市政道路工程BIM正向設計應用研究

摘要：針對BIM技術在市政道路工程正向設計過程中存在的問題，文章以興安盟經濟開發區風電產業園道路工程項目為例，研究市政道路BIM正向設計流程方法。通過道路工程、交叉工程、給排水工程、涵洞工程等專業在BIM正向設計關鍵技術方面的研究，提出基于Civil 3D及Revit的多專業三維動態設計、校核、出圖方法。工程應用結果表明，通過BIM技術可實現多專業協同設計、土石方算量、從模型中導出圖紙等，打通了從設計到出圖的全流程，實現了模型數據的流轉，推動了市政行業的數字化轉型。

關鍵詞：BIM技術；正向設計；市政工程；三維出圖；設計校核

中圖分類號：U412.1+2A591985

0引言

自2016年起，我國相繼頒布相關政策推動基礎設施建設全要素、全周期的數字化。2021年，國務院印發的《國家綜合立體交通網規劃綱要》中提出，到2035年我國交通基礎設施的數字化率要達到90%。BIM技術作為基礎設施全生命周期信息的載體，是推進建筑業數字化轉型的關鍵。因此，提高BIM正向設計能力，推動BIM模型在全生命周期的應用符合基礎設施數字化的發展要求。

道路工程BIM正向設計是指從項目草圖設計階段至交付階段，全過程由BIM三維模型完成，交付內容是三維模型及基于模型剖切生成的圖紙。各參建方通過準確且帶有信息的模型進行溝通，能夠打破傳統行業間信息傳遞壁壘，實現多向信息交流，提高設計交底工作效率，減少設計變更。此外，BIM正向設計交付也為下游單位提供了很多有用的信息，優化的設計方案對工程進度、質量以及建成后的使用效果、經濟效益等方面都有著直接的影響。

1正向設計的思路方法

BIM正向設計與傳統道路設計最大的區別，為基于BIM平臺可以實現多專業的協同設計校核、信息的綜合調用及流傳，其主要流程如圖1所示。在項目前期制定各專業統一的建模標準和項目樣板；在方案設計階段，基于Infroworks、Civil 3D等軟件進行道路整體方案設計選線及原始場地分析；完成路線設計后，各專業在各自的本地文件進行方案設計，主要包括道路平面、縱斷面、橫斷面設計、平面交叉口設計等，并基于部件編輯器進行路基路面設計，基于Revit軟件進行路基結構、橋涵、管線等具體構造物設計，并將設計成果上傳至統一的BIM中心文件，進行集成碰撞檢查分析及可視化設計校核［1-2］；平臺反饋問題后，各專業繼續在本地文件進行模型深化設計并同步上傳至平臺進一步校核，直至施工圖設計完成；通過Civil 3D軟件進行土石方量統計，并通過Civil 3D軟件快速生成道路平面、縱斷面、橫斷面圖紙，通過Revit快速生成橋梁、涵洞等結構物三維圖紙。通過正向設計，實現了全過程設計信息自動留存，方便多專業設計人員更直觀、高效地進行集成設計［3］。

2BIM正向設計實踐案例

2.1工程概況

興安盟經濟技術開發區風電裝備制造創新示范產業園道路工程設計施工總承包項目位于烏蘭浩特市東南20 km，全長14.378 km，包含主線和連接線。主線全長13.220 km，其中新建段長度為8.738 km，改建利用段共4.482 km，連接線全長1.158 km。該路段主要服務大型風機運輸，對道路設計有特殊要求。此外，項目工期緊、任務重，涉及多專業交叉頻繁，對施工控制要求嚴格，迫切需要借助BIM正向設計，提高多專業協同能力，確保工程質量。

2.2BIM正向設計準備

BIM設計需要在多文件、多專業間進行文件數據信息共享、并向施工、運維階段傳遞信息，因此統一、規范的模型數據規則將極大地提高工作效率和成果質量。基于興安盟項目特點，充分考慮后續在施工、運維階段的需求，形成本項目的模型命名規則及模型細度規則。

命名原則考慮各專業特點，主要包括8個部分，名稱組成見表1。根據不同應用階段及應用要求，模型構件的命名選取不同字段組成。此外，項目還定義了模型的拆分規則及各階段模型細度規則，在后續路線、路基路面、橋涵管線設計過程中，嚴格按照命名及拆分規則對模型進行標準化設計，為模型檢索及后期模型向施工運維傳遞奠定基礎［4］。

2.3BIM正向設計

2.3.1總體設計

進行總體設計之前，首先要建立地形曲面。建立方法主要有兩種：（1）將無人機航拍形成的點云數據導入Infraworks軟件進行設計建模；（2）將等高線、高程點在Civil 3D軟件中進行三角構網，形成地形曲面再貼圖。接著進行曲面分析，將地理信息模型導入Infroworks軟件進行項目總體方案設計，將規劃路網信息、土地利用信息、道路、水域、村莊、現況管線等項目相關信息集成，形成區域路網圖，如圖2所示，清晰展現項目周邊情況。基于包含多方面信息的三維地形、地物曲面，可以輔助設計人員快速進行路線方案設計，對路線、結構物的合理性進行動態分析比選。

