BI M正向設計在市政項目中的應用

潘國瑞，趙亮

（中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，昆明650051）

1 引言

市政項目具有綜合性強，覆蓋專業廣，受限因素多，方案變更頻繁的特點。在項目推進過程中，經常面臨時間緊、任務重、人員緊缺以及交互不暢導致多次返工等問題。為提高設計效率，建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術雖有一定的應用基礎，但普遍是先通過BIM團隊對設計方案進行理解，然后運用BIM軟件實施建模設計[1]。加之傳統二維CAD圖紙是由幾何圖塊作為圖形的基礎骨架，這些幾何圖塊數據并不能被設計流程的上下游專業重復利用，此方法并未對上述不足進行實質性的改進。采用BIM正向設計，即嚴格按照設計流程，利用BIM技術進行參數化設計，在確定相對穩定的設計方案后將模型導入軟件進行計算，可以充分發揮BIM技術的優勢，將工程項目在不同階段的工程信息、過程和資源集中通過數字模型體現。最終從BIM模型中生產可以交付的設計圖紙。目前，基于BIM技術的正向設計在市政行業中能夠使用的企業為數不多[2]。因此，本文結合多個市政項目的實施和實踐，介紹了BIM正向設計技術路徑的應用過程。旨在通過實際案例中的良好應用效果，推廣BIM正向設計在市政項目中的應用，為市政項目設計人員提供豐富的設計思路與方法，進而提高設計效率。

2 BI M正向設計技術路徑

BIM正向設計整合各專業間的獨立信息，為各專業設計人員提供虛擬的“協同設計平臺”，通過將項目各個階段中的數字信息有效地利用，顯著提高設計效率[3]。BIM技術針對土木、結構、市政工程設計具有直觀可視化、多方協同化、參數標準化、出圖模式化等特點，具有很好的推廣應用前景。推進BIM正向設計，有助于保證各階段的圖模一致性和數據關聯性，從而達到設計、施工、運維一體化的目的。同時，BIM正向設計使多專業作業協同化，有助于提高工作效率，保證產品質量[4]。在BIM正向設計中，選擇交互性較好的三維設計軟件搭建多專業協同作業平臺是實現正向設計的重要保障。

2.1 基于三維設計軟件的協同作業平臺搭建

市場上的三維設計軟件種類較多，主要包括Civil 3D、Revit、Dynamo、Infraworks等[5]。其中，Civil 3D軟件有助于快速完成場地分析、道路選線及管線工程的建模、出圖、計量工作，應用較為廣泛；Revit軟件布置能力強，豐富的族庫調用方便，適用于建筑結構的精確設計；Dynamo是一款便捷的可視化編程軟件，可與多款Autodesk公司的軟件交互，靈活滿足各類需求；Infraworks能夠幫助設計者利用云功能在真實環境中開展建模、設計和分析工作，也可直接導入三維模型，利用其可視化功能，提供豐富的展示效果。上述4款軟件組合應用效果好，交互較好，數據流能在各個軟件之間無損互通。

采用“云服務器+快捷方式”的模式，可有效提高初始資料和各專業中間設計成果的共享度[6]。通過Civil 3D數據快捷方式的形式分類放入中心文件。數據快捷方式提供了對象的完整參照副本，可實現良好的數據交互。此種方式的優勢在于：提高電腦運行速度，避免因模型數據較多而導致電腦卡頓；下游專業僅能參照快捷方式而不能修改，源文件的修改權僅屬于本專業設計者，這樣可有效避免中間成果被誤修改。該模式為項目參與者提供一個完善的協同作業環境，三維模型、二維圖紙以及對應工程量始終保持動態關聯。當邊界條件或設計方案發生變化時，僅需修改源文件，即可實現模型、圖紙、工程量的同步更新。

2.2 正向設計技術路徑

圖1 為BIM正向設計的技術路徑。在三維軟件和協同模式的支撐下，設計人員依據項目地勘、測繪等資料創建三維地質模型和地形曲面，并將其存儲至中心文件。各專業設計人員以快捷方式讀取該成果，同步開展道路、交通、管線、橋梁、隧道等多專業正向設計[7]。正向設計既可在設計階段及時發現專業間的錯、漏、碰、缺等問題，提高設計效率，保證設計質量，又可將模型和圖紙共同上傳至項目信息管理平臺，輔助施工、運維管理，以高效的信息傳遞和便捷的溝通方式解決現場問題。

圖1 正向設計技術路徑

3 BI M正向設計實踐案例

BIM正向設計已在多個市政項目中得到成功應用。按照上述技術路徑，各專業推行正向設計的技術瓶頸可被打通，并取得了較好成效。

3.1 道路工程

以某片區城市道路路網改造項目為例，Civil 3D軟件可快速建立地形曲面，并靈活地完成道路選線。在設計過程中，利用部件創建裝配是道路建模的核心。道路設計人員可參照地形曲面和各路線的平面、縱斷面快捷方式，依據標準橫斷面創建對應的裝配生成道路三維模型。利用Civil 3D中提供的大量預配置部件（具備幾何屬性的邏輯屬性），可更加靈活地進行設計[8]。Civil 3D還具有強大的曲面分析功能，在工程量統計方面優勢明顯。既可利用體積面板快速計算土方填挖工程量，又可結合采樣線使用平均斷面法列表顯示土方量，還可在代碼集中添加付款項目，統計各層路面結構面積、邊坡面積、路緣石長度等工程量。

