BIM技術在市政道路給排水設計中的應用

湛浩森

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，廣東 廣州 510000；廣州京穗勘察設計有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

市政道路給排水系統極為復雜，設計難度也相對更高。因此，在市政道路給排水的設計中引入BIM 技術，可以極大提高工程項目的呈現效果，提高施工管理效率。應用BIM 技術設計市政道路給排水系統，BIM小組參與項目決策及項目管理工作，可以為施工組織方案提供強有力的數據支持，而且能夠在方案設計階段、初步設計階段、施工圖設計階段體現出較強的實踐性和參考價值。

1 BIM 技術在市政道路給排水項目方案設計階段的應用

方案確定階段并不需要直接設計出完整的市政道路給排水線路，而是需要把給排水管線走勢需求和外部環境呈現出來，以便設計團隊和政府部門協同商議后續設計方案的可行性。所以，在方案階段僅為設計框架，后續填充細節內容即可。

1.1 BIM+GIS實景模型

方案設計階段可以利用BIM+GIS 實景模型的方案來呈現設計理念。設計初期，需要對施工場地進行實景再現[1]。為了更好地呈現施工場景，應采用無人機傾斜攝影技術構建周邊環境模型，并利用BIM 模型與實景模型的充分結合，最終直觀反映出市政道路給排水線路的概況，進而為設計階段的空間關系和環境結構指明方向。

1.2 模擬多種復雜工況并渲染效果

方案設計階段可以通過模擬渲染多工況流程環境來呈現設計理念。創建完成方案階段的BIM 模型后，可以導入 Artlantis、VectorWorks、SketchUp 等三維渲染軟件中，從而為設計師呈現多角度效果圖，全方位展示市政道路給排水線路的動畫效果。同時，利用BIM 軟件還可以構建模擬多種復雜工況工藝流程，為項目經理和設計師提供相互溝通的平臺，有利于加強設計師與項目負責人對市政道路給排水設計方案的溝通。

2 BIM 技術在市政道路給排水初步設計階段的應用

2.1 給排水線路總圖設計

總圖是指導各參建單位共同完成施工項目的宏觀方案，在初步設計中BIM 技術可以架構出相對更為完整的工程結構。在市政道路給排水線路總體方案中應用BIM 技術，主要是通過Civil3D 軟件創建給排水線路的地形曲面圖，并對總體施工方案的土方量進行計算[2]。同時可以將設計模型實體化，而后再導入到Revit 中賦予材質界面效果，最后與市政道路給排水線路的相關建構筑物整合在一起，便可以呈現出完整的工程結構。

2.2 建筑物參數化設計

在市政道路給排水設計中，除了要設計出管線方位走勢，還要對相關建筑物進行總體規劃，需要應用BIM 軟件對相關建筑物進行參數化設計。比如，化糞池、加壓泵站、砂濾池，混合絮凝沉淀池、加氯間、反沖洗泵房、鼓風機房、深度處理加工間等等。這些建筑物空間位置和占地面積等詳細的數據資料，均需要通過BIM 軟件進行統一設計。設計師可以通過Grasshopper和Dynamo 等參數化矢量圖編程軟件，對建筑物的各種空間數據進行核算，并最終呈現出標準化水池構筑物的模型圖，如圖1所示。

圖1 排水管線與化糞池的模型圖

2.3 非標構件參數化設計

在市政道路給排水設計中，由于地質環境復雜且工程量巨大，出現了部分非標構件，少數構建需按照工程需求來自主設計[3]。比如，非標管件、非標閥門、非標卡扣等均可以利用BIM 軟件進行設計。設計師可以對非標構件的外形進行初步設計，而后與生產廠家對接，并對非標構件的具體參數和加工要求進行協商，而后通過 Pro/Engineer、UGNX、CATIA 和 Para Cloud 等參數化軟件確定構件各項參數指標，最終再手動擬合非標構件與管道線路的匹配情況。

3 施工圖設計階段的BIM應用規律

3.1 設計全過程協同方案

市政道路給排水項目在施工階段往往存在參建單位較多且施工環境復雜的問題，各部門之間的信息溝通效率也相對較低。而借助BIM 設計全周期施工方案，能夠促進各施工單位的協同作業效率。BIM 模擬平臺可以基于一個可靠的信息源快速進行模型信息提取，在平臺上具體執行命令都可以準確地連接到項目BIM模型上。

