BIM技術(shù)在快速路工程中的應(yīng)用研究

王雨蒙

（濟南市市政工程設(shè)計研究院（集團）有限責(zé)任公司，山東 濟南 250101）

BIM技術(shù)在快速路工程中的應(yīng)用研究

王雨蒙

（濟南市市政工程設(shè)計研究院（集團）有限責(zé)任公司，山東 濟南 250101）

隨著國家對BIM政策的引導(dǎo)與支持，BIM技術(shù)在市政行業(yè)的應(yīng)用越來越多。主要介紹了新疆烏魯木齊市東外環(huán)快速路工程的概況、工程特點、難點以及BIM技術(shù)在本工程中的應(yīng)用，闡述了BIM技術(shù)在快速道路工程、高架路工程、隧道工程及地下管線工程中的交通仿真、管線碰撞、動畫演示、工程量統(tǒng)計等方面的幫助作用。此外，還對BIM技術(shù)在市政工程中的具體實施方案和在其應(yīng)用中總結(jié)的經(jīng)驗教訓(xùn)進行了闡述。

BIM；快速高架路；管線

0 引言

BIM技術(shù)最早始于20世紀(jì)末的美國，其應(yīng)用在歐美及日本等地區(qū)發(fā)展迅速。目前我國的BIM技術(shù)應(yīng)用正處于起步階段，應(yīng)用BIM的建筑企業(yè)還不到10%，而在市政行業(yè)中應(yīng)用的更少。但在住建部近日發(fā)布的《2016—2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》中，對利用信息化技術(shù)提升建筑市場和工程建設(shè)監(jiān)管水平提出了具體要求，把BIM列入“十三五”期間建筑業(yè)信息化的發(fā)展重點。

BIM模型的可視化特點可以讓甲方很容易地了解圖紙方案和優(yōu)劣，提出方案調(diào)整意見和確定方案，以達到降低決策溝通成本的目的。還可以有效實現(xiàn)多專業(yè)設(shè)計模型的集成，發(fā)現(xiàn)問題，實現(xiàn)多階段間信息的流轉(zhuǎn)，減少因設(shè)計、施工、運維行業(yè)割裂造成的信息孤島。

目前在國內(nèi)還沒有適用于道路橋梁項目全過程的BIM解決方案，通過本項目可以證明BIM技術(shù)在市政行業(yè)的重要性以及必要性，并建立一套適用于道橋項目全過程的BIM設(shè)計解決方案。在本項目中可以實現(xiàn)部分橋梁構(gòu)件的參數(shù)化，解決項目中的協(xié)同問題以及解決各個軟件之間的數(shù)據(jù)互換問題。

雖然現(xiàn)在BIM技術(shù)還處在初級階段，初次設(shè)計建模時所耗時間和精力較多，對建立三維模型需要配備的電腦硬件配置要求也很高，但是BIM數(shù)據(jù)化的設(shè)計思路和先進理念對項目設(shè)計的質(zhì)量和效率提高起到了顯著作用，在不久的將來它將成為設(shè)計的主流。

1 工程概況

1.1 項目簡介

新疆烏魯木齊東二環(huán)快速路工程，是烏魯木齊綜合交通樞紐的重要組成部分。其主線全長43 km，伴行輔道、繞行輔道合計長度為42 km，還包含高架橋9座，互通立交5座，中小橋6處，通道2處，分離立交9處，天橋7處，渡槽1處及簡易互通1處。

市政管線主要包括電力、通信（含有線電視）、燃氣、熱力、給水、雨水、污水、中水及防洪設(shè)施其他一些管線及設(shè)施。給水管線長約60 km，污水管線長約50 km，雨水管線長約80 km。

1.2 工程特點和難點

為了方便快速地進行選線方案比選，較好地把握工程尺度，進行相關(guān)分析，提高模型重復(fù)利用率，可視化匯報等，確定采用BIM技術(shù)。

BIM設(shè)計的難點主要體現(xiàn)在項目本身的設(shè)計難度和BIM技術(shù)自身的難度這兩方面。烏魯木齊東二環(huán)快速路工程是城市骨架路網(wǎng)上的高等級道路工程，其沿線地面環(huán)境復(fù)雜，經(jīng)過居住區(qū)、河流、部隊駐區(qū)和地質(zhì)塌陷區(qū)等；涉及到的專業(yè)眾多，有交通工程、道路工程、橋梁工程、隧道工程、排水工程、照明綠化等附屬工程，協(xié)調(diào)難度大。

