BIM技术的国际研究概况与我国市政BIM应用分析

郭 红 兵，赵 亚 兰

(1.陕西交通职业技术学院，陕西 西安 710018； 2.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064)

在BIM(Building Information Model)技术应用中，三维建筑信息BIM模型的建立与管理是不可或缺的关键工作。但是，在工程全生命周期的不同阶段，BIM模型的内容、细节该如何掌握与要求，各行各业都一直希望能有一套统一的标准或规范可以遵循。特别是当项目合同中涉及BIM模型的交付时，项目合同的甲乙双方更需要在交付BIM模型的内容、细节上达成共识。尤其是对于乙方而言，明确掌握甲方对交付BIM模型的预先期待与要求，才能精准估算构建BIM模型所需投入的资源与成本，并确保所交付的BIM模型能符合甲方后续的应用要求[1]。本文在对BIM技术的国际研究概况进行系统性综述的基础上，深入分析了BIM技术在我国市政工程设计行业的应用现状，及其发展中遇到的主要问题；并对其发展前景与技术路线进行了预测与展望，对于加快推进BIM技术在我国市政工程中的应用具有重要的意义。

1 BIM技术的国际研究概况

近十余年来，随着BIM技术的出现、发展与推广应用，国内外土木工程建设行业的许多企事业单位、业主实体和工程公司都希望能够建立一套统一的BIM技术应用标准，以便于工程项目合同双方在 BIM技术应用方面达成共识，甲乙双方在尽可能降低投入的同时，均取得预期目的与效益。

BIM技术首先是在美国得以应用及推广，并逐步向全世界范围扩展的。在国外土木工程建设行业，已经有一些大型业主单位、行业协会、高校与科研机构创建了一些BIM技术相关的标准规范，付诸于实践并加以推广应用，取得了良好的实践应用效果。例如：美国于2007年5月发布的《美国联邦总务局BIM指南》(General Services Administration BIM Guide-United States)[2]，于2007年12月发布的《美国国家BIM标准》(National Building Information Modeling Standard-United States)[3]，澳大利亚于2009年7月发布的《澳大利亚国家数字模拟指南》(National Guide for Digital Modeling-Australia)[4]，以及英国于2009年11月发布的《英国现代资本集团AEC(UK)BIM标准》(Advance Emerging Capital Limited(the United Kingdom)BIM Standard)[5]等，均已作为推荐性的行业标准得到了广泛的实践应用。在目前国外土木工程建设行业应用水平下，以上这些 BIM技术的相关标准规范可大致分为企业单位(公司)的内部标准、业主单位(或政府)的强制性标准和行业(企业)协会的推荐性标准等三大类型。

挪威在2010年提出《SN/TS 3489：2010 Implementation of support for IFD Library in an IFC model》标准，给出了基于IFC模型交换的数据字典标准，并且完成了信息传递手册(Information Delivery Manual-IDM)标准项目研究，该研究主要是为了解决建筑项目中各个任务之间的信息交换需求。新加坡政府早在1995年就启动了建筑信息化项目CORENET(Construction and Real Estate NETwork)，目的是将建筑工业琐碎的业务联系起来，形成新的建筑体系，提高建筑的质量和生产率。2000年，新加坡政府在已有工作基础上积极开发了CORENET项目的e-Plan Check，提供对IFC格式的建筑图纸的自动审图功能；并在2003～2004年相继开发完成了集成建筑规划系统IBP(Integrated Building Plan)、集成建筑的服务系统IBS(Integrated Building Services)。2005年，通过测试、组织学术会议、在经济上鼓励使用BIM设计方式、提供对新系统的培训、在采用的BIM项目中进行全程跟踪和服务等一系列手段，使系统顺利启用。日本建设领域信息化的标准为CALS/EC(Continuous Acquisition and Lifecycle Support/Electronic Commerce)，主要内容包括工程项目信息的网络发布、电子招投标、电子签约、设计和施工信息的电子提交、工程信息在使用和维护阶段的再利用、工程项目业绩数据库应用等。

