基于BIM技術(shù)的市政專業(yè)設(shè)計(jì)難點(diǎn)及解決方案

呂喬

重慶市設(shè)計(jì)院有限公司 重慶 400015

引言

近年來，BIM技術(shù)作為建筑信息化發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，得到了廣泛推廣。目前，BIM技術(shù)主要應(yīng)用于建筑工程中，在市政工程中的應(yīng)用并不常見，尤其是在市政工程設(shè)計(jì)中，缺乏可全面推廣研究的成功案例。究其原因，除了市政工程本身線性、帶狀、體量大等特點(diǎn)外，還有軟件支持程度低、工具使用成本高等問題。隨著市政行業(yè)BIM解決方案的多樣化和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷成熟，市政工程設(shè)計(jì)過程中相應(yīng)的技術(shù)難題也得到了一定的解決。

1 應(yīng)用BIM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

在設(shè)計(jì)技術(shù)方面，BIM技術(shù)是將三維模型作為核心，在這一模型中對數(shù)據(jù)進(jìn)行集中存儲，項(xiàng)目圖紙僅是三維模型在二維形式上的表達(dá)方式；在展現(xiàn)設(shè)計(jì)成果方面，BIM技術(shù)可以通過直觀、形象的三維方式對建筑形體進(jìn)行呈現(xiàn)，這就方便了各方之間的溝通和交流；在具體設(shè)計(jì)流程方面，BIM技術(shù)可以對整個設(shè)計(jì)流程的每個環(huán)節(jié)進(jìn)行全面分析，讓各方都能夠參與到項(xiàng)目的各個階段，從而進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)方案的質(zhì)量；在實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)價值方面，BIM技術(shù)憑借自身三維模型信息的全面性，不僅能提高設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)質(zhì)量，還能夠?qū)ㄖ沙掷m(xù)、節(jié)能環(huán)保等方面的功能進(jìn)行有效完善。應(yīng)用BIM技術(shù)能夠構(gòu)建工程三維模型，同時融入成本控制與施工進(jìn)度，構(gòu)建5D模型，能更加全面地反映工程實(shí)際情況，幫助管理人員實(shí)現(xiàn)工程的可視化管理與實(shí)時跟蹤，可以更好地配置資源，保障工程順利開展。BIM技術(shù)還可用于施工交底，借助BIM技術(shù)可視化的特點(diǎn)，幫助施工人員更好地掌握施工重點(diǎn)難點(diǎn)，解決施工技術(shù)難題。涉及市政工程管理的多個部門，可借助BIM技術(shù)的可視化以及動態(tài)進(jìn)行有效溝通，使各部門工作更加協(xié)調(diào)[1]。

2 BIM技術(shù)的市政專業(yè)設(shè)計(jì)難點(diǎn)

2.1 環(huán)境匹配性差

傳統(tǒng)市政設(shè)計(jì)中，由于設(shè)計(jì)工具束縛，設(shè)計(jì)中缺少高度變化信息，只能在二維圖紙中用數(shù)字標(biāo)識高程信息。以CAD地形圖為底板進(jìn)行線路規(guī)劃和設(shè)計(jì)。該方式由于缺乏直觀高程變化信息和周邊建筑物、構(gòu)筑物等內(nèi)容的空間信息，尤其是在當(dāng)前城市擁有地鐵、綜合管廊，空間立體交叉背景下，設(shè)計(jì)人員多靠想象與現(xiàn)場勘察獲取的資料進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)內(nèi)容與周邊環(huán)境的契合度很難滿足要求。另外，城市發(fā)展速度較快，設(shè)計(jì)過程中周邊環(huán)境不斷變化，依靠頻繁的現(xiàn)場勘察也是不現(xiàn)實(shí)的。市政工程需考慮整體景觀功能，如人行道、自行車道、橋梁等設(shè)計(jì)元素，更多地從品質(zhì)化和人性化角度進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時，針對城市景觀缺乏問題，城市管理者意將市政工程標(biāo)志性建筑打造成為城市新風(fēng)景與會客空間，如城市高架橋，不僅需要考慮其功能要求，也要考慮其造型需求。這也是當(dāng)前市政設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

