BIM 辅助城市快速路设计及协同管理应用

■李 健

(苏交科集团股份有限公司，南京 210017)

0 引言

现代化城市道路的设计主要有两方面的挑战： 一是专业多样化，即一条道路既要承担地面交通，又要运输地下管线， 因此空间构造极其复杂。 二是与周围环境相适应，道路的绿化、走势需与周围环境融为一体，景观设计要满足现代人的审美。采用传统的二维设计方法，不仅对设计者本身的能力要求比较高，而且设计效率也比较低。

BIM 技术作为新兴技术， 在建筑领域已经广泛应用[1-3]，在桥梁领域也逐渐慢慢展开[4-7]。 关于BIM 技术在道路工程中的应用，研究人员则做了如下工作：吴健分析了国内外BIM 技术在道路领域中的应用现状，初步探索了BIM 技术在道路工程设计阶段中的应用[8]。 孙建诚等研究了基于IFC 标准的公路路基边坡的解决方案[9]和基于Revit 平台的桥梁参数化建模思路[10]。 钟炜等以某实例工程探索交互设计结合BIM 等技术的方式来探索大型城市道路工程的实现途径[11]。

本文依托扬子江大道快速化改造项目， 建立了多专业的BIM 模型，探索BIM 技术在道路工程中的应用。

1 工程概况

扬子江大道位于江苏省南京市鼓楼区和建邺区(如图1 所示)，北起下关大桥，南至河西大街，是南京市规划快速路网中主城快速外环的重要组成部分。 该工程全长7.985km，其中综合管廊为新建工程，施工范围北起扬子江隧道南出口接地点，南至河西大街，全长7.24km。 项目总投资约32.9 亿元。扬子江工程项目包括道路工程、桥梁工程、隧道工程、过街通道、综合管廊工程、排水工程、交通安全及管理设施、照明工程、绿化工程等相关附属工程。

图1 项目地理位置

2 实施技术路线

扬子江大道改造工程具有体量大、专业多、空间结构复杂、数据收集困难等特点。在设计阶段主要需考虑两方面的难题：一是道路沿线服务及到达功能复杂多样，线型设计受较大制约， 与周围建构筑物及用地的衔接要求紧密，涉及平面、纵断、横断构造繁冗；二是需综合考虑道路排水等管网配套设施的空间布局， 涉及多专业在道路选线方案的纵横空间及多个控制点间寻求满足规范的设计施工图。 因此， 采用传统的设计流程将无法满足工作需求。

本项目借助于BIM 技术，构建了市政道路、桥梁、综合管廊和地铁等结构的BIM 模型， 结合4D 施工模拟手段和虚拟情境交互(VR)方式，探索将BIM(建筑信息模型)技术应用至市政道路和地下综合管廊的设计领域的方法。 其主要工作技术路线如图2 所示：

图2 扬子江快速化改造工程BIM 工作技术路线图

3 结构BIM 模型建立

3.1 初期支护工程

本工程隧道主体基坑采用SMW 工法桩+内支撑的支护结构形式。 设计时采用Bentely MicroStation CE 软件建立初期支护BIM 模型，如图3 所示。

图3 初期支护模型

3.2 路基隧道工程

该项目设计总体采用主线节点下穿的方案， 分别在草场门大街、清凉门大街、汉中门大街和水西门大街各设置一座下穿隧道。 隧道敞开段主体结构采用U 槽结构形式，暗埋段采用矩形单箱双孔框架结构。

通过采用OpenRoads Designer 进行路线恢复和地模的建立，对原设计进行初步复核。 以参数化横断的形式，布置路基横断面和隧道敞开段与暗埋段横断面， 以点控制和参数控制来实现道路加宽， 隧道变高等特殊节点工程。 最终，路基与隧道BIM 模型如图4 所示。

图4 道路与下穿隧道BIM 模型

3.3 桥梁工程

湘江路通道桥跨径为34m， 桥宽60m， 上部结构为PC 空心板。 该工程属于改建项目，即是在原有的旧桥基础上做加宽处理。 通过OpenBridge Designer 桥梁专业建模软件，进行桥梁定位、布跨、上部结构设计、下部结构设计，最终组合而成桥梁BIM 模型，如图5 所示。

