BIM技術(shù)條件下的市政道路橋梁設(shè)計(jì)研究

鄭大偉 嚴(yán) 明

（中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，南京 2 11100）

在市政道路橋梁等城市基建工程項(xiàng)目中，需要對工程的施工環(huán)境及施工過程進(jìn)行全面分析，預(yù)判并解決相關(guān)項(xiàng)目問題。要達(dá)到這一目標(biāo)，以建筑信息化模型構(gòu)建為主要形式的BIM技術(shù)，在市政道路橋梁設(shè)計(jì)中大有用武之地。

1 BIM 技術(shù)基本概述

BIM 技術(shù)即建筑信息化模型技術(shù)，主要是采用三位數(shù)字建模技術(shù)，對建筑物體構(gòu)建可視化3D 數(shù)字模型，然后圍繞建筑主體結(jié)構(gòu)及道路橋梁主要節(jié)點(diǎn)進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及仿真模擬，進(jìn)而使工程及建筑橋梁等能夠在可視化、系統(tǒng)化及模塊化下實(shí)現(xiàn)預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。在國家倡導(dǎo)建造智慧型城市的背景之下，道路橋梁設(shè)計(jì)及施工需要在理念上有所革新，賦予道路橋梁設(shè)計(jì)信息化特征，而BIM 技術(shù)則有效滿足了這一需求[1]。

在具體應(yīng)用上，BIM 技術(shù)在三維模型中將主項(xiàng)及分項(xiàng)工程的設(shè)計(jì)周期、進(jìn)度安排、技術(shù)參數(shù)等信息融入其中，針對道路橋梁項(xiàng)目，在模型構(gòu)建前的繪圖環(huán)節(jié)，結(jié)合CAD 軟件的使用，使道路橋梁設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)更加精細(xì)。在BIM技術(shù)應(yīng)用到道路橋梁設(shè)計(jì)中時(shí)，首先要明確道路橋梁BIM 三維模型各構(gòu)成要素，主要要素如下：橋梁、道路、路橋附屬物、地面模型、隧道、地形地貌、房屋建筑等。這些要素先通過實(shí)體測繪，然后將要素導(dǎo)入到系統(tǒng)中，使用分割法及歸并法進(jìn)行要素的單獨(dú)建模，最后整合拼接成為完整模型系統(tǒng)。

2 BIM 技術(shù)在市政道路橋梁設(shè)計(jì)中的技術(shù)優(yōu)勢

2.1 算量精確，優(yōu)化市政道路橋梁工程整體成本

在BIM 技術(shù)條件下，市政道路橋梁的工程數(shù)據(jù)信息可以被獲取并在模型中體現(xiàn)，如此就為道路橋梁的工程量計(jì)算提供了技術(shù)支撐，在路橋設(shè)計(jì)預(yù)算、施工預(yù)算及后續(xù)管理維保環(huán)節(jié)可以通過數(shù)據(jù)參數(shù)的類比及調(diào)用，提高預(yù)算編制的精度，加快施工管理速率，從而優(yōu)化工程項(xiàng)目的成本支出。具體而言，在BIM 技術(shù)下，道路橋梁設(shè)計(jì)的模式、投資成本、進(jìn)度等基本信息可以隨時(shí)從系統(tǒng)模型中獲取，通過對這些信息的掌握，道路橋梁工程設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)數(shù)據(jù)參數(shù)來對設(shè)計(jì)理念及施工管理方案加以調(diào)整，確保項(xiàng)目在滿足設(shè)計(jì)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，提高項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)出。

2.2 視覺突出，保證市政道路橋梁工程決策質(zhì)量

BIM 技術(shù)提供的技術(shù)解決方案主要借助三維渲染技術(shù)及3D 立體化建模技術(shù)對工程項(xiàng)目進(jìn)行解析，這一過程帶有較明顯的視覺屬性，可以為設(shè)計(jì)人員提供更為直觀的設(shè)計(jì)視野[2]。而在對市政道路橋梁的關(guān)鍵部位，如路基設(shè)計(jì)、支護(hù)工程、橋梁墩臺布局、橋梁受力分析等，通過BIM 技術(shù)進(jìn)行建模，這些部位三維渲染會更具精度和速度。外加上BIM 三維模型具備的參數(shù)化及數(shù)據(jù)化功能，可以對市政道路橋梁設(shè)計(jì)全過程提供決策支持，各個(gè)專業(yè)板塊的設(shè)計(jì)人員在同一平臺上開展設(shè)計(jì)，可以及時(shí)傳遞設(shè)計(jì)成果，對信息數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)共享，如此可降低設(shè)計(jì)失誤概率。此外，由于BIM 技術(shù)條件為市政道路工程虛擬施工創(chuàng)造了可視化環(huán)境，針對市政道路設(shè)計(jì)及施工中的問題也可以通過虛擬呈現(xiàn)的方式展示，進(jìn)而為項(xiàng)目各方協(xié)同設(shè)計(jì)及管理做好鋪墊。