設計師可以根據市政道路給排水項目BIM 模型信息來制定項目進度計劃，為所有參建單位提供具體的執行方案，并將施工計劃分發給參建單位，從而確保每一步分項工程都能夠順利開展，最大限度提高現場施工效率和協同作業能力[4]。應用BIM 技術設計全流程施工計劃，需保證各專業間協同效率以及最終的出圖效果。通過在BIM 設計過程中不斷調整設計流程，最終形成可操作性最佳的施工組織方案，并將詳細流程設計為可視化動態展示。進而幫助參建單位理解施工內容和具體細節，并為推進市政道路給排水項目提供可靠的參考方案。

3.2 各階段場控規劃和技術交底

施工之前必須對場地布置進行詳細規劃，否則在施工階段則可能直接影響施工場地的正常開工秩序。尤其市政道路給排水項目的施工場地往往處于城市繁華街道，不合理的施工場地規劃，將導致施工組織混亂且造成環境污染。應用BIM技術建立場控模型，主要是通過三維可視化下模擬施工布置，安排所有分段工程的施工周期，避免對施工場地周圍環境造成影響。通過BIM 場控模型合理規劃施工場地、提前設置施工圍擋、合理規劃材料進場時間和順序、減少材料二次搬運，進而優化施工部署，達到更為理想的施工組織環境。

技術交底是所有施工項目中最為重要的設計環節，由于各參建單位的施工組織方案不同，且可能存在對總設計圖的理解偏差，所以技術交底工作也是極為重要的工程質量安全先決條件。設計師可以利用BIM軟件設計三維可視化施工技術交底方案，從而增強施工組織方案的直觀性。同時應用BIM 技術導出施工橫道圖和施工方案計算書，便于各參建單位核對施工數據。施工單位獲得BIM 流程圖，施工班組會獲得三維可視化的施工技術交底結果，才有利于提高市政道路給排水項目施工質量。除此之外，在技術含量較低的工作中，還可以結合BIM 軟件功能，來加強針對施工單位的監管，如：集中監控、隱蔽工程查看、巡檢管理、設備管理與查詢、水質監測和應急預案等，進而改善技術交底工作中的可視化條件并提高施工管理質量。

3.3 設計關鍵部位標注信息和虛擬呈現

市政道路給排水項目施工復雜度相對較高，尤其在部分關鍵部位，施工組織規劃中必須加強針對性的設計內容呈現，必須在施工圖紙上標注出關鍵信息來引導施工操作，以防出現大范圍偏差。BIM 模型可與施工圖紙集成，在保證市政道路給排水項目模型可視化瀏覽的基礎上，為重要施工環節添加構件屬性信息，如管道的平面位置、管道直徑、長度、坡度，檢查井位置、編號，水流方向等重要信息[2]。從而方便施工單位查看并測量實際施工尺寸，同時還可以在施工圖紙中注釋文字，解釋施工環節中的主要注意事項，進而確保市政道路給排水項目施工中可以達到標準設計尺寸。

在市政道路給排水項目的施工階段，設計圖呈現效果最為理想的是“BIM+VR”沉浸式空間展示?；贐IM VR 的新型技術，主要是利用VR 終端設備來觀看BIM 的空間模型，增強市政道路給排水項目的外在展示效果。施工階段參建單位可以利用BIM VR 觀察圖紙中不易理解的施工內容，可直接選擇與讀取源BIM模型中構件的屬性，如尺寸、材質、功能、wbs 劃分等原始BIM 信息。關鍵是VR眼鏡中模仿了現實環境，可以更好地呈現施工構件、間距測量數據、或者是調整構件的布局等操作。諸如，利用VR設備讀取BIM 模型中構件的凈高數據進行直觀分析，或者是讀取BIM 模型中風管的各項尺寸信息等等。設計師可以在Enscape、Fuzor、Twinmotion 等第三方平臺上運用 ARCHICAD 內置建模功能模塊，無需中間格式傳遞的情況下直接加載場景渲染即可，而后在場景效果編輯器中對部分細節內容進行整理。然后可一鍵啟動VR體驗系統，利用HTCVIVE 及 Oculus 等主流 VR 設備輸出 BIM 源數據的虛擬現實環境，最終可通過BIM 模型導出到VR，呈現可視化的互動體驗效果，讓項目各參與方身臨其境的感受項目建成后的實際情況，從而提高施工單位對設計圖紙的理解力。