2 BIM技术在我国市政工程设计行业的应用现状与关键问题分析

2.1 应用现状

市政工程是一项专业复杂、工序繁多的系统性工程，需要多专业协同设计、各工序紧密衔接才能得以顺利实施，并发挥其预期的效益。作为市政工程建设的基础性、前提性工作，城市道路、桥梁、市政管线(给排水)、交通安全设施和园林绿化等的设计成果质量直接影响着市政工程的全生命周期服务质量与水平。进入21世纪以来，我国市政工程建设速度明显加快，对包括市政工程在内的涉及国计民生的基础设施建设质量标准要求也越来越高，这就要求市政工程设计更加高效，并且考虑更全面、更具体的信息，使得不同专业设计人员之间的信息交换更加频繁，工作压力倍增。

2002年，我国引入了BIM的概念。清华大学葛松培等于2004年发表《建筑业信息技术应用新概念—— BIM》一文，首次向国人全面系统地介绍了BIM技术，使得该项技术在国内逐步被研究和应用。BIM具有可视化、模拟性、可出图性、共享性、协同化和可追溯性等特点，在工程建设中可以实现三维渲染宣传展示、快速高精度算量、精确计划、有效管控、虚拟施工、减少返工、方便决策等工程价值。因此，首先在我国比较易于实现构件标准化的建筑行业，迅速掀起BIM技术应用与探索实践的热潮。鉴于BIM技术的应用价值，国家相关部委先后发布关于在本行业推行BIM技术的政策文件。

清华大学于2009年启动了CBIMS(China Building Information Modeling Standard)项目的研究，该项目研究者认为“CBIMS是未来建筑全生命周期的灵魂”[6]。住房城乡建设部于2011年5月发布《2011—2015年建筑业信息化发展纲要》，指出“十二五期间，加快建筑信息模型(BIM)等新技术在工程中的应用…… ”随后，2013～2015年住建部相继发布了相关政策，推进建筑行业BIM技术应用，各省住建厅也先后发布关于在本省建筑行业推行BIM技术的政策文件。2014年10月，陕西省住建厅发布《陕西省级财政助推建筑产业化》，是国内较早出台 BIM技术应用相关政策的省份之一。住房城乡建设部于2019年1月7日发布JGJ/T448-2018《建筑工程设计信息模型制图标准》，并于2019年6月1日起开始实施[7]。该标准主要针对建筑信息模型(BIM)的表达、三维模型的工程计量要求、模型单元的编号及其颜色、视图表达等方面进行了统一与标准化[8]，旨在统一BIM模型的信息表达，提高BIM模型信息在业主单位、设计单位、监理单位、施工单位等工程项目参与方之间的传递、识别及沟通的效率，以满足未来装配式建筑工程建设项目对BIM技术在各个阶段应用的预期需求。

在中国台湾地区，国立台湾大学土木工程资讯模拟与管理研究中心于2017年4月发布《BIM模型发展程度规范》(Level of Development Specification)[1]，旨在以此带动更多学者对BIM相关规范与标准的研讨，并带动相关学会(或协会)，甚至政府部门一起推动本土BIM规范与标准的建立。

在建筑BIM的带动下，市政行业也启动了BIM技术在市政工程领域应用的探索与实践，与城市道路有关的BIM政策也相继发布。“十三五”时期，交通运输部于2015年11月发布《关于印发交通运输重大技术方向和技术政策的通知》，其中，BIM技术应用位居十大交通运输重大技术方向与政策之首。国务院办公厅于2017年2月发布《关于促进建筑业持续健康发展的意见》，其中：“(十六)加强技术研发应用” 指出“加快推进BIM技术在规划、勘察、设计、施工和运营维护过程中的应用…… ”。交通运输部办公厅于2017年9月发布《关于开展公路BIM技术应用示范工程建设的通知》，指出“为贯彻《交通运输信息化“十三五” 发展规划》……决定开展公路BIM技术应用示范工程建设”[9]。中交集团和中交第一公路勘察设计研究院有限公司主编的“中国公路工程BIM标准编制工作大纲”于2017年11月顺利通过交通运输部审查。交通运输部办公厅于2017年12月发布《关于推进公路水运工程BIM技术应用的指导意见》，指出“为提升公路水运工程建设品质……决定在公路水运工程中大力推进BIM技术的应用”。在国家政策的引导下，我国交通运输行业各企事业单位都相继开展了大量的BIM技术典型项目应用与探索[10]，先后出现了许多先进的具有自主知识产权的计算机辅助设计平台，例如：市政工程鸿业系列、公路工程纬地系列、道路工程EICAD系列等，它们都是我国国内具有独立的本土化知识产权的软件之杰出代表[11]。至此，我国市政设计行业进入了一个设计工具进化的百家争鸣时期。此外，在国内其他土木工程类行业，以BIM技术为基础，基于BIM+GIS平台的跨界跨专业融合应用也相继展开[12]。