2.3 彌補(bǔ)傳統(tǒng)市政道路橋梁工程設(shè)計(jì)模式弊端

市政道路橋梁在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮到路橋的壽命周期，在設(shè)計(jì)關(guān)頭即考慮到后續(xù)維保管理，避免因設(shè)計(jì)失誤而增加路橋安全隱患[3]。傳統(tǒng)市政道路橋梁工程設(shè)計(jì)過程中，存在不結(jié)合具體實(shí)際盲目套用設(shè)計(jì)規(guī)范及經(jīng)驗(yàn)的現(xiàn)象，在橋梁構(gòu)造上數(shù)據(jù)參數(shù)計(jì)算不到位，道路橋梁的合理性及可擴(kuò)展性不足。而在道路橋梁設(shè)計(jì)圖紙編制環(huán)節(jié)，缺乏多角度及全方位審查措施，一些制約影響路橋壽命周期的參數(shù)及因素未得到及時(shí)發(fā)現(xiàn)，道路橋梁安全隱患事故時(shí)有發(fā)生。BIM 技術(shù)的出現(xiàn)憑借其技術(shù)層面的高精度控制優(yōu)勢，在解決這些設(shè)計(jì)弊端問題時(shí)可形成針對性方案，極大提高市政道路橋梁安全性。

3 BIM 條件下市政道路橋梁設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 市政道路橋梁場地選址規(guī)劃設(shè)計(jì)中的BIM 技術(shù)應(yīng)用

市政道路橋梁工程在立項(xiàng)建設(shè)后，除了在原有路橋基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)建外，如涉及到新修道路及橋梁隧道建設(shè)，首要考慮內(nèi)容要素是路橋工程場地選址規(guī)劃。只有合理選擇路橋工程地址，才能使市政道路橋梁的交通樞紐作用充分發(fā)揮。而場地規(guī)劃狀況也會對市政道路橋梁設(shè)計(jì)質(zhì)量產(chǎn)生直接影響。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式框架下，市政道路橋梁工程場地規(guī)劃設(shè)計(jì)主要采用項(xiàng)目勘察人員進(jìn)入現(xiàn)場勘察獲取數(shù)據(jù)的方式完成，這一規(guī)劃設(shè)計(jì)方式一方面需要大量人力物力，勘察設(shè)計(jì)的效率也受到影響，另一方面采用人工勘察規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)參數(shù)不精準(zhǔn)或存有誤差的情況。為此，要使市政道路橋梁場地規(guī)劃分析兼具效率及精度，可以引入BIM 技術(shù)，對規(guī)劃設(shè)計(jì)進(jìn)行補(bǔ)充完善[4]。

相關(guān)要點(diǎn)有：第一，BIM 技術(shù)對市政道路橋梁工程場地規(guī)劃進(jìn)行高精度展現(xiàn)，主要是通過對設(shè)計(jì)及施工場地范圍內(nèi)的平面元素進(jìn)行提煉，將其在模型中表示出來，達(dá)到一目了然的效果。例如，BIM 可以推進(jìn)道路橋梁的無紙化設(shè)計(jì)及施工進(jìn)程，在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段建模，快速清晰地實(shí)現(xiàn)信息的傳遞，項(xiàng)目方可以大幅節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間。在計(jì)劃表設(shè)置，路橋結(jié)構(gòu)制作及架設(shè)中，如鋼結(jié)構(gòu)狀態(tài)設(shè)計(jì)及安裝，混凝土澆筑都可以被納入到模型內(nèi)。第二，在路橋設(shè)計(jì)及施工各個(gè)階段場地的布置及轉(zhuǎn)換上，要優(yōu)化不同階段場地布置狀況，借助地形勘測軟件對場地建立模型并做好路橋排水系統(tǒng)及標(biāo)高系統(tǒng)的策劃。例如，在地形中導(dǎo)入標(biāo)高方格網(wǎng)，為道路排水及標(biāo)高設(shè)計(jì)提供參數(shù)依據(jù)，避免過多挖填方。第三，BIM 技術(shù)與地理信息系統(tǒng)的結(jié)合應(yīng)用，可以提高路橋設(shè)計(jì)的智能化水平，使用BIM 軟件模擬道路空間及車流荷載量，可對道路等級及具體設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)加以清晰展示，避免傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路下可能出現(xiàn)的信息數(shù)據(jù)不足及精度欠缺問題。第四，在市政道路橋梁規(guī)劃選址后，需要對路橋周邊景觀同步進(jìn)行設(shè)計(jì)，為了保持工程與景觀的協(xié)調(diào)一致，避免工程對周邊生態(tài)造成影響，可以使用BIM 技術(shù)進(jìn)行景觀模型的構(gòu)建，為設(shè)計(jì)人員提供可視化場景。