2.2 設(shè)計(jì)缺乏合理性

傳統(tǒng)市政設(shè)計(jì)普遍存在的一個設(shè)計(jì)難題是交叉口布置。如果未對路網(wǎng)進(jìn)行合理規(guī)劃、充分估計(jì)近期和遠(yuǎn)期交通流量，容易導(dǎo)致交叉路口發(fā)生擁擠、堵塞等現(xiàn)象，從而造成交通癱瘓等嚴(yán)重問題。尤其是隨著城市車輛大幅增長，交叉口擁堵問題變得尤為突出。對于道路設(shè)計(jì)，雖然成果滿足設(shè)計(jì)規(guī)范，但是否合理還需要參考設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)，如車速模擬、視點(diǎn)模擬、景觀模擬，這是二維設(shè)計(jì)無法實(shí)現(xiàn)的。綜上所述，傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)由于在空間關(guān)系表達(dá)上存在天然缺陷，無法直觀展示三維設(shè)計(jì)成果，以及完成方案論證、校核及模擬分析功能，而BIM技術(shù)則能很好地解決這一問題[2]。

3 BIM技術(shù)的市政專業(yè)設(shè)計(jì)難點(diǎn)的解決方案

3.1 工程量統(tǒng)計(jì)

為了進(jìn)一步提高市政給排水管線工程的效益，在具體工作過程中，設(shè)計(jì)人員必須切實(shí)做好工程量統(tǒng)計(jì)工作，并對BIM技術(shù)進(jìn)行充分利用，確保計(jì)算結(jié)果的精確性，實(shí)現(xiàn)對工程成本的有效控制。在這一過程中，BIM技術(shù)既可以生成有針對性的建筑模型，還可以對管線分類進(jìn)行優(yōu)化，以便造價人員更加全面地匯總工程施工中所需的各種管道材料數(shù)量和規(guī)格、類型等，從而編制出更加合理、科學(xué)的管材報(bào)價表，進(jìn)一步提高造價的準(zhǔn)確性，并有利于相關(guān)人員對整個市政給排水管線工程的效益情況進(jìn)行更加合理的評估。與傳統(tǒng)造價相比，借助BIM技術(shù)除了能夠提高造價的準(zhǔn)確性，還能夠減少工作人員的工作量。同時，待完成三維虛擬模型構(gòu)建以后，設(shè)計(jì)人員可借助該模型對市政給排水管線設(shè)計(jì)中存在的各種不足和問題進(jìn)行全面分析，針對部分可能發(fā)生的問題，可提前采取相應(yīng)的預(yù)防措施，從而確保整個管線的正常運(yùn)行。隨著我國市政給排水工程數(shù)量的不斷增多，排水管線數(shù)量顯著增多，管線布局也愈加復(fù)雜，這就極大地增加了市政給排水管線設(shè)計(jì)的難度。若設(shè)計(jì)人員僅僅憑借管線的運(yùn)行情況來調(diào)整管線的參數(shù)，則增加了工作量，也很難確保設(shè)計(jì)質(zhì)量，為此設(shè)計(jì)人員應(yīng)積極應(yīng)用BIM技術(shù)，在工程計(jì)量中獲取管線運(yùn)行的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，然后對管線的運(yùn)水量進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，以此合理調(diào)整流速。另外，設(shè)計(jì)人員應(yīng)對市政給排水管線運(yùn)行中可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行充分分析，采取有效措施，有效降低管線滲透發(fā)生率，提高管線運(yùn)行質(zhì)量，減少管線的維修成本。

3.2 虛擬施工

虛擬施工是基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和仿真內(nèi)力分析計(jì)算技術(shù)對施工方案的整個過程進(jìn)行模擬和優(yōu)化，具有先試后建、避免返工、節(jié)約成本等特點(diǎn)。BIM模型的建立是虛擬施工技術(shù)實(shí)施的關(guān)鍵，國內(nèi)外學(xué)者對建立BIM模型進(jìn)行了許多優(yōu)化研究，還提出將智能優(yōu)化算法與模型相結(jié)合的策略，為市政工程中虛擬施工的應(yīng)用提供一定的理論支撐。除了對BIM模型優(yōu)化與虛擬施工進(jìn)行研究以外，國內(nèi)學(xué)者和各大建設(shè)單位都在致力于將BIM技術(shù)應(yīng)用在不同實(shí)際工程中，但真正應(yīng)用虛擬施工技術(shù)的市政工程項(xiàng)目還相對較少，主要集中在道路橋梁方面。將BIM虛擬建造技術(shù)應(yīng)用在某新建城市快速路修建項(xiàng)目中，通過對復(fù)雜環(huán)境下的交通組織、地下管線復(fù)核等模擬，成功解決了施工場地狹小的難題，提高了工程的可建性。在沉管隧道中引入了虛擬施工BIM建模技術(shù)，不僅通過三維可視化的展示提高了項(xiàng)目各參建方內(nèi)部溝通效率，還利用BIM技術(shù)構(gòu)建的三維信息模型完成了各專業(yè)間的碰撞檢查與設(shè)計(jì)校核，提升了設(shè)計(jì)質(zhì)量與精細(xì)化水平。