图5 湘江路桥梁模型

为与传统桥梁计算软件(如桥梁博士、Midas 等)对比， 将该模型导入RM bridge 进行结构计算， 如图6 所示。 计算结果表明，与原设计结果在误差范围内一致，说明BIM 模型可直接用于计算，这将大大提高设计效率。

图6 RM bridge 计算模型

3.4 综合管廊工程

综合管廊工程初步设计内容为工程总体设计以及配套的结构、电气、通风、消防、给排水等工程设计，以及综合管廊内出线管线和配套管线迁改等同步实施工程的设计。根据相关管线现状及规划需求，本工程涉及的各市政专业管线包括给水、污水(压力管)、通信、电力等，管线种类及BIM 设计要求如表1 所示。

管廊的标准断面可以分为两舱室和三舱室。 两舱室断面净尺寸为(2.5+6.2)m×3.2m，结构尺寸10.2m×4.4m。 断面形式如图7 所示。三舱室断面净尺寸为(2.5+3.1+6.7)m×3.2m，结构尺寸14.1m×4.4m。 断面形式如图8 所示。

设计采用自主研发的编程工具， 对管线CAD 图进行分层处理。 通过OpenRoads Designer 软件的公共地下设施模块(SUE)，使原状地下管线的恢复成为可能，形成电子化的基础资料保证数据的准确。 对于管廊的主体结构、节点工程及隧道配电室等建筑模型，则采用ABD 软件(AECOsim Building Designer)进行建模工作，精细化的设计使我们的设计更加丰满。 最终完成的综合管廊BIM模型如图9 所示。

表1 管线种类表

图7 两舱室布置图

图8 三舱室布置断面图

4 分析应用

图9 综合管廊BIM 模型

结合倾斜摄影模型与主体结构模型进行总装(如图10 所示)，采用LumenRT 实时渲染展示，在VR 技术的支持下，我们可以以建设者的身份，以第一视角的角度来观察我们的模型， 无论是多专业之间的碰撞还是综合管廊本身的碰撞均可以清晰表达。该技术的加持，可使得BIM模型准确地反映出传统图纸所无法表达的信息， 同时能够使参与者亲身体验工程的实际规模， 形成巨大的视觉冲击力。

图10 总装BIM 模型

5 效益分析

5.1 经济效益分析

采用BIM 技术带来的经济效益主要表现在3 个方面：一是通过纠正设计错误，从而减少设计变更；二是通过设计模型，导出精确的工程量清单，制定出合理的材料采购计划，减少了材料浪费；三是通过4D 施工方案的模拟，一方面可以确定施工计划的合理性，另一方面，对于大型的复杂性工程， 可以通过多种方案的模拟来提升施工安全性和施工质量。

以隧道为例，对于暗埋段的横断面结构尺寸，传统的设计思路是经验相当丰富的设计师通过在脑子里构建3D 模型然后通过2D 图纸的形式进行表达， 因此在主路与匝道的合流处与分流处，难免会有高程误差的存在。而BIM 模型则可以轻易地暴露这些问题， 在设计阶段即可解决这些细节上的错误，保证施工阶段的顺利进行。整个项目检查出湘江路通道桥设计错误4 处， 隧道敞开段及暗埋段设计错误21 处，管线碰撞多达186 处，平交口设计错误3 处。据建设方反馈，该项目减少复核及后期服务变更设计时间约3000 小时，折合成本400 多万元。

5.2 社会效益分析

扬子江大道不仅仅只是作为一条交通纽带， 同时也是滨江风光带的重要组成部分。 随着居民生活水平的提高，居民外出旅游率越来越高，旅途上的风景也是一座城市的明信片。 采用BIM 技术，也不仅仅可以做结构分析，而且也可以做景观分析。 通过LumenRT 软件，可以做景观设计和路灯夜景设计。通过各种方案的对比，可以使得扬子江道路工程与周围的建筑和环境融为一体， 大大增加城市魅力。

图11 扬子江项目景观设计图

6 结语

本文结合工程实例，运用Bentely 平台中多款软件建立了桥梁、道路、地铁和综合管廊等BIM 模型。 基于精确的参数化模型， 对原设计进行复核， 提高了设计的正确性。 通过BIM 模型来准确统计工程量，用于指导施工过程中原材料的消耗，最后通过景观设计与BIM 技术结合的形式， 使得道路与周围环境融为一体， 更符合生态原则。 通过该项目的实际应用很好地推动了BIM 技术在市政工程设计领域的发展及完善。