2.3.2路線設計

在Civil 3D軟件中進行道路設計，其實和傳統的緯地、EI、鴻業等傳統路線設計軟件很類似，便于設計人員熟悉和操作。和傳統設計一樣，先進行平面線形設計，本項目采用的是導線法。直接通過夾點編輯功能，快速完成選線。Civil 3D軟件在平面設計過程中，支持基于規范的路線設計，可以快速依據規范要求對設計方案進行檢查［5］。

在完成平面設計后，系統會依據道路曲面自動繪制目標曲面縱斷面，為設計人員提供參考。本項目在縱斷面設計時，考慮周邊規劃道路、已建道路標高的影響，將相交路口和環島作為高程控制點。添加完控制點后，通過“快速縱斷面”功能，可以自動完成縱斷面設計。設計的主要依據是高程控制點、規范要求的最大縱坡、最小縱坡等。設計人員通過夾點編輯功能調整豎曲線的長度和半徑后，即可快速完成縱斷面的細部設計優化。見圖3。

2.3.3路基路面

路基設計首先要確定路基橫斷面形式，在Civil 3D軟件中將其稱為“裝配”。道路模型是通過橫斷面裝配串聯起來的。本項目依據設計需求通過部件編輯器完成了興安盟項目道路裝配設計，包括裝配設置詳圖（如圖4所示）。通過橫斷面裝配在目標曲面上進行放坡，并通過控制裝配沿線的加密情況完成路段的道路模型創建。本項目由于部分利用舊路，同一條道路涉及多個橫斷面，通過部件編輯器分別設計新建段裝配及連接段裝配形式后，快速完成全路段路基橫斷面設計［6］。

在進行路面結構設計時，通過部件編輯器可以以三維形式更清晰地展現路面各層材料及厚度，如下頁圖5所示。利用建立的路面結構模型可生成道路實體模型，通過制作路基圖表模板，以參數化形式實現程序自動生成圖表，極大提高了生產效率。

2.3.4交叉工程

本項目在交叉口設計過程中主要考慮加鋪轉角半徑是否滿足風機運輸最小轉彎半徑的特殊需求（根據風電企業中廣核產業園提供的《葉片參數及運輸條件的要求》，路線轉彎半徑≥60 m）。通過Civil 3D軟件“自動交叉口建模”工具，可以按需求完成交叉口的自動創建，該功能基本可以滿足所有常規平面交叉口的設計工作：（1）創建交點，選擇兩條需要建立交叉口的道路，確定交叉口交點，路線需要已經完成平面與縱斷面的設計；（2）進行交叉口相關信息的設置，確定道路的優先級、相交道路加輔轉角參數、車道坡度、加輔轉角縱斷面參數裝配等內容后，即可自動生成平面交叉口［7］。本項目依據需求對加鋪轉角進行編輯修改，修改之后數據會動態更新到平面圖與模型中，如圖6所示。

Civil 3D軟件修改完成的交叉口模型可以導入Infraworks軟件中進行路口渠化設計，并以車輛動態的視角模擬不同階段的行車狀況（如圖7所示），以此驗證方案合理性、輔助設計方案比選及項目評審論證。此外，通過平臺可以輔助設計人員動態進行導改方案的設計，生成多階段動態導行方案，有效提高設計效率，保證設計質量。

2.3.5涵洞工程

在Civil 3D軟件中進行場地分析及匯水分析，基于人行過街需求和排水需求，確定涵洞的位置及具體結構形式。通過可視化設計，確定全線涵洞的數量及點位，包括過街通道11道、機耕通道1道、排水通道2道。在Civil 3D中提取出對應的位置、高程參數，導入Revit軟件中，通過Dynamo參數化的方式完成混凝土蓋板涵的設計建模（如圖8所示），清晰展示橋涵通道端部八字墻位置結構，精確統計材料用量，提高設計效率和成果質量。

完成涵洞設計后，可以將路線、路基、路面等專業的設計成果一同導入Infraworks軟件中集成，從全局的角度進行涵洞位置形式設計校核。涵洞的設計成果也能及時反饋給總體、路基等專業，實現了全專業協同校核以及數據的留存和共享。

2.3.6給排水工程

本項目隨道路新建一條給水管、一條污水管。（1）依據給排水需求，確定給水管和污水管管徑。在Civil 3D軟件中依據標準化流程設定，按項目需要選定所需的管材及接口，設計給水管道管和污水管的管頂覆土控制在2.2 m左右。（2）完成設定后，系統會沿路線快速建立給水、污水管線。（3）在完成管線建立后，還需要在管道沿線預留給水支線及污水支線，通過自定義設定菜單欄，可以快速輔助設計人進行手動添加［8］。

完成全部的給排水管線BIM模型建立后，平臺會自動生成管道、閥門、彎頭等材料的工程量清單，將給排水管線模型導入Navisworks軟件，可以快速進行碰撞檢查（如圖9所示），并同步生成碰撞分析報告。設計完成后，將管線模型導入Infraworks軟件集成（如圖10所示），輔助設計人員更清晰、直觀地查看各類管線的布置情況，更準確地對設計成果進行把控及優化，提高設計質量，最大限度減少資源成本浪費。