出圖過程是BIM正向設計的關鍵步驟。設計人員根據需求定制dwt格式的模板。調用定制模板，可依據模型信息，在圖紙布局快速添加標注、標簽，隨后創建圖幅組，生成圖紙集，圖紙集可批量發布二維圖紙。Civil 3D軟件的曲面、路線、平面圖、縱斷面和橫斷面等所有設計信息均來源于道路模型，若方案發生變更，實時修改模型即可。

3.2 交通工程

參照道路工程設計成果，利用Civil 3D偏移路線功能完成交通標線模型的構建，利用“遮罩”功能對交叉口處多余的標線進行處理，標線可與路線的變化保持同步更新。在Revit中創建交通標志、交通安監設施等多種構件的族。通過族的組合，建立交通安監設施各部分三維模型，模型按真實坐標和尺寸導入Civil 3D路網模型進行統一布設。利用Civil 3D自帶插件Vehicle Tracking可進行車輛行駛仿真，路徑檢查等，以此驗證設計合理性。交通專業設計完成后，可將優化意見反饋至道路專業。2個專業在中心文件內相互調用對方中間設計成果，避免了重復建模工作以及資料傳輸和版本管理中的錯漏。

3.3 排水工程

排水工程設計人員可利用Civil 3D的曲面分析功能，進行匯水分區的劃分，利用Civil 3D自帶插件SSA（Storm and Sanitary Analysis）采用模型法進行管道水力計算。此方法可考慮降雨在時空分布的不均勻性和管網匯流過程，比傳統計算方法更加準確與直觀。

根據水力計算確定設計路段管道管徑后，設計人員可通過以下2種方法創建管道模型：（1）根據計算得到的管道坡度、坡長繪制帶高程的要素線，利用要素線創建管網；（2）先設定管道和結構井布置的規則集，選取道路曲面作為管網基準面，通過鼠標拖拽布置平面管網。前者建模效率高，操作簡便，但要素線一個節點只能對應一個高程，無法設置跌水；后者在模型布置中優先使用最小坡度、最小覆土深度等參數，進而減少管槽開挖量。2種方法建立的管網，均可在管網特性中查看管道和結構井的詳細信息。在設置雨水出水口、污水倒虹吸等特殊位置，可手動修改管道和井的標高與尺寸。同時，Civil 3D軟件對可對多個管網進行碰撞檢查，既可生成碰撞分析報告，顯示碰撞數量、零件名稱、位置等信息（見圖2），又可直接縮放至碰撞位置，便于設計人員對管網模型進行進一步的優化。

圖2 管網碰撞檢查

3.4 橋隧工程

橋隧工程主要設計軟件為Infraworks、Inventor和Revit[9]，道路設計人員利用Infraworks的點云技術創建真實的項目環境，將項目周邊環境、地形條件可視化。隨后，橋隧設計人員基于道路專業提供的Civil 3D建立的道路模型，在Infraworks中拾取道路中心線進行橋梁設計（橫坡、縱坡、橋梁中心線、超高）和隧道設計。由于Infraworks自帶的橋梁、隧道構件種類有限，且與國內常用結構形式有區別，可以利用Inventor和Dynamo軟件對橋梁、隧道的特定構件進行參數化定制，并導入Infraworks進行高精度參數化模型建立。Infraworks中的橋梁模型建立完成后，橋梁設計人員將其導至Revit中，對模型進行編輯、渲染、工程量統計等任意角度的剖切出圖工作。

對于隧道工程，設計人員首先參照道路工程的路線平縱快捷方式，隨后創建隧道裝配，沿路中線創建隧道三維模型。隧道出入口可能涉及高邊坡設計，可利用部件編輯器，通過邏輯的定義，實現多級邊坡功能。當路線平縱或隧道尺寸發生變更時，更新模型即可得到道路和隧道工程的最新工程量，進而對設計方案進行優化。

4 結語

設計人員作為模型的生產者，在BIM運行環節中扮演了非常重要的角色。然而，在BIM技術應用中，不少設計企業或人員已經走入“翻模”誤區，習慣于設計人員先用傳統二維軟件做設計并出圖，翻模人員根據圖紙盲目建模。設計方案變更時，二維設計與三維翻模都只能從頭再來。長此以往，BIM技術的應用便只能停留于形式，設計人員也無法發揮其內在優勢。這容易導致設計者對BIM嗤之以鼻，將它看成華而不實的“花瓶”，有礙于BIM技術的推廣應用。如果翻模人員對BIM的理解僅僅停留在幾何建模的層面，便無法從模型中提取有價值的信息，也無法實現三維出圖，效率更是無從談起。

推廣正向設計，可以充分發揮BIM技術在設計階段的優勢，推廣正向設計的關鍵在于提高三維軟件的可出圖性。出圖問題的有效解決才能使得BIM技術真正與工程接軌，不再是中看不中用的“花瓶”，工程設計人員才能真正接納這項技術。從長遠來看，設計企業應著力培養一批既懂專業知識，又精通三維軟件的綜合性人才，結合項目和企業實際，形成標準化、規范化的BIM設計流程，達到既可計算分析又可出圖計量的目的。提高各個專業的三維正向設計水平，積極探索BIM在全生命周期中的應用，不僅能讓設計企業在投標工作中占得先機，而且還有助于承接BIM咨詢業務，為企業帶來更大的效益與競爭力。