4 BIM技術在市政道路給排水設計應用案例

4.1 項目概況

承德縣縣城給排水建設項目，承德縣下板城鎮金牛街、南環路、康寧路、富城路、帝賢家園小區排水出口、迎賓路、珠源北路、干溝河等道路。規模：分別在金牛街、南環路、康寧路、富城路、帝賢家園小區排水出口、迎賓路、珠源北路、干溝河等道路的排水管末端設置智能分流井共計10 座，新增智能分流井與原雨水管道的連接管、新增截污管道320m，新建壓力排水管線220m，在易澇積水點周邊增設雨水口20 座；新增雨水收水管400m，破除瀝青路面及恢復路面面積1818m2，建立智慧運維系統一套，增設智能化終端自控系統，同步實施施工導水，截流等工程，估算額915.5萬元。

4.2 承德縣縣城給排水建設項目BIM設計流程

（1）依據項目地點對市政道路給排水線路規劃的具體功能要求，創建縱斷面圖和橫斷面圖。設計師可以在任意點創建縱斷面圖和橫斷面圖。通過動態橫斷面實時觀察后續設計內容的更新情況，查看地面變化以反映設計編輯，包括地表特征、管道組件、以及管道布線位置可能存在的障礙物，對于重點內容可以提前標記并注釋。

（2）可以參考GIS 地理空間位置信息來確定項目空間規劃是否合理。設計師可以提前將數百個坐標系中標注的地理空間信息集成到初始設計中，也可以通過OGC Web Map Server數據庫存儲部分重要信息，通過對比地理空間信息來鎖定項目位置和管道鋪設距離，尤其對易澇積水點、新增管道位置、以及連接管屬性或材質等重要信息提前標記，避免后續設計中遺漏。

（3）需結合城市空間環境來逐步完善管道路線設計。設計師可以提前到建設項目位置進行地理信息采集，利用BIM 軟件整理勘測數據、實景圖像、點云數據、三維實景模型等關鍵數據信息，并將這些數據信息集成到施工模型中。且必須對施工模型中的管道路線規劃進行重點標記，集成地理空間信息，確保模型的精確地理空間定位，然而卻不能直接顯示出最容易產生積水的路段。所以，為了確保該排水建設項目能夠達到預期排水量的標準，應結合城市空間環境的整體特征，選定積水路面最為嚴重的施工段，以此增強施工設計方案的針對性。

（4）設計師需要對整個雨水和污水管網進行建模。設計模型可以先將建設項目的地理環境信息整理出來，重點描述周邊環境的建筑物結構特征。而后創建、操縱、設計、分析建設項目的雨水和污水管網系統運行效率。操縱平面圖或剖面圖視圖中的管網，顯示排放系統模型，同時觀察與其他公用設施的配置合理性（見圖2）。土石方建模可以使用3D 模擬挖填土石方模型，利用數字孿生模型來精準核算土方量，并通過OpenRoads Designer等建模工具來細化土石方量工作流，實現給排水工程施工效率最大化，并同時節約施工成本。

圖2 地下綜合管線碰撞圖

（5）設計師可依據BIM 工作流導出設計圖的數字化交付成果，如IFC 格式文件。同時可以利用Asset Manager 組件功能進一步完善對市政道路給排水設計方案的數據化呈現效果。在出圖階段，需要完善對工程量和施工時間的具體規劃，這樣可以確保深入了解整體項目績效，以獲得各種分析的最優設計結果，如對排放系統、地形、安全性、坡度、現場可見性、滑水等方面的可視化分析。

5 結束語

綜上所述，BIM 技術在市政道路給排水項目早期方案階段的應用形式，主要是通過BIM+GIS 實景模型，以及模擬多種復雜工況并渲染效果，為施工組織單位呈現工程規劃內容；在初步設計階段中的應用形式，主要是對給排水線路總圖進行設計，而后對建筑物進行參數化設計，對非標構件進行參數化設計；在具體應用環節中，應設計全過程協同方案，完成各階段場控規劃和技術交底，同時設計關鍵部位標注信息和虛擬呈現。在承德縣縣城給排水建設項目中，應用BIM 技術極大地提高了工程項目的呈現效果，對施工組織方案具有重要的參考價值，最大程度上提高了施工管理效率。