集成式的多維模型信息技術。BIM模型作為可承載建筑工程物理及功能信息的數(shù)字化、可視化載體，常被應用于項目的全生命周期管理中。完整的BIM模型是通過各部門設計人員將各自專業(yè)的設計部分完整、協(xié)調地整合到一個特定的工程項目信息模型中得到的。

BIM的三維可視化模型技術可以通過特定的視點、速度對整個工程模型進行全景式的漫游，營造出虛擬現(xiàn)實效果，針對工程項目有一個直觀、清晰的展示。在市政道路工程施工圖設計中應用BIM技術，可以有效地克服傳統(tǒng)市政道路設計的種種弊端。

1 研究思路

市政道路工程施工圖設計階段涉及的專業(yè)繁多，包括道路、結構、排水以及交通設施。可見，實現(xiàn)市政道路可視化建模的關鍵是如何建立各專業(yè)的獨立模型，并將這些模型整合在一起。研究主要基于Bentley系列軟件對道路工程部分進行建模，主要內容有地理環(huán)境、道路平縱橫、路面結構、綠化帶、路燈、行道樹、排水、交通設施等。具體的創(chuàng)建流程如圖1所示。

圖1 道路工程建模創(chuàng)建流程

具體而言，道路工程模型涵蓋的范圍分為線路、路面、路基模型。線路工程的主要內容包括線路的空間位置、幾何線形、橫斷面布置與模型的組合空間占位等。模型單元包括平面線段、平面直線段、平面圓曲線段、平面緩和曲線段、縱面線段、縱面直線段、縱面圓曲線段、里程段、橫斷面組合體、機動車道、非機動車道等。路面工程模型的主要內容由路面的分幅情況確定，包括路面采用材料情況、具體的結構組合情況、計算以及驗證內容等。路基工程的內容有力學參數(shù)的驗證，如彎沉值指標、壓實度參數(shù)、路基單層厚度參數(shù)、地基加固中加固樁的設計工法及計算、細部結構的明確與精度的提升等。另外，排水設施工程的范圍包括排水管道的空間位置確定、排水設施組合、排水溝的數(shù)量位置及材料的確定、排水系統(tǒng)細部構建設計、碰撞檢查等。橋梁結構工程的主要內容是計算定義橋梁規(guī)格、確定橋面結構形式及材料、確定橋墩橋臺的結構形式及材料、確定橋梁在線路的空間位置，以及線路與橋梁的過渡設計等。

2 工程案例分析

2.1 工程概況

順河路道路位于成都市郫都區(qū)郫筒街道，道路建設場地西臨郫溫路，東接蜀信西路，北臨中信大道，南接蜀信路一段，道路呈東西走向。道路現(xiàn)狀為農(nóng)田等未開發(fā)地塊，規(guī)劃為住宅、綠地等。

此次根據(jù)規(guī)劃道路紅線開展道路設計工作。工程為城市次干道，道路全長892.656m，設計實施長度為862.267m，道路規(guī)劃紅線寬度為24m，兩側設人行道，人行道寬3m。道路起點與郫溫路相交，道路終點與蜀信西路相交，東臨擬建的郫都區(qū)人民醫(yī)院，交通便捷。場內地形平坦，各孔口相對高程在557.04～564.37m。地貌單元為岷江水系Ⅰ級階地。

此次研究涉及的是施工圖設計，設計部分是K0+000～K0+354.221段道路工程。

2.2 道路模型創(chuàng)建

（1）地形模型的創(chuàng)建。提取初步設計階段圖紙中的高程信息點，導入Bentley OpenRoads軟件中，生成空間三維三角高程網(wǎng)，如圖2所示。

圖2 地形模型的創(chuàng)建

（2）線路模型的創(chuàng)建。道路平面設計可參考一般的道路設計，常用的方法有曲線法及導向線法。生成道路平面線形后，可進一步設計道路縱斷面，具體流程是根據(jù)第一步所創(chuàng)建的地形模型及平面線形提取出道路中心線處的自然標高，之后通過初步設計階段的縱斷面坡度數(shù)據(jù)和豎曲線要素進行拉坡設計。道路橫斷面設計則是按照設計需要，提前設計標準路基、路塹橫斷面參數(shù)，通過線路中心線的空間位置以及三維地形自動生成道路橫斷面模型。另外，BIM設計把路面結構也整合到了橫斷面設計中。BIM技術在線路工程方面相較于傳統(tǒng)設計方式的優(yōu)點如表1所示。橫斷面結構圖如圖3所示。