BIM應(yīng)用的難點有：（1）道路等級高、功能全、規(guī)模大；（2）建設(shè)條件復(fù)雜，地面環(huán)境、地下環(huán)境復(fù)雜；（3）專業(yè)多：道路、橋梁、高架、隧道、給排水及通信；（4）缺少道橋項目BIM解決案例；（5）在道路設(shè)計方面，使用Civil 3D的道路設(shè)計模塊。首先確定道路的偏移路線，然后通過橫斷裝配偏移及改變橫斷裝配的裝配形式進行道路建模。由于道路橫斷變化較多，使用Civil 3D的傳統(tǒng)操作進行裝配時工作量大。在局部更改橫斷時，要先拆分道路，再更改橫斷裝配，工作流程繁瑣，見圖1。（6）歐特克BIM軟件套包內(nèi)沒有橋梁模塊，在處理橋梁匝道與主橋相接處，橫向坡度相反過渡無法準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)換。在同一款軟件內(nèi)，不能同時創(chuàng)建箱梁與橋墩，而且還無法解決橋梁的三維配筋問題。（7）在Revit中雖然可以添加下部結(jié)構(gòu)的配筋，但是工作量大，且配筋很難跟整個模型的參數(shù)相關(guān)聯(lián)。（8）在管線設(shè)計中，檢查井的樣式不能自行添加修改，而系統(tǒng)自帶的檢查井樣式，很多又不符合我院的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，這樣給設(shè)計人員帶來很大的不便。（9）現(xiàn)狀管線、建筑物較多，人工建模需要較長時。如果不建成模型無法看出與橋梁的距離、體量關(guān)系，因此需要找到一種批量、快速建模的方法。（10）三維設(shè)計過程中，由于橋梁體量大，管道多，計算機運行速度很慢。（11）目前國家沒有出臺相關(guān)的三維交付標(biāo)準(zhǔn)，三維模型生成的二維工程圖不符合國家現(xiàn)行的制圖標(biāo)準(zhǔn)，影響施工方與設(shè)計人員對BIM的認(rèn)可。

圖1 Civil 3D中道路橫斷裝配

2 BIM組織及應(yīng)用環(huán)境

2.1 BIM應(yīng)用目標(biāo)

通過本工程的BIM實施，建立一套適用于道橋項目全過程的BIM設(shè)計解決方案。

BIM應(yīng)用的目標(biāo)有：（1）道路、高架橋、互通立交組合結(jié)構(gòu)復(fù)雜。通過三維設(shè)計模型，可以檢查道路、橋梁、管線各構(gòu)件之間相互關(guān)系，驗證施工時的可操作性，而且將設(shè)計方案更好的呈現(xiàn)給甲方，使甲方能更好的進行決策。（2）道路線形發(fā)生變化時，道路的平面、交叉口以及管線也隨著發(fā)生變化。進行工程BIM協(xié)同，以滿足工程設(shè)計過程中道路線形、橋型、管線等變化。（3）建設(shè)構(gòu)件庫使模板快速實例化，提高設(shè)計效率。（4）形成可以指導(dǎo)其他類似項目的流程和標(biāo)準(zhǔn)。

本工程中BIM實施的應(yīng)用點有：基于道路曲線的橋隧結(jié)構(gòu)創(chuàng)新建模方法；方案比選；構(gòu)件庫的開發(fā)與應(yīng)用；全專業(yè)協(xié)同設(shè)計；基于BIM的交通仿真；碰撞檢查；工程數(shù)量統(tǒng)計；基于BIM模型的全專業(yè)的二維出圖；Revit環(huán)境下快速建模工具的開發(fā)與應(yīng)用；三維場景虛擬漫游。

2.2 實施方案

使用Civil 3D進行地形數(shù)據(jù)的處理，創(chuàng)建地形曲面，給衛(wèi)星圖片添地理坐標(biāo)。使用ArcGIS軟件進行現(xiàn)狀建筑及現(xiàn)狀管線批量生成；道路、管線使用Civil 3D進行建模，橋梁上部結(jié)構(gòu)使用Civil 3D進行創(chuàng)建，下部結(jié)構(gòu)使用Revit進行創(chuàng)建，并在Revit中進行橋梁模型整合；標(biāo)志標(biāo)牌、路燈（新疆雪蓮燈）等模型統(tǒng)一在Revit中創(chuàng)建完成。

在模型創(chuàng)建完成后，在Civil 3D中進行高程分析、流域分析、視距分析、超高分析等工作；使用Infraworks進行模型整合、方案展示等工作。

工作流程見圖2。

圖2 BIM工作流程圖

2.3 團隊組織

成立BIM團隊，設(shè)置BIM項目經(jīng)理和各專業(yè)BIM工程師，同時還有工程經(jīng)驗豐富的各專業(yè)工程師擔(dān)任專業(yè)技術(shù)支持團隊。人員包含全專業(yè)，具有一定的專業(yè)知識和設(shè)計經(jīng)驗，學(xué)習(xí)能力強，溝通能力好，能夠很好的完成技術(shù)、知識和流程的傳遞，并且能夠幫助他人成長，從而逐步實現(xiàn)企業(yè)向全專業(yè)、全人員、全流程的BIM設(shè)計生產(chǎn)格局轉(zhuǎn)變，見表1。