2.4BIM正向設計應用

2.4.1BIM土石方算量

道路路基主體模型是不規則的，傳統軟件土石方量計算原理是通過分段計算棱柱體體積的方法獲得。分段的細度對工程量的精度有很大影響，但Civil 3D軟件可以直接生成道路實體，實現土石方量的精確計算和提取。具體的計算流程主要分為四步（如圖11所示）：（1）設置采樣線與采樣線編組；（2）定制土方量標準；（3）土方量計算；（4）生成材質報表［9］。

通過Civil 3D軟件土石方算量，不僅可以保證項目中土方計算的精度，還能通過定制土石方標準，快速生成材質報表，在直觀有效開展土石方挖運分析與運算的基礎上，實現土方平衡計算的精確化與精細化，對項目成本管控有重要支撐作用。

2.4.2BIM出圖

在完成路線設計后，通過Civil 3D軟件可以實現平縱橫快速出圖。平面設計完成后，設定好出圖樣板，本項目采用的是上下兩個視圖（如圖12所示）：上面和傳統二維圖紙類似，方便展現具體尺寸標注；下面同步三維模型，更形象立體。縱斷面設計出圖是根據設計需要自定義縱斷面出圖樣式和特性，通過出圖向導快速完成（如圖13所示）。當縱斷面發生調整時，所出的相關圖紙會聯動改變。和縱斷面出圖類似，橫斷面設計出圖也通過出圖向導，確定橫斷面出圖范圍、高程區間、數據欄標注樣式等，快速完成橫斷面圖紙集的創建。創建完成的圖紙可以實現與模型聯動，極大節約了圖紙反復修改的時間［10-11］。

涵洞等類似結構物出圖主要在Revit軟件中，需要設定好統一的圖框和模型剖切的斷面，控制尺寸大小，確保同一構件的同一位置，尺寸在不同視圖能夠保持一致。當完成設定后，之后的出圖可以直接應用此樣板，省去重復工作。在發生設計變更后，僅需對模型修改，所有視圖對應尺寸自動修改，不再需要對每個視圖進行尺寸校核，規避了傳統方式的人為修改誤差，提高了出圖效率。基于前述模型剖切方法，出具本項目的涵洞圖紙如圖14所示。

3結語

本文以興安盟經濟開發區道路工程為例，探索了道路、涵洞、給排水等專業BIM正向設計的實現路徑，提出了各專業正向設計的思路方法，實現了各專業可視化設計校核、碰撞檢查、三維出圖等，有效排查工程設計問題，取得了較好的效果。

BIM正向設計也存在一些問題，如Civil 3D軟件適合做道路、管線等線性結構物的設計，但在盲溝、蓋板溝等特殊結構物建模方面功能薄弱，要更好地完成設計需要借助多款軟件。由于軟件間的坐標系不一致、數據格式不統一等問題，使得軟件間無法實現精準、全面的數據互通，這些問題是后續需重點攻克的方向。

參考文獻

［1］劉海強，張科超，王少華.基于BIM技術的道路平面定線算法研究［J］.市政技術，2021，39（10）：17-19，23.

［2］張志清，金雪峰，肖書影，等.基于BIM的道路地質地面信息模型構建及應用［J］.公路，2021，66（2）：28-34.

［3］唐韜.BIM正向設計在高速公路互通立交工程中的應用［J］.城市道橋與防洪，2021（6）：321-323.

［4］潘國瑞，趙亮.BIM正向設計在市政項目中的應用［J］.工程建設與設計，2021（19）：138-141.

［5］吳文勇，焦柯，童慧波，等.基于Revit的建筑結構BIM正向設計方法及軟件實現［J］.土木建筑工程信息技術，2018，10（3）：39-45.

［6］沈伯昭，顧大鵬，葉煒，等.BIM+GIS技術在復雜山區公路選線中的應用研究［J］.交通科技，2021（1）：80-83.

［7］黃亞棟、劉闊、郭雨鑫.基于公路工程設計BIM系統的高速公路正向設計［J］.交通科技，2020（6）：71-73，84.

［8］羅惠云，張寧，鄧京楠.市政給排水工程設計標準化研究［J］.中國給水排水，2022，38（6）：67-71.

［9］鄒婷婷，陳志東，鄭峰.BIM自動設計算量綜合應用——以廣州南沙時代大塘村項目為例［J］.中國勘察設計，2022（S1）：50-53.

［10］張曉斌，霍晉波，雷偉，等.BIM技術在市政工程中的綜合應用研究［J］.市政技術，2022，40（2）：201-204.

［11］周鑫，范華冰，王偉，等.正向設計逆向突破——武漢東湖·阿麗拉酒店BIM正向設計的實踐與探索［J］.中國勘察設計，2022（S1）：54-57.

作者簡介：雷運良（1987—），助理工程師，研究方向：路橋管理。