圖3 橫斷面結構圖

表1 BIM設計與傳統(tǒng)設計對比

（3）交道設計。線路設計過程中有與既有線路交匯的部分，這就涉及BIM的交道設計，Bentley軟件的交道設計只需輸入兩條線路的平縱橫位置信息、車輛車速控制信息，即可自動輸出合理的過彎半徑，并依據(jù)過街距離的合理性增設渠化島和過街島。

（4）立交設計。先確定立交的空間位置，即平縱橫參數(shù)的確定，這點類似于道路設計，但是為了保證后續(xù)縱斷面檢驗通過，要盡量注意控制立交道路交匯處的縱斷面設計標高和坡度保持一致，不能出現(xiàn)懸空或者坡度突變的情況。城市立交入口應該根據(jù)設計規(guī)范、行車速度、道路等級情況對出入口的坡度和曲線半徑等參數(shù)進行合理調整，主線分合流處的位置、半徑，以及各類車道的幾何空間尺寸也同樣應該根據(jù)道路的設計參數(shù)做出相應合理的調整。

2.3 排水系統(tǒng)模型創(chuàng)建

市政道路排水專業(yè)BIM模型主要包含雨污水管道和各類檢查井。

（1）排水系統(tǒng)平面設計。根據(jù)市政單位的城市污水處理規(guī)劃圖，對比前文步驟中道路設計的部分高程位置，規(guī)劃出合理的排水管線布置的平面位置。平面設計完成后應結合相關規(guī)范及工程計算結果，對管道尺寸、材料、空間位置等參數(shù)進行初步調整，之后將設計的管道與既有的檢查井連接起來（通過雨水口連接管）。

（2）排水系統(tǒng)縱斷面設計。排水系統(tǒng)縱斷面設計是基于地面縱斷面設計的，無論是豎井圖號的選擇，還是對于選定斷面的繪制功能，都需要有相應的節(jié)點在路面縱斷面上的坐標。具體的管道縱斷圖設計可分為如下步驟：定義管道坡度→定義管道標高→雨水口連接管道標高→管道標高交互設計。完成上述豎向設計之后，還應該利用Bentley軟件的碰撞檢查功能對排水系統(tǒng)的管網(wǎng)空間位置進行檢查，以避免管網(wǎng)相互碰撞等不合理現(xiàn)象的發(fā)生，使之滿足規(guī)范要求。

2.4 橋梁結構模型創(chuàng)建

（1）市政高架、立交橋梁設計。與排水設施相同，都是在道路的空間平縱橫位置確定的基礎上進行建模。首先應該確定的就是橋梁上部橋面以及下部橋墩橋臺的結構形式，并通過確定結構形式來定義橋梁的規(guī)模。橋梁規(guī)格定義的子步驟依次是防護欄桿的定義、主梁形式的定義、橋面結構方案的整體設計、橋梁下部墩臺的規(guī)格設置。通過以上的設計，即可確定橋梁上下部分組成形式及組成內容。確定橋梁形式和組成之后，還應該在線路中定義橋梁的部分，主要流程是定義橋梁分幅，設計橋梁的起點和終點以及起終點的樁號，根據(jù)路面高度定義橋梁的跨度、高度與跨徑。

（2）過街天橋模型設計。過街天橋模型設計類似于市政橋梁的BIM設計，也分上下部分。設計的第一步是定義中軸線，之后進行橋面梁的尺寸控制，確定橋底的限制高度與建筑限界，定義橋墩的空間位置和幾何參數(shù)，設計天橋兩側梯度參數(shù)，最后進行裝飾物等的設計。

2.5 模型渲染

模型渲染采用Bentley公司的LumenRT軟件。將上述建立的信息模型導入渲染軟件中，并在渲染軟件中調整設置模型的材質、位置、環(huán)境、場景后進行渲染，最后的效果如圖4所示。

圖4 渲染效果圖

3 結束語

文章通過工程案例分析，研究了BIM技術在市政道路工程施工圖設計階段中的應用思路以及具體的實施流程。運用BIM的三維可視化技術可以直觀地查看工程項目的相關信息，將市政道路工程施工圖設計方案全方位、直觀、真實地展現(xiàn)出來，一改往日市政設計的復雜且平面化的設計模式，為后續(xù)高效率的施工奠定基礎。同時，BIM的多專業(yè)信息整合功能便于市政工程的信息交互與儲存，相當于構建了模型數(shù)據(jù)庫。