基于BIM技術的市政專業設計難點及解決方案

傅楠，周廣翔，魏亦涵

（廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣州 510060）

1 引言

近年來，BIM 技術作為建筑信息化發展戰略的重要組成部分，得到了廣泛推廣。目前，BIM 技術主要應用于建筑工程中，在市政工程中的應用并不常見，尤其是在市政工程設計中，缺乏可全面推廣研究的成功案例。究其原因，除了市政工程本身線性、帶狀、體量大等特點外，還有軟件支持程度低、工具使用成本高等問題。隨著市政行業BIM 解決方案的多樣化和計算機技術的不斷成熟，市政工程設計過程中相應的技術難題也得到了一定的解決。

如張斌[1]使用Bentley 平臺進行三維協同設計，結合三維地下環境進行了BIM 設計應用；上海同豪土木工程咨詢有限公司開發的BIM 正向方案設計實現了常規橋梁的設計與繪圖以及快速建立全橋模型；梁慶學[2]利用歐特克平臺探索建立了復雜市政結構模型；中交第二公路勘察設計院有限公司的王欣南[3]統計了目前階段公路BIM 模型快速創建的不同系統，并在路線設計、智能設計、BIM+GIS、碰撞檢查、輕量化展示等方面對各大系統進行了對比，認為由于軟件不成熟、模型大體量、BIM+GIS 技術融合瓶頸等原因，公路行業BIM 技術水平整體仍處于起步階段。

2 研究現狀

2.1 市政設計現狀

隨著城市的快速發展，作為城市功能重要組成部分的市政工程，發揮著愈來愈重要的作用，對市政設計也提出了更高的要求。相比建筑行業，市政行業設計相對傳統，設計理念缺乏跟隨城市動態調整的思想，尤其是現代城市，更加注重功能性發展，對于市政工程的要求不僅僅限于本體功能，也提出了與城市協調、融合城市發展規劃等要求。由于設計工具的限制，市政設計仍存在內部溝通效率低、外部呈現效果差等問題。目前，市政設計多依靠設計人員的想象與單一表達，各專業傳遞內容依靠二維圖紙及衍生表單，缺乏數據的動態傳遞與響應，從而產生如溝通效率低、問題衍生復雜、執行效率低等問題，導致設計人員無法充分表達設計理念，設計效率和質量均無法滿足建設方要求。

目前，市政工程向著專業、異型、復雜方向發展。主要體現在2 個方面：

1）結構復雜，如道路、橋梁外形構造越來越獨特，傳統繪圖工具在處理這些項目上顯得愈發力不從心；

2）城市景觀要求，設計內容除實用功能外，還要滿足美感要求，需要與周邊環境相協調。

綜上，隨著數字化城市建設，未來市政設計將拋開單一設計模式，需要在信息豐富的三維環境中進行可視化表達。

2.2 市政設計痛點分析

2.2.1 環境匹配性差

傳統市政設計中，由于設計工具束縛，設計中缺少高度變化信息，只能在二維圖紙中用數字標識高程信息。以CAD 地形圖為底板進行線路規劃和設計。該方式由于缺乏直觀高程變化信息和周邊建筑物、構筑物等內容的空間信息，尤其是在當前城市擁有地鐵、綜合管廊，空間立體交叉背景下，設計人員多靠想象與現場勘察獲取的資料進行設計，設計內容與周邊環境的契合度很難滿足要求。另外，城市發展速度較快，設計過程中周邊環境不斷變化，依靠頻繁的現場勘察也是不現實的。

市政工程需考慮整體景觀功能，如人行道、自行車道、橋梁等設計元素，更多地從品質化和人性化角度進行設計。同時，針對城市景觀缺乏問題，城市管理者意將市政工程標志性建筑打造成為城市新風景與會客空間，如城市高架橋，不僅需要考慮其功能要求，也要考慮其造型需求。這也是當前市政設計的一項重要內容。

2.2.2 多專業協同設計效率低

相比建筑工程，市政工程具有以下特點：

2013年1月18日，中國腐植酸工業協會副理事長、新疆雙龍腐植酸有限公司董事長樊金龍一行專程到會，討論“新疆煤炭腐植酸資源調查”事宜。首先，曾理事長針對黨的“十八大”提出的生態文明建設，從精神和物質兩個層面闡述了“生態文明的物質性”與“腐植酸物質的生態性”的關系，指明了腐植酸新產業在生態文明建設中的重要作用。

1）市政工程涉及專業更多，除道路、橋梁、隧道外，還包括軌道交通、給水排水、綜合管廊及燃氣等內容。

2）市政工程設計內容較為豐富，如道路工程，道路中心線為三維曲線，需要從平、縱、橫三方面進行約束，且橫截面往往根據道路功能和用地不斷變化。

3）市政道路變化較多，每隔一段距離需要設置公交站點、交叉口。

4）市政工程設計內容涵蓋地上（高架橋）、地面（道路）和地下（地鐵銜接、管線）部分，空間性較強。目前，設計數據傳遞是通過二維方式進行，設計交付成果為二維圖紙。在這個設計流程中，道路設計為核心。路線確定、道路標高選定后，橋梁、管線才開始進行設計。道路設計錯誤在下游實際是難以發現的，這也給后期施工埋下了隱患，尤其是市政工程施工多在城市，如因設計錯誤導致現場變更，則極易給城市交通造成不可逆的負面影響。

綜上，當前市政設計工作存在兩方面問題：（1）協同過程效率低，無法形成高效集成設計工作模式；（2）設計成果缺乏立體展現效果，校核難度大。

2.2.3 設計缺乏合理性

傳統市政設計普遍存在的一個設計難題是交叉口布置。如果未對路網進行合理規劃、充分估計近期和遠期交通流量，容易導致交叉路口發生擁擠、堵塞等現象，從而造成交通癱瘓等嚴重問題。尤其是隨著城市車輛大幅增長，交叉口擁堵問題變得尤為突出。