2.2 关键问题

BIM技术的出现及引入，为我国市政工程设计行业带来了新的发展机遇，也指明了新的发展路径。但就目前的发展现状而言，在我国市政行业中，BIM技术的发展主要遇到了主体不明、推进乏力、缺乏主动、发展缓慢等问题。BIM技术滞留在“贵族阶层”，基本停留在国家政策及一些大型项目层面，极力推广的主体只是政府和软件开发商，很难在广大普通工程项目中得到积极响应。究其原因，主要集中在两个方面：效益问题和技术问题。

效益问题主要表现在BIM技术的投入主体与获益主体不一致，甚至完全错位的问题。BIM投入一般是在工程前期，而获益虽然贯穿整个工程生命周期，但却比较偏重后期。不同时期的工程参与单位不尽相同，造成投入主体和受益主体不一致或不成比例，打击了投入主体的积极性。

相比于建筑BIM，技术方面的问题是市政行业推行BIM技术的最大障碍。在过去的20 a中，以Autodesk CAD为主要代表的计算机辅助设计平台几乎主宰了我国土木工程建设领域的设计方式，先后出现了市政工程鸿业系列、公路工程纬地系列、道路工程EICAD系列等。目前，计算机设计平台正由“以二维为主的辅助绘图软件应用阶段”和“以三维为主的三维设计软件应用阶段”转向“‘三维+信息’的BIM应用阶段”，但是，由于市政工程的系统性及复杂性，国内尚未出现较为成熟的、具有自主知识产权的市政BIM技术软件平台体系。由于本土化技术平台体系支持的不足，在BIM 技术应用方面产生了很多实际操作层面的问题[11]。例如：由于已有BIM软件的计算机辅助分析能力开发不足，目前仍然无法彻底解决“一次建模多重使用、多个专业协同设计”的问题；在设计阶段引入并应用 BIM技术，由于全国各行业部委尚未出台统一的BIM设计收费标准，各个设计行业的单位在项目前期BIM设计上投入的人力、物力、财力仍然得不到相应的回报。目前交通运输行业尚未建立针对BIM设计成果的统一交付标准，尽管在设计过程中建立了BIM模型，但是在项目设计成果的交付阶段，具有法律效力的项目设计文件仍然为二维设计图表。并且，目前大多数应用BIM技术平台的计算机辅助设计软件尚不具备输出二维设计图表的功能，再加上绝大多数应用BIM技术平台的计算机辅助设计软件具体操作起来相对较为复杂，从而导致大多数习惯于传统的二维设计流程的设计人员难于上手操作BIM软件平台。最终导致在目前绝大多数情况下，设计人员仅仅将BIM技术作为解决复杂设计问题的一种“辅助”方式，而并非作为一种主流的设计与分析手段来加以掌握并推广应用。

