BIM在市政道路设计中的应用探索

2017-06-01贾莉浩

城市道桥与防洪 2017年4期

关键词：对象化工程设计模块化

邱蒙，孙旭，贾莉浩

（武汉市政工程设计研究院有限责任公司，湖北武汉 430023）

BIM在市政道路设计中的应用探索

邱蒙，孙旭，贾莉浩

（武汉市政工程设计研究院有限责任公司，湖北武汉 430023）

BIM技术在市政道路工程领域发展相对滞后，现通过BIM技术特性分析，总结BIM技术在市政道路工程设计中应用的主要难点，同时从对象化、模块化、可视化三个角度阐述BIM设计的优势，结合BIM优势分析并通过工程实践总结出BIM设计在市政道路工程中的应用原则，包括需求确定优先原则，高内聚低耦合原则，协同设计原则等，为BIM技术在市政道路工程领域的相关应用与研究提供借鉴。

BIM；道路工程；对象化；模块化；可视化；应用原则

1 概述

BIM(Building Information Modeling)即建筑信息模型，是以三维数字技术为基础，集成建筑工程项目各种相关信息的工程数据模型，是对工程项目设施实体与功能特性的数字化表达[1]。

根据美国国家BIM标准（NBIMS）对BIM的定义，有三个部分内容：

（1）BIM是一个设施（建设项目）物理和功能特性的数字表达；

（2）BIM是一个共享的知识资源，是一个分享有关设施的信息，为该设施从概念到拆除的全生命周期中的所有决策提供可靠依据的过程；

（3）在项目的不同阶段，不同利益相关方通过在BIM中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映七个各自职责的协同作业[2]。

目前BIM技术在建筑工程领域已经有了长足的发展，许多重大建筑工程项目实践中已经应用了BIM技术。而在市政道路工程领域，BIM技术应用的起步较晚，发展速度也相对较慢。出于对工程项目的精细化设计追求及对项目全寿命周期管理的需要，BIM技术是工程领域的重要技术方向。

考察国内建筑领域BIM技术应用路径，初期主要由高校、研究所等机构建立BIM技术框架，由专业软件公司进行设计平台开发，由设计院推动BIM技术在设计中的工程初步应用[3]。因此，在市政道路工程领域，借鉴已有的BIM技术框架，同样可由BIM设计工作的探索来带动新技术应用。

2 BIM技术在道路工程设计中的难点

现阶段，BIM技术在市政道路工程领域发展相对滞后，有两大原因。一是传统道路工程项目数量相对建筑工程较少，精细化要求相对建筑工程要求也较低，这种由需求倒逼技术发展的动力相对较弱。二是道路工程中BIM技术应用难度较高。由于城市化进程不断发展，市政道路工程数量和精细化要求都提升到一个新的阶段，需要新的技术储备来应对未来发展需求。在此，本文重点分析道路工程设计中BIM技术应用难点。

BIM技术的特性包括：模型的3D参数化、模型的信息化、模型信息的完整性、遵照统一标准及协同作业等方面[4]。相对于基于传统CAD二维平面制图，采用BIM设计的首要工作是进行3D设计，在3D设计中赋予模型信息，从而为协同作业、工程的全过程的完整模型信息提供基础。从上述技术特性出发，结合笔者的实践经验，现阶段BIM技术在道路工程设计的主要难点在于以下三点：

（1）道路工程范围较大、涉及环境复杂、工程结构不规则程度高。在模型3D参数化设计阶段就面临很大困难，大范围的工程地质信息完整性较差，且工程结构与复杂环境的交互设计工作量较大，不确定因素较多。

（2）应用BIM技术在现阶段使设计人员工作量加大，而成效不高。现阶段BIM技术还未被道路工程领域广泛接受，设计人员在进行BIM模型设计时，还需要兼顾完成传统的二维设计成果和工作流程。加大了设计人员的工作量，而BIM技术本身的统一参数化设计能带来的高效率协同设计优势限于客观环境暂时无法实现，因此现阶段BIM设计对于设计人员往往意味着额外的工作量，不利于BIM设计的推广。

（3）BIM工具平台不够完善统一。目前在道路工程领域BIM的应用软件主要有Autodesk公司的AutoCAD Civil 3D和Bentley公司的Power InRoads，以及国内相关公司开发的的BIM软件（如鸿业科技的RoadLeader路利得等）。由于发展时间较短，工程实践反馈较少，同时市政道路工程涉及到给排水、电力、通信、燃气、照明等较多相关专业，以上设计平台在模型设计及专业协同方面都还不够完善，这也是现阶段BIM设计推广的一大制约。

3 BIM设计的优势

3.1 对象化

BIM设计中要赋予模型信息，要将设计内容抽象成对象，对设计对象进行参数化设计。在传统二维平面设计中，设计对象，如路面、边坡、挡土墙等，均通过线条绘制。信息表达上通过标注或图例注明，组成各个设计对象的线条并无区别。而对象化设计，将设计内容对象化，通过对象属性赋予信息（如对路面对象设定路面结构、厚度等信息），图形形状有了实际意义，对象化参数设计带来的好处有：设计的可维护性，设计信息的完整性，整个设计周期的数据统一性。

（1）设计的可维护性：参数化设计的本质即通过可变设计参数的调整完成设计或修改，系统自动维护所有的不变参数。设计人员通过输入或修改设计参数，完成模型的几何和信息设计，模型的呈现及关联通过系统自动完成，避免了由于局部修改可能导致的重复设计，大大提高了设计的可维护性。