3.2 市政道路橋梁工程量統(tǒng)計(jì)中BIM 技術(shù)的應(yīng)用

市政道路橋梁工程建設(shè)體量大，涉及到的分項(xiàng)工程多，整個(gè)建設(shè)周期內(nèi)的工程量同步較大，這就給市政道路橋梁工程量統(tǒng)計(jì)增加了難度[5]。為解決這一問題，通過引入BIM 技術(shù)，可以對市政道路橋梁工程量進(jìn)行智能批量化統(tǒng)計(jì)，然后借助路橋工程算量軟件，實(shí)現(xiàn)工程量的自動(dòng)統(tǒng)計(jì)，以確保工程量清單準(zhǔn)確高效。以BIM 技術(shù)為基礎(chǔ)而出現(xiàn)并應(yīng)用的算量軟件較多，例如，斯維爾算量軟件等，通過該算量軟件可以達(dá)到算量模型的快速匹配，然后引用相應(yīng)的計(jì)算規(guī)則，對市政道路橋梁的數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，直至形成路橋工程量清單。比如，在道路橋梁混凝土構(gòu)件工程量核算上，根據(jù)BIM 模型，參考構(gòu)件、清單、選定部位等要素，對道路橋梁工程量進(jìn)行快速計(jì)算，可以輔助工程現(xiàn)場計(jì)量人員快速達(dá)到提量目的。在道路橋梁坐標(biāo)高程的計(jì)算上，一般在路橋設(shè)計(jì)圖紙上僅僅涉及到關(guān)鍵部位控制點(diǎn)的坐標(biāo)及數(shù)據(jù)，如現(xiàn)澆箱梁等，這就需要測量人員做好計(jì)算放樣，工作量較大，外加上匝道線形通常較復(fù)雜，在橫坡部位存在超高變化，從而極大增加計(jì)算難度。借助BIM 技術(shù)條件下的算量軟件，如Dynamo，可以在澆筑箱梁支模之前，對現(xiàn)澆箱梁邊角控制點(diǎn)等間距坐標(biāo)加以數(shù)據(jù)抓取，根據(jù)該數(shù)據(jù)測量放樣，在確保坐標(biāo)正確的前提下，能夠省去人工計(jì)算的時(shí)間成本。在道路橋梁土方計(jì)算環(huán)節(jié)，采用Civil 3D 道路建模，可以結(jié)合具體實(shí)際情況對松散系數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，如此可將土方量直接計(jì)算得出，同步得出道路面層、基層、邊溝等部位的體積及方量。