3 BIM技术在我国市政工程设计行业的发展前景与技术路线展望

3.1 发展前景

针对BIM技术在我国工程建设领域应用、推广和发展过程中遇到的以上问题，BIM技术在我国市政工程设计行业中的发展前景重点涉及但不限于以下五大方面。

3.1.1BIM技术在我国市政工程建设各个阶段的具体应用分析

针对市政工程专业复杂、工序繁多的特点，从市政工程全生命周期的角度出发，分析BIM技术在市政工程建设各个阶段的具体应用与实践需求。一个市政工程建设项目完整的生命周期包括项目的决策、设计、施工、运营管理阶段。在项目决策阶段，应用BIM技术对城市人口分布、用地状况、资源分布、环境分析、交通状况、经济状况等进行预测分析，从而为项目决策提供必要的、可靠的数据支撑。在工程设计阶段，应用BIM技术对多源数据进行集成，形成完整的地上地下城市信息模型CIM(City Information Modeling)，从而实现三维地形、倾斜摄影、激光点云、建筑BIM模型、市政BIM模型、景观绿化模型等多专业协同设计的最终目的。在工程施工阶段，应用BIM技术实现道路、桥梁、交通设施、地下管线、地铁等全专业集成与优化，并可以进行属性查询，为工程施工提供技术支持。在工程验收阶段，应用BIM技术实现隐蔽工程(城市地下管线、综合管廊等)验收的可视化，从而提高工程验收结果的准确性和可靠性。在运营管理阶段，应用BIM数据库不但可以为工程运营、养护、维修等提供资料依据，还可以方便地进行维护管理数据记录和查询，建立信息查询系统、维修档案记录系统和服务能力评价系统。基于BIM技术在市政工程建设项目的决策、设计、施工、验收及运营管理等各个阶段的具体应用分析，总结提出BIM技术在我国市政工程项目建设中的应用流程，以及基于BIM技术的市政工程设计流程。

3.1.2基于BIM正向设计理念的城市道路设计与优化

针对传统设计方法中存在的路线选线与地形结合不够紧密、道路平纵面组合不尽合理、设计意图表达不够明确等问题，按照我国城市道路设计规范中既定的设计流程，通过合理地使用数字高程模型(DEM)，快速、合理地构建地面模型。基于MapGIS平台进行地质模型构建[13]，便于进一步基于BIM+GIS技术进行城市道路平面线形的地质选线与优化。基于BIM正向设计理念，在不改变设计人员设计流程与设计习惯的前提下，结合三维GIS技术在空间分析和地理位置定位方面的优势进行综合考虑[14]，动态进行路线选线，完成城市道路平面主线的线形设计(确定路线交点及平曲线半径)、纵断面线形设计(纵坡及竖曲线)、平纵面线形组合设计(平包竖及行车视距)及横断面设计(土石方调配)，进而建立道路信息模型(包括道路、桥梁、交叉口、交通设施、绿化及建筑等功能模块)，实现三维全景漫游，并运用公路与城市道路路线设计规则对道路路线BIM对象模型进行检查，从而实现行车安全性分析和道路景观设计与评价等功能。最终，通过一次设计得到传统的施工图二维图表和BIM三维方案两种成果(见图1)。在此基础上，总结提出基于BIM技术正向设计理念的城市道路BIM设计具体流程。

图1 基于BIM模型的城市道路三维漫游及设计评价Fig.1 3D panoramic roaming and design evaluation of urban road based on BIM model

3.1.3基于BIM技术的城市道路信息模型拓展功能开发

目前在国内大多数道路BIM软件的后期使用环节中，由于三维道路模型建立之后的可分析能力开发不足，导致其道路BIM功能并不完整，从而不能实现道路设计中的特定工作需求，最终使得BIM技术的应用价值大打折扣。需通过对道路BIM技术平台拓展功能的深入挖掘，从而提升道路BIM系统的应用范围、应用点及其附加值。根据业主对不同设计阶段的技术需要，建立基于道路BIM技术的安全性预警系统，拓展、开发更多实用的计算机辅助设计功能(见图2)，例如：针对城市道路设计技术指标的违规提示功能模块(包括城市道路路线平曲线的半径选择及平曲线的线形组合、纵面竖曲线的半径选择及纵坡坡度、平曲线弯道外侧超高渐变段、平曲线弯道内侧加宽渐变段等指标是否符合规范要求等)、路线安全性分析功能模块(包括道路通行能力分析、结合地质资料的土石方调配方案分析等)、路基安全性分析功能模块(包括排水不畅路段自动识别、路基边坡坡率超限预警、长度过短路基预警等)、交通安全设施安全性分析功能模块(包括未设中间带的低等级道路炫光分析、不同光线条件对安全设施的影响等)、环保绿化安全性分析功能模块(包括道路两侧绿化植被遮挡行车视距的安全性隐患分析、道路交通环境污染程度及行车安全突发事件处理等)。在此基础上，总结提出基于BIM技术的城市道路BIM模型之拓展功能的开发思路、模型参数及具体流程。

图2 基于BIM技术的城市道路BIM模型拓展功能开发Fig.2 Development of the expansion function for urban road information model based on BIM technology

