BIM技術輔助城市快速路設計及協同管理應用

文｜李健 賁慶國

現代化城市道路的設計主要有兩方面的挑戰：一是專業多樣化，即一條道路既要承擔地面交通，又要運輸地下管線，因此空間構造極其復雜。二是與周圍環境相適應，道路的綠化、走勢需與周圍環境融為一體，景觀設計要滿足現代人的審美。采用傳統的二維設計方法，不僅對設計者本身的能力要求比較高，而且設計效率也比較低。

BIM技術作為新興技術，在建筑領域已經廣泛應用，在橋梁領域也逐漸慢慢展開。本文依托揚子江大道快速化改造項目，建立了多專業的BIM模型，探索BIM技術在道路工程中的應用。

工程概況

揚子江大道位于江蘇省南京市鼓樓區和建鄴區（如圖1所示），北起下關大橋，南至河西大街，是南京市規劃快速路網中主城快速外環的重要組成部分。該工程全長7.985km，其中綜合管廊為新建工程，施工范圍北起揚子江隧道南出口接地點，南至河西大街，全長7.24km，項目總投資約32.9億元。揚子江工程項目包括道路工程、橋梁工程、隧道工程、過街通道、綜合管廊工程、排水工程、交通安全及管理設施、照明工程、綠化工程等相關附屬工程。

圖1 項目地理位置

實施技術路線

揚子江大道改造工程具有體量大、專業多、空間結構復雜、數據收集困難等特點。在設計階段主要需考慮兩方面的難題：一是道路沿線服務及到達功能復雜多樣，線型設計受較大制約，與周圍建構筑物及用地的銜接要求緊密，涉及平面、縱斷、橫斷構造繁冗；二是需綜合考慮道路排水等管網配套設施的空間布局，涉及多專業在道路選線方案的縱橫空間及多個控制點間尋求滿足規范的設計施工圖。因此，采用傳統的設計流程將無法滿足工作需求。

本項目借助于BIM技術，構建了市政道路、橋梁、綜合管廊和地鐵等結構的BIM模型，結合4D施工模擬手段和虛擬情境交互（VR）方式，探索將BIM技術應用至市政道路和地下綜合管廊的設計領域的方法。其主要工作技術路線如圖2所示。

圖2 揚子江快速化改造工程BIM工作技術路線圖

結構BIM模型建立

初期支護工程。本工程隧道主體基坑采用SMW工法樁+內支撐的支護結構形式。設計時采用Bentley MicroStation CE軟件建立初期支護BIM模型，如圖3所示。

圖3 初期支護模型

路基隧道工程。該項目設計總體采用主線節點下穿的方案，分別在草場門大街、清涼門大街、漢中門大街和水西門大街各設置一座下穿隧道。隧道敞開段主體結構采用U槽結構形式，暗埋段采用矩形單箱雙孔框架結構。

通過采用OpenRoads Designer進行路線恢復和地模的建立，對原設計進行初步復核。以參數化橫斷的形式，布置路基橫斷面和隧道敞開段與暗埋段橫斷面，以點控制和參數控制來實現道路加寬，隧道變高等特殊節點工程。最終，路基與隧道BIM模型如圖4所示。

圖4 道路與下穿隧道BIM模型

橋梁工程。湘江路通道橋跨徑為34m，橋寬60m，上部結構為PC空心板。該工程屬于改建項目，即是在原有的舊橋基礎上做加寬處理。通過OpenBridge Designer橋梁專業建模軟件，進行橋梁定位、布跨、上部結構設計、下部結構設計，最終組合而成橋梁BIM模型，如圖5所示。

圖5 湘江路橋梁模型

與傳統橋梁計算軟件對比，將該模型導入RM bridge進行結構計算。計算結果表明，與原設計結果在誤差范圍內一致，說明BIM模型可直接用于計算，這將大大提高設計效率。

綜合管廊工程初步設計內容為工程總體設計和配套的結構、電氣、通風、消防、給排水等工程設計，以及綜合管廊內出線管線和配套管線遷改等同步實施工程的設計。根據相關管線現狀及規劃需求，本工程涉及的各市政專業管線包括給水、污水（壓力管）、通信、電力等，管線種類及BIM設計要求如表1所示。

表1 管線種類表

設計采用自主研發的編程工具，對管線CAD圖進行分層處理。通過OpenRoads Designer軟件的公共地下設施模塊（SUE），使原狀地下管線的恢復成為可能，形成電子化的基礎資料以保證數據的準確。對于管廊的主體結構、節點工程及隧道配電室等建筑模型，則采用OpenBuildings Designer 軟件進行建模工作，精細化的設計使設計更加豐滿。最終完成的綜合管廊BIM模型如圖6所示。

圖6 綜合管廊BIM模型

分析應用

結合傾斜攝影模型與主體結構模型進行總裝（如圖7所示），采用LumenRT實時渲染展示，在VR技術的支持下，我們可以以建設者的身份，以第一視角的角度來觀察項目模型，無論是多專業之間的碰撞還是綜合管廊本身的碰撞均可以清晰表達。該技術的加持，可使得BIM模型準確的反映出傳統圖紙所無法表達的信息，同時能夠使參與者親身體驗工程的實際規模，形成巨大的視覺沖擊力。

圖7 總裝BIM模型

效益分析

經濟效益分析。采用BIM技術帶來的經濟效益主要表現在三個方面：一是通過糾正設計錯誤，從而減少設計變更；二是通過設計模型，導出精確地工程量清單，制定了合理的材料采購計劃，減少了材料浪費；三是通過4D施工方案的模擬，一方面可以確定施工計劃的合理性，另一方面對于大型的復雜性工程，可以通過多種方案的模擬來提升施工安全性和施工質量。

以隧道工程為例，對于暗埋段的橫斷面結構尺寸，傳統的設計思路是經驗豐富的設計師通過在腦子里構建3D模型然后再通過2D圖紙的形式進行表達，因此在主路與匝道的合流處與分流處難免會有高程誤差的存在。而BIM模型則可以輕易的暴露這些問題，在設計階段即可解決這些細節上的錯誤，保證施工階段的順利進行。整個項目檢查出湘江路通道橋設計錯誤4處，隧道敞開段及暗埋段設計錯誤21處，管線碰撞多達186處，平交口設計錯誤3處。據建設方反饋，該項目減少復核及后期服務變更設計時間約3000小時，折合成本約400多萬元。

社會效益分析。揚子江大道不僅僅只是作為一條交通紐帶，同時也是濱江風光帶的重要組成部分。隨著居民生活水平的提高，居民外出旅游率越來越高，旅途上的風景也是一座城市的明信片。采用BIM技術不僅僅可以做結構分析，而且還可以做景觀分析。通過LumenRT軟件，可以做景觀設計和路燈夜景設計，如圖8所示。通過各種方案的對比，可以使得揚子江道路工程與周圍的建筑和環境融為一體，大大增加城市魅力。

圖8 揚子江項目景觀設計圖

揚子江大道快速化改造項目運用了Bentley平臺中多款軟件建立了橋梁、道路、地鐵和綜合管廊等BIM模型，基于精確的參數化模型，對原設計進行復核，提高了設計的正確性。通過BIM模型來準確的統計工程量，用于指導施工過程中原材料的消耗，最后通過景觀設計與BIM技術結合的形式，使得道路與周圍環境融為一體，更符合生態原則。通過BIM技術的支持，可提高設計方案的準確性和設計人員的工作效率，同時也可節約工程造價，為實現整個項目后期建設及管養信息化、智能化提供基礎。該項目的實際應用更好地推動了BIM技術在市政工程設計領域的發展及完善。