3.3 模型構(gòu)建及組合

市政工程項(xiàng)目隱蔽工程較多，反復(fù)開挖容易導(dǎo)致壓實(shí)度質(zhì)量波動，回填不均。在施工前，如果圖紙梳理程度不夠，施工先后順序顛倒，易造成淺管先埋下，深管再挖開；專業(yè)分包隊(duì)伍多，存在交叉施工，一旦出現(xiàn)錯、漏、碰、缺，易導(dǎo)致窩工費(fèi)及工期延宕，提升項(xiàng)目成本。針對上述情況，一方面采用無人機(jī)進(jìn)行實(shí)景建模，實(shí)現(xiàn)工程概覽，航拍圖片可以處理成點(diǎn)云，進(jìn)一步構(gòu)建地模，借助Civil板塊進(jìn)行工程土方分析。對各構(gòu)筑物進(jìn)行分拆并構(gòu)建模型，進(jìn)行工程量統(tǒng)計(jì)，同時在建造過程中，借助revit軟件，對于個別重要、復(fù)雜施工部位，可精確模擬預(yù)演現(xiàn)場施工過程，減少因施工順序、施工技術(shù)不合理造成的返工和浪費(fèi)[3]。

3.4 BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)管理過程中的應(yīng)用

設(shè)計(jì)是市政工程的初始階段，應(yīng)用BIM技術(shù)能夠?yàn)樵撾A段的管理提供支持，通過BIM技術(shù)能夠?qū)⒖睖y、地基建設(shè)、挖方以及審核等方面的施工情況直接呈現(xiàn)給管理人員，模擬各個階段施工，幫助制定工程工期，還可以幫助管理人員結(jié)合不同施工階段整理所需的材料及相關(guān)資源等。另外，應(yīng)用BIM技術(shù)的模擬設(shè)計(jì)功能，能夠更好地分析圖紙?jiān)O(shè)計(jì)存在的不足，及時進(jìn)行完善。比如應(yīng)用BIM技術(shù)構(gòu)建圖示數(shù)據(jù)，通過模擬運(yùn)算測試重點(diǎn)結(jié)構(gòu)的連接情況。通過這種方式可提前排除工程中的安全隱患，保障市政工程建設(shè)安全，降低工程風(fēng)險(xiǎn)。此外，應(yīng)用BIM技術(shù)還可以幫助落實(shí)各部門的設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)各部門間的交互與溝通，為設(shè)計(jì)階段的管理提供了極大便利。

3.5 科學(xué)規(guī)劃管道

在市政給排水管線建設(shè)過程中，相關(guān)工作人員可利用BIM技術(shù)更加充分地掌控施工圖紙，并依據(jù)給排水線路規(guī)劃設(shè)計(jì)要求和規(guī)范對市政工程的給排水管道運(yùn)行情況進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃，再結(jié)合具體工程需求制作出細(xì)致的管道規(guī)劃圖紙。通過BIM技術(shù)的應(yīng)用，可顯著降低由于相關(guān)工作人員參與諸多數(shù)據(jù)測量工作而造成的高失誤率，在很大程度上節(jié)省了人力資源，并能夠得到更加準(zhǔn)確的工程建設(shè)數(shù)據(jù)。在這一過程中，相關(guān)工作人員只需將所有的數(shù)據(jù)信息輸入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，即可獲得對應(yīng)的工程建設(shè)圖紙，這就促進(jìn)市政給排水管道工程建設(shè)工作的高質(zhì)高效開展。在強(qiáng)化整個市政給排水管道工程建設(shè)環(huán)節(jié)中，相關(guān)工作人員應(yīng)提前充分掌握BIM技術(shù)的應(yīng)用特征與相關(guān)概念，然后結(jié)合技術(shù)的具體要求，不斷提升自身的專業(yè)知識能力與技能水平，且在具體設(shè)計(jì)中利用專業(yè)知識科學(xué)合理地開展市政給排水管道規(guī)劃與設(shè)計(jì)工作。對于市政給排水管道規(guī)劃而言，由于現(xiàn)有的管線與規(guī)劃管線數(shù)量種類非常多，加上管線之間存在較多的交叉，管線之間距離比較近等，若依然沿用以往的二維設(shè)計(jì)方法，往往會遇到各專業(yè)之間交流困難、設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)難度大、施工難度大、設(shè)計(jì)變更多等問題，故而在具體規(guī)劃過程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)利用BIM技術(shù)對現(xiàn)狀構(gòu)筑物與管線的具體情況進(jìn)行科學(xué)合理的分析，借助數(shù)字建模的方式對現(xiàn)有管道進(jìn)行分析，使之能夠與規(guī)劃管道協(xié)同，從而在極大程度上降低了給排水管道的施工難度[4]。