3.1.4在城市市政地下管线及综合管廊设计中的应用

基于BIM技术应用，在已有的城市道路BIM模型基础上，实现市政管线布置、竖向调整、三维管网碰撞检测与调整以及材料统计等，完成市政管线的施工图设计及BIM模型构建；实现管廊主体结构布设，具体包括管廊的平面路由设计、标准横断面设计、竖向设计与调整、交叉井室设计、节点与附属物、机电设备布置等，完成城市综合管廊的施工图设计及其 BIM模型的构建(见图3)。在此基础上，总结提出BIM技术在市政地下管线及综合管廊设计中应用的具体流程。

图3 BIM技术在市政地下管线及综合管廊设计中的应用Fig.3 Application of BIM technology in design of municipal pipelines and comprehensive corridors

3.1.5基于BIM技术的市政工程多专业协同设计与实践

以陕西渭南高新区创新创业基地市政工程项目为依托，基于BIM技术应用，实现数字地形图DTM(Digital Terrain Model)或DEM处理与分析、城市道路线形(平面、纵断面及横断面)设计与优化，以及道路、立交(桥梁)、交通设施、绿化等多专业协同设计。通过建立道路信息模型，进行三维全景漫游，实现空间行车视距分析、运行速度分析、标志标线合理性分析、交通行车炫光分析、景观和环境分析、设计成果的数字化提交等功能；并结合倾斜摄影数据，最终实现倾斜摄影数据与三维道路、立交(桥梁)、交通设施、绿化等多专业合模展示[11，15](见图4)，为我国市政基础设施建设与管理部门进行城市规划、技术比选及方案决策等提供技术支持。

图4 基于BIM技术的市政工程行业多专业协同设计与实践Fig.4 Multi-specialties collaboration design and practice for municipal engineering industry based on BIM technology

3.2 技术路线

按照“提出问题→分析问题→解决问题→结论建议”的总体技术思路，总结提出BIM技术在我国市政工程设计行业中应用的技术路线(见图5)，其中需要解决的关键问题如下。

(1) 如何将BIM技术与数字地形图(DTM或DEM)紧密结合，基于BIM技术正向设计理念，实现城市道路路线平面选线及空间线形(平面、纵断面及横断面)设计与优化，解决传统设计方法中存在的路线选线与地形结合不够紧密、道路平纵面组合不尽合理、设计意图表达不够明确等问题。

(2) 如何运用公路与城市道路路线设计规则对道路路线BIM对象模型进行检查，基于Auto CAD二次开发技术，开发道路BIM系统拓展功能模块，实现路线、路基、交通安全设施、道路环保绿化安全性分析，确保道路设计方案满足相关规范中的技术指标和行车安全要求。

(3) 如何将BIM技术与倾斜摄影数据合理结合，实现三维道路、立交(桥梁)、交通设施、绿化等多专业协同设计与合模展示，从而提高市政工程行业中各专业的相互协调、相互配合和匹配程度，最终彻底实现“一次建模多重使用、多个专业协同设计”的问题。

其中，拟解决的关键科学问题主要包括道路BIM系统拓展功能模块的数学模型构建及其计算参数选取，以及基于Auto CAD二次开发技术的程序编写。

图5 BIM技术在我国市政工程设计行业中应用的技术路线Fig.5 Technical route of application of BIM technology in municipal engineering design industry in China

4 结 语

(1) 基于BIM技术在我国市政设计行业的应用现状分析，指出目前发展中遇到的问题主要集中在两个方面：效益问题和技术问题。其中，效益问题主要是投入主体和受益主体不一致，而技术方面的问题是市政行业推行BIM技术的最大障碍。

(2) 对BIM技术在我国市政设计行业的发展前景与技术路线进行预测与展望，指出其发展前景重点涉及但不限于以下3个方面：① 建立切实可行、易于掌握的基于BIM技术的市政工程设计方法与流程；② 进一步深入挖掘道路BIM系统的拓展功能，提升道路BIM系统的辅助分析能力，增强道路BIM系统的应用范围、服务水平和附加值。③ 通过开展基于BIM技术的市政工程多专业协同设计与实践，开拓市政BIM多专业协同设计思路，为加快市政BIM推广应用作出贡献。