（2）设计信息的完整性：二维设计的模型信息通过标注、图例等方式表示，在不同的分部设计时为了侧重信息表达，会删除多余的标记信息，同时在大型工程中，也存在局部修改导致的不同阶段不同成果间的设计信息冲突，致使设计信息的完整性和连续性受到影响，BIM技术的对象化设计使设计信息数据化存储于模型之中，侧重某种信息表达时，从模型数据中引用即可，保证了设计信息的完整性。

（3）数据统一性：在工程设计中，各设计部门成果对工程设施的几何参数、位置参数等信息存在大量的交叉引用，同时不同的设计阶段，不同的设计人员对部分数据的修改，需要关联传递到整个设计成果中。对象化设计的参数关联能保证整个设计模型的协调统一。

3.2 模块化

模块化设计包含两个层次，其一是由对象化设计引伸出的对象模块化，将工程设施拆解为单独对象，逐一进行深化设计，称之为对象模块化；其二是设计过程的模块化，在具体的市政工程设计中，从时间关系上排列，包括项目建议书、可行性研究、初步设计、施工图设计等阶段，是设计深度的不断深化；从设计工作流程上排列，可分为设计、协同、成果等步骤，是设计内容不断完善，称之为过程模块化。

模块化设计是通过划分功能模块，通过模块组合构成设计产品。BIM引入工程设计的模块化理念的优势在于促进设计深化和创新，提高设计效率，利于团队协作。

图1为市政道路工程设计过程图。

图1 市政道路工程设计过程图

促进设计深化和创新：将工程设计的标准构件（如挡土墙、桥墩等）进行模块化，利于对设计成果的重复利用。利用已有的经过验证的模块，可以降低设计风险，提高设计的可靠性和设计质量。而常用模块的大量应用，使模块研究更加专业化和深入，进而提高设计的整体性能和可靠性。

提高设计效率：大量的可重用设计模块的积累，使设计和审核工作量大大减少，缩短了设计周期并降低了设计成本。

利于团队协作：过程模块化有利于团队分工，规范不同团队间的信息接口，利于深入的专业化设计和不同专业设计间的协同工作。

3.3 可视化

BIM设计的基础为三维设计，在整个设计过程中，设计效果均是可视化的。相对于传统二维设计带来两方面的优势，一方面是设计人员对设计内容之间，以及设计内容与周边设施、周边环境之间的交互关系把握更加清晰准确；另一方面是设计方案的表达、沟通更加直观。以某快速路工程BIM方案设计实例说明（见图2），该工程在某越岭段有多条线位比选，通过多方案的BIM模型建立，将多条比选方案在同一模型下建立，可视化后其各方案与地形关系，对周边环境影响，建设方式的合理性等方面更加直观，同时模型化使比选工程量更加准确，更有利于工程方案的决策。

图2 BIM模型多方案选线比选图示

4 道路工程设计中BIM技术应用原则

考虑到目前BIM技术在道路工程领域的发展现状，目前BIM技术的应用主要在设计阶段，根据实际的工程探索经验，笔者总结了几条目前BIM设计工作中的应用原则。

4.1 需求确定优先原则

在市政道路工程设计中，BIM技术应用还未成熟，相对而言，各项目对BIM设计的需求也并不统一，同时考虑到各市政BIM设计平台暂未完善，市政设计专业未详尽覆盖，在进行具体BIM设计应用时，要进行前期需求分析，明确BIM设计需要实现的功能。比如，是否需要三维效果展示及所需达到的效果精度；是否需要及如何通过BIM模型进行专业间协同设计；是否需要通过BIM模型出图；是否需要进行三维信息模型交付等。明确BIM设计需求后才能考察设计软件平台是否满足要求，同时有针对性地进行BIM模型设计。也能避免陷入盲目构建大且精的模型，而导致的设计工作量增加，设计工作效率下降的情况。此需求确定阶段可参照美国NBIMS对BIM功能确定提出的标准流程（见图3）。

图3 NBIMS中确定BIM功能流程图[2]

4.2 高内聚低耦合原则

此原则是由模块化特性引伸出来的，即在设计内容和设计过程的组成模块之间减少耦合关系，各模块本身由相关性很强的部分组成，只负责单一任务。在传统二维设计中，两张不同尺度的图纸中涉及到同一设计内容时，为了保持一致，一般通过复制拷贝，修改标注信息实现，该设计内容的方案修改后，仍需要重复上述工作。两张图纸中的设计内容有很强的耦合度，某设计内容被引用较多时，图纸的修改困难，且极易出错。BIM设计中将相同内容对象模块化，图纸表达是对该对象模块的直接引用，对该对象模块的修改均可同步反映到不同图纸中。设计过程的高内聚低耦合原则体现在：不同设计阶段的设计深度不同，对某一设计内容的前期阶段可能仅是规模尺寸确定，逐步深入到结构、材料、具体方案设计，在前期设计阶段需要考虑到该设计对象的逐步深化的设计过程，该设计对象与整体模型其他模块之间的接口须完善且连续，后期深化设计只需要保证与其他模块的接口衔接，本身方案的深化与调整均灵活且独立。

4.3 协同设计原则

在传统二维设计中，协同设计往往体现在设计过程中，不同设计专业的设计成果却是单独成序列或成册。而BIM设计最终需要将不同设计专业设计成果纳入到同一模型中，是复杂工程的统一化模型。不仅是设计过程的统一，设计成果也是统一的，对协同设计的要求更高，因此，在BIM设计中，需要对设计全过程进行协同设计管理，明确设计模式、设计功能、设计接口，建立完善的设计质量管理体系。