對于道路設計，雖然成果滿足設計規范，但是否合理還需要參考設計人員經驗，如車速模擬、視點模擬、景觀模擬，這是二維設計無法實現的。

3 市政設計BIM解決方案

3.1 地形與邊坡

采用Infraworks（以下簡稱AIW）軟件進行路線方案設計。AIW 是方案設計軟件，原理是利用三維GIS 技術對現實世界進行仿真可視化模擬。首先，利用測繪數據形成區域三維地形模型，抓取實景貼圖進行擬合，形成區域三維場景（見圖1），在三維場景中進行線路設計。

圖1 GI S 場景

該設計過程直接在仿真三維環境中完成，具有以下優點：

1）可以充分考慮設計內容與周邊環境關系，明確是否需要占地、遷改、下穿上跨等，合理評估工程拆遷量。

2）可以有效降低后期變更風險，實現控制投資目的。

3）仿真三維設計環境所包含的豐富外部環境信息為設計工作提供了豐富有效的動態數據支持。

4）將AIW 成果繼承至Civil3D 軟件，進行道路平縱橫精細化設計，利用部件編輯器對道路路幅斷面設計并進行裝配，編寫邊坡判斷程序，完成道路與地形邊坡銜接內容。

3.2 BIM協同設計

傳統市政設計鏈接方式相對落后，一般通過CAD 圖紙、表格進行傳輸，此類傳輸文件缺乏直觀的高程信息，需要設計人員仔細核對，但這一過程費時費力，無法滿足現代設計效率及質量要求。另外，各專業協同作業實質上是串聯進行的。利用BIM 設計平臺的三維可視化特點，各專業設計人員可在一個協同設計平臺中進行設計，隨時查看其他專業設計成果及改動情況，以便及時溝通。

3.3 BIM參數化

橋梁工程中的下部承臺、墩、柱具有結構相似的特點，不同的地方在于樁長、樁徑、截面尺寸。對于橋梁上部結構，梁體的中心線是三維曲線，使用傳統方式生成該類模型是相對困難的。上述兩類結構中，一類是大量、相似構件的模型搭建，一類是三維結構的高效呈現，均需要利用BIM 參數化技術實現。

利用可視化編程軟件制作參數化族，進行程序編寫，通過識別表格數據文件，獲取橋梁結構參數，從而生成模型。

以某立交橋為例，橋墩類型有花瓶墩、方墩，承臺類型有單樁承臺、兩樁承臺、四樁承臺。同類構件在結構上具有相似性，在高程、截面尺寸方面存在差異，因此，適合采用參數化族進行模型創建。首先，建立基礎族文件，將可變參數賦予到族內，利用Dynamo 節點組分類提取表格中各類構件坐標、高程信息，實現由數據直接生成模型、賦予材質等信息。橋梁各部分構件均為參數化族，可對所有形體及材質信息實現參數化控制。將族文件進行規范命名、存儲、組織、管理，形成可延續調取使用的BIM 參數化族庫。

3.4 模擬分析

BIM 技術除具有可視化、仿真性等特點，還可以進行模擬分析。市政BIM 模型搭建完成后，利用其可視化特點進行設計校核、仿真分析。

3.4.1 設計校核

利用BIM 模型可進行圖紙圖元“錯、漏、碰、缺”核對，如位置錯誤、沖突。BIM 模型包含高程、位置信息，對于空間設計校核具有無可比擬的優勢。如橋梁凈空核查。

3.4.2 仿真分析

利用AIW 或超圖、鴻城平臺集成所有BIM 設計模型，進行如道路的視野視距分析、淹沒分析、交通流量分析，對設計內容進行科學合理性論證。如在交叉口設計中，根據交通流量優化交通信號燈等待、通行時間，可以達到優化整個交叉口交通組織目的。通過模擬車輛在不同車速下的視點變化情況，能夠提出更為安全的技術方案。諸如此類模擬工作都可以利用BIM 技術實現。

4 BIM解決方案分析

BIM 技術雖然可以解決市政設計中的一些問題，但也需要依賴一定的軟件支持和操作技能；其次，依賴一種軟件解決全過程設計問題是不現實的，除了集成多專業設計軟件外，如Bentley 軟件包，還有一種解決方式是搭建協同設計平臺，各專業設計成果即時在平臺中展示。

另外一個問題是結構設計與BIM 設計尚未打通，如橋梁設計，設計人員采用同豪軟件進行設計及結構計算，與道路、管線所用軟件是完全不同的，這就造成了各專業之間的BIM設計割裂問題。

對于設計人員來說，各種軟件層出不窮，各家軟件公司提出的解決方案各不相同，也就意味著設計人員需要掌握不同軟件，學習成本大幅提高，在當前設計環境下很難完成這一過程轉變。但從長遠來看，BIM 設計又是行業趨勢，這就要求企業一方面需要加快人才培養，另一方面也要盡快完成與行業技術的對接。

5 結語

本文探討了市政設計常見難點，并提出幾點解決方案，解決方案以Autodesk 平臺軟件為主，過程需要的其他軟件未做詳細說明。

市政設計是一個傳統領域，無論是從設計人員專業素質方面還是從軟件發展方面，市政工程進展都明顯落后于建筑行業。市政設計BIM 應用滯后是綜合性的，既有行業特點本身因素，又有傳統觀念束縛。城市建設步伐的加快又進一步提高了市政建設要求。隨著行業對BIM 理念理解進一步加深，BIM 技術進一步成熟，相信BIM 技術會給市政設計帶來更為深遠的價值和影響。