表1 BIM團隊人員配備表

2.4 應(yīng)用措施

根據(jù)項目的設(shè)計內(nèi)容進行專業(yè)拆分，每個項目組成員分配具體的任務(wù)；依據(jù)建模流程制定協(xié)同模式、工作流程；根據(jù)設(shè)計需求，確定每個成員的工作內(nèi)容、深度、進度安排。

2.5 軟硬件環(huán)境

BIM軟件對于計算機的硬件要求較高，至少使用4核CPU，8GB內(nèi)存，64位系統(tǒng)，獨立顯卡1G緩存，最好有一臺服務(wù)器，以便于運行大型項目。

通過前期的調(diào)研、咨詢與學(xué)習(xí)，本項目決定使用Autodesk平臺的幾款核心軟件進行BIM設(shè)計，主要使用的軟件有 Infraworks、Civil 3D、Revit、Navisworks、ArcGIS軟件。

3 BIM應(yīng)用

3.1 BIM建模

建模涵蓋全線43 km的地形、建（構(gòu)）筑物、橋梁、道路、管線等設(shè)計內(nèi)容。

3.2 BIM應(yīng)用情況

首先，創(chuàng)建地形三角網(wǎng)格曲面，繪制道路中心線和縱斷面，添加道路偏移，然后裝配道路、橋梁管線模型。采用Civil 3D軟件，根據(jù)CAD地形圖中的等高線、高程數(shù)據(jù)點、河流及湖泊位置快速、精確建立數(shù)字地面曲面模型。

由于道路、橋梁中心線都是空間曲線，而且設(shè)計道路寬度頻繁變化、匝道曲面過渡困難、高程依靠樁號，使得Revit等建模工具難以完成橋隧結(jié)構(gòu)的設(shè)計，通過探索，我們將Civil3D和Revit功能進行結(jié)合解決了這一建模難題。

道路模型的創(chuàng)建在Civil 3D中完成。Civil 3D能夠設(shè)計公路、鐵路、溝渠、橋梁或其它任何與曲面關(guān)聯(lián)設(shè)計的地物。平面線形設(shè)計用Civil 3D曲線法定義道路、橋梁、互通匝道線形?？v斷設(shè)計直接在設(shè)計地形上截取現(xiàn)狀地面線，然后進行縱斷拉坡設(shè)計。設(shè)計過程中可以通過實時查看三維模型，輔助項目設(shè)計。

橫斷面主要是根據(jù)道路板塊形式進行劃分，如：快慢車道、綠化帶、人行道等。

Civil 3D道路平面交叉口可以根據(jù)交叉線路不同，設(shè)計不同的交叉口樣式，如T形，十字等?？梢赃M行交叉口、公交車站局部拓寬車道設(shè)計，添加導(dǎo)流道，進行交叉口豎向設(shè)計。

如果修改與道路關(guān)聯(lián)的曲面，如編輯了道路中心線或縱斷面，道路模型會進行實時的更新，減少后期修改模型的工作量。

橋梁通過 Civil 3D的 Autodesk Subassembly Composer編輯創(chuàng)建橋梁的上部結(jié)構(gòu)橫斷裝配，見圖3。在Civil 3D中根據(jù)地形以及設(shè)計需求，調(diào)整橋梁的平曲線、縱曲線，并通過創(chuàng)建出的橫斷裝配，裝配出橋梁上部結(jié)構(gòu)模型，提取出實體。橋梁的下部結(jié)構(gòu)模型以及部分附屬設(shè)施則由Revit創(chuàng)建生成。在Autodesk InfraWorks中進行橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的整合，調(diào)整模型坐標(biāo)，布置附屬設(shè)施。

圖3 橋梁上部結(jié)構(gòu)橫斷模型裝配

參照道路中心線，以及生成的三維地形和三維道路曲面，進行給水、排水、燃氣、熱力、電力、電信等專業(yè)管線的設(shè)計。在道路中心線發(fā)生變化時，參照道路中心線設(shè)計的管線能隨著更新。

三維管線設(shè)計是在實際位置采用真實尺寸建立的模型，設(shè)計過程中，管道可以進行碰撞檢測，調(diào)整管道滿足規(guī)范凈距要求。

對于現(xiàn)狀雨水和污水管管線部分，先通過Excel整理出井編號、坐標(biāo)、管線連接方向、管徑等基本數(shù)據(jù)，整理完成后導(dǎo)入ArcGIS進行二次處理，最后導(dǎo)入InfraWorks中生成管線三維模型。