3.6 碰撞檢測

基于BIM模型，施工人員可以在施工前對不同專業(yè)組合而成的空間進(jìn)行碰撞檢測，并將碰撞點(diǎn)反饋給設(shè)計(jì)單位進(jìn)行更改，防止施工過程中發(fā)生設(shè)計(jì)變更而造成施工成本增加或耽誤施工進(jìn)度。在市政工程中，城市軌道交通線路和地下管線的鋪設(shè)大多采用非開挖技術(shù)進(jìn)行施工，而采用BIM技術(shù)可以對多線路交叉的復(fù)雜部位實(shí)現(xiàn)三維可視化設(shè)計(jì)，直觀地展現(xiàn)地下空間場景，有效解決交叉碰撞的問題，避免了安全事故，提升了空間使用率。將BIM技術(shù)應(yīng)用在綜合管廊項(xiàng)目建設(shè)過程中也是近年來的研究熱點(diǎn)。在利用BIM技術(shù)模擬綜合管廊項(xiàng)目的施工過程中，不僅成功發(fā)現(xiàn)施工過程中潛在的結(jié)構(gòu)沖突和安全隱患，還模擬了關(guān)鍵施工節(jié)點(diǎn)，保證施工方案科學(xué)合理，為后期大型城市地下綜合管廊的建設(shè)發(fā)展提供了技術(shù)支持。綜上所述，BIM技術(shù)可以加快推進(jìn)市政工程行業(yè)從粗放型向精細(xì)化的轉(zhuǎn)變，更好地響應(yīng)了政府部門所倡導(dǎo)的建筑工業(yè)化、綠色建筑、智能建筑的理念。

3.7 BIM技術(shù)在地形勘察管理中的應(yīng)用

市政工程涉及城市內(nèi)部的重新規(guī)劃，在工程開展前需進(jìn)行地形勘察，為工程設(shè)計(jì)及施工方案等的制定提供參考。通過地形勘察了解市政工程地形狀況，結(jié)合地形狀況開展項(xiàng)目可行性研究。但傳統(tǒng)勘察方式的人工消耗量較大，需通過人工進(jìn)行地形及地質(zhì)等的測繪及勘探。這不僅增加了人力成本，還會受到地形的限制，若地形復(fù)雜，很難保障地形勘察的準(zhǔn)確性，而BIM技術(shù)的應(yīng)用則可以有效避免這些問題。通過無人機(jī)采樣，將地標(biāo)高程數(shù)據(jù)導(dǎo)入BIM軟件中，借助BIM軟件實(shí)現(xiàn)地形的模擬，使地形勘察更加便捷，數(shù)據(jù)信息更加精確[5]。

4 結(jié)束語

市政設(shè)計(jì)是一個傳統(tǒng)領(lǐng)域，無論是從設(shè)計(jì)人員專業(yè)素質(zhì)方面還是從軟件發(fā)展方面，市政工程進(jìn)展都明顯落后于建筑行業(yè)。市政設(shè)計(jì)BIM應(yīng)用滯后是綜合性的，既有行業(yè)特點(diǎn)本身因素，又有傳統(tǒng)觀念束縛。城市建設(shè)步伐的加快又進(jìn)一步提高了市政建設(shè)要求。隨著行業(yè)對BIM理念理解進(jìn)一步加深，BIM技術(shù)進(jìn)一步成熟，相信BIM技術(shù)會給市政設(shè)計(jì)帶來更為深遠(yuǎn)的價值和影響。