3.3 市政道路地下管線設(shè)計(jì)中BIM 技術(shù)的應(yīng)用

市政道路多位于城市人流集中區(qū)域，在城市主要道路橋梁部位，前期市政規(guī)劃中敷設(shè)的管線可能需要在道路與橋梁下方穿越，如此就給市政道路工程設(shè)計(jì)增加了管線協(xié)調(diào)的難度，如管線的位置方位設(shè)計(jì)及高程豎向設(shè)計(jì)等。這一環(huán)節(jié)與BIM 技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用主要體現(xiàn)在如下幾方面：首先，在市政道路橋梁初期設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，應(yīng)全面收集有關(guān)管線的信息資料，通過詳盡的信息資料為地下管線的具體敷設(shè)方向、管線類型選擇、管線性能規(guī)格，如管徑大小控制等提供進(jìn)一步優(yōu)化的條件。其次，采用BIM 技術(shù)對市政道路橋梁施工完成后的管線布局進(jìn)行先期測繪，這一過程可以通過3D 模擬的方式實(shí)現(xiàn)。在對模擬模型進(jìn)行分析研究后，結(jié)合地下管線施工圖進(jìn)行印證。第三，針對市政道路橋梁地下管線的BIM 建模，應(yīng)把握一定的原則方法，一般應(yīng)遵循先打后小，自上而下的建模順序，如此能夠降低模型后期修改調(diào)整的難度。為了檢驗(yàn)BIM 模型的有效性，完成建模操作后應(yīng)及時(shí)開展碰撞檢測，記錄碰撞檢測的參數(shù)數(shù)據(jù)，然后形成完整的報(bào)告。第四，在市政道路橋梁地下管線的具體尺寸的測定上，為了提高加工生產(chǎn)效率，降低管線配件的制造加工難度，大幅節(jié)約管材成本，也可以通過BIM 技術(shù)及監(jiān)控平臺對地下管線各元件的尺寸大小進(jìn)行調(diào)控，確定無誤后將尺寸數(shù)據(jù)交由加工制作技術(shù)人員進(jìn)行統(tǒng)一批量制作。第五，采用BIM 技術(shù)著重解決市政道路橋梁地下管線預(yù)埋階段可能出現(xiàn)的質(zhì)量問題及隱患。例如，通過BIM 技術(shù)確定管線預(yù)留孔方位及尺寸，能夠降低預(yù)留孔洞位置不符施工要求的概率，而BIM 技術(shù)在查找管線套管漏埋上也較為便捷快速。

3.4 市政道路橋梁綜合管廊設(shè)計(jì)中BIM 技術(shù)的應(yīng)用

市政道路橋梁綜合管廊設(shè)計(jì)及管理維護(hù)對整個(gè)路橋工程的周期壽命有重要影響。在這一環(huán)節(jié)中，BIM 技術(shù)的應(yīng)用可以貫穿于路橋綜合管廊的設(shè)計(jì)、施工、竣工等全過程階段。具體而言，其應(yīng)用要點(diǎn)如下：第一，在綜合管廊施工圖設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，BIM 技術(shù)可以應(yīng)用于入廊管線施工圖設(shè)計(jì)及管廊廊體施工圖設(shè)計(jì)中。選用BIM 技術(shù)進(jìn)行綜合管廊工程建模，參考施工影響因素，得出施工設(shè)計(jì)圖紙，指導(dǎo)管廊施工。第二，在綜合管廊施工階段，BIM 技術(shù)的應(yīng)用范圍較為廣泛，主要涉及到如下幾個(gè)方面：①對市政路橋綜合管廊施工中所用到的設(shè)備元件，如預(yù)制構(gòu)件等進(jìn)行數(shù)量、規(guī)模、技術(shù)方面的模擬。用3D模型的方式明確管廊預(yù)制拼接制作、檢驗(yàn)、養(yǎng)護(hù)等主要步驟，然后滿足質(zhì)量及技術(shù)條件后，開展施工現(xiàn)場的拼裝吊裝作業(yè)。②管廊施工方案的執(zhí)行及監(jiān)督，尤其是在技術(shù)交接重難點(diǎn)上，使用裝有BIM 可視化模型軟件的移動(dòng)終端設(shè)備，可以針對設(shè)計(jì)圖、施工圖、施工數(shù)據(jù)參數(shù)等進(jìn)行便捷觀察和管理，從而提高市政道路橋梁綜合管廊設(shè)計(jì)質(zhì)量，為后續(xù)的管理維護(hù)打好鋪墊。

4 結(jié)語

市政道路橋梁工程作為城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要內(nèi)容，對城市外在形象有直接宣導(dǎo)作用。隨著BIM 技術(shù)的成熟，傳統(tǒng)市政道路橋梁設(shè)計(jì)弊端及問題得到得以彌補(bǔ)，為智慧型城市的構(gòu)建提供了新的技術(shù)支撐。在具體應(yīng)用BIM技術(shù)時(shí)，應(yīng)對市政道路橋梁設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)加以綜合分析，在主體構(gòu)造、設(shè)備裝置、管線布局等主要方面通過數(shù)字化可視化模型加以預(yù)判，提高路橋設(shè)計(jì)質(zhì)量深度。