使用Civil 3D生成的道路、橋梁、管線模型可以與Infraworks等軟件進行交互展示，更好地體現(xiàn)設(shè)計意圖。

在項目前期，專家一般關(guān)心線形走向和設(shè)計規(guī)范參數(shù)，業(yè)主則關(guān)心占地面積、拆遷和工程造價，而公眾更關(guān)心環(huán)境問題，利用BIM進行不同方案的比較，BIM技術(shù)完整地展示了方案的技術(shù)特點，可以更容易地被專家、甲方和公眾理解，解決了專業(yè)人士與非專業(yè)人士的溝通問題，提高了方案決策的科學(xué)性。

城市交通問題十分復(fù)雜，交通仿真能夠分析在出行需求、車道特性、交通組成、交通信號等約束下道路交叉口的交通運行情況，幫助提高交通設(shè)施利用效率，確定合理的道路斷面和交叉口形式。基于BIM模型的交通仿真分析解決匝道、交叉口的設(shè)計問題，可以避免基于經(jīng)驗設(shè)計有可能產(chǎn)生的交通擁堵問題，節(jié)省投資。

在道路上行駛的車輛，視距是影響交通安全的重要指標(biāo)，通過行車視角漫游模擬真實環(huán)境，使街景舒適美觀，兩側(cè)建筑物、山體對行車視距、視角不遮擋，交通設(shè)施布置更合理，發(fā)現(xiàn)規(guī)劃、設(shè)計中存在的不合理之處，從而幫助規(guī)劃、設(shè)計部門快速進行改進?；贐IM模型的視距分析，可以高效、準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)并解決問題。

4 運用效果

BIM技術(shù)應(yīng)用后的效果有：（1）完整建立項目周邊地面和地下環(huán)境，減少傳統(tǒng)設(shè)計有可能產(chǎn)生的設(shè)計變更；（2）實現(xiàn)同一平臺上的協(xié)同設(shè)計；（3）能夠完成精確的三維模型，進行良好的三維展示；（4）能夠利用三維模型檢查錯誤，提高設(shè)計質(zhì)量；（5）道路、橋梁、管線一體化設(shè)計，統(tǒng)籌考慮相互之間的位置關(guān)系；（6）實現(xiàn)了部分橋梁構(gòu)件的參數(shù)化，將加快今后類似工程的設(shè)計速度；（7）依據(jù)交通仿真分析，提高了方案的科學(xué)性和合理性；（8）通過交通安全分析，合理的設(shè)置標(biāo)牌和標(biāo)線，提高安全和舒適性；（9）通過凈空分析使用，最大限度的降低了工程高度，節(jié)約造價；（10）可視化的方案展示，更容易被專家、業(yè)主和公眾理解，從而提高了方案決策的科學(xué)性。

5 總結(jié)

5.1 創(chuàng)新點

BIM應(yīng)用的創(chuàng)新點有：（1）橋梁、道路、管線基于坐標(biāo)、平縱曲線、樁號在BIM中準(zhǔn)確定位；（2）實現(xiàn)橋墩、柱子等參數(shù)化；（3）BIM分析優(yōu)化設(shè)計方案；（4）解決了現(xiàn)狀管道、設(shè)計排水管道、壓力管道導(dǎo)入到AIW中存在的問題；（5）解決了橋梁、道路、管線的項目協(xié)同設(shè)計問題；（6）解決了AIW中交通標(biāo)線問題；（7）解決了Arcgis中建筑材質(zhì)問題；（8）解決了道路橫斷變寬的過渡問題；（9）解決了匝道與主橋銜接問題；（10）探索出交叉口豎向出圖；（11）實現(xiàn)現(xiàn)狀建筑、現(xiàn)狀管線批量、快速建模；（12）打通多軟件之間的數(shù)據(jù)傳遞。

有些方法為我院獨創(chuàng)，有力地促進了BIM項目設(shè)計質(zhì)量和速度。

5.2 經(jīng)驗教訓(xùn)

該項目比較復(fù)雜，工程體量過大，項目前期未能做出更為合理的細分，導(dǎo)致計算機運行速度降低，影響了工作效率。

目前國內(nèi)還沒有建立起B(yǎng)IM模型檢查的制度和規(guī)范，也沒有模型檢查的有效軟件工具和方法。既缺乏有效的模型檢查手段，又缺少可行的模型檢查標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)在主要是依靠人工的審查方式對模型的幾何及非幾何信息進行確認(rèn)，由于沒有模型檢查的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，檢查中的錯誤和遺漏、工作效率低等問題難以避免。

U412.37

B

1009-7716（2017）04-0226-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.067

2017-02-08

王雨蒙（1992-），女，山東濟南人，助理工程師，從事建筑設(shè)計工作。