BIM技术在市政道路工程施工图设计阶段的应用研究

谷 健，余 鹏，王 敏

中国市政工程西南设计研究总院有限公司，四川 成都 610000

传统市政设计行业采用CAD等二维平面设计软件进行建模，并通过大量文字辅助说明的方式解释工程方案。这种方式的弊端是非专业人士很难全部理解，且表达效果不佳，影响设计效率和后续工作质量。考虑到市政工程自身施工环境复杂，多层结构如立交、高架、下穿道路繁多等特点，这种传统的平面设计结合效果图及文字说明的设计方式亟待革新。因此，采用一种更加直观、形象的表达方式是市政设计行业一直期望的。

BIM技术又称建筑信息模型，它可以将建筑的设计、施工等各种信息整合于信息数据库中协同工作，提高效率、节省资源，以实现施工可持续发展。如今，BIM技术日趋完善，这种新兴技术给许多传统土木工程行业带来了革命性的改变。

BIM技术是建立在已有的计算机辅助设计软件之上的集成式的多维模型信息技术。BIM模型作为可承载建筑工程物理及功能信息的数字化、可视化载体，常被应用于项目的全生命周期管理中。完整的BIM模型是通过各部门设计人员将各自专业的设计部分完整、协调地整合到一个特定的工程项目信息模型中得到的。

BIM的三维可视化模型技术可以通过特定的视点、速度对整个工程模型进行全景式的漫游，营造出虚拟现实效果，针对工程项目有一个直观、清晰的展示。在市政道路工程施工图设计中应用BIM技术，可以有效地克服传统市政道路设计的种种弊端。

1 研究思路

市政道路工程施工图设计阶段涉及的专业繁多，包括道路、结构、排水以及交通设施。可见，实现市政道路可视化建模的关键是如何建立各专业的独立模型，并将这些模型整合在一起。研究主要基于Bentley系列软件对道路工程部分进行建模，主要内容有地理环境、道路平纵横、路面结构、绿化带、路灯、行道树、排水、交通设施等。具体的创建流程如图1所示。

图1 道路工程建模创建流程

具体而言，道路工程模型涵盖的范围分为线路、路面、路基模型。线路工程的主要内容包括线路的空间位置、几何线形、横断面布置与模型的组合空间占位等。模型单元包括平面线段、平面直线段、平面圆曲线段、平面缓和曲线段、纵面线段、纵面直线段、纵面圆曲线段、里程段、横断面组合体、机动车道、非机动车道等。路面工程模型的主要内容由路面的分幅情况确定，包括路面采用材料情况、具体的结构组合情况、计算以及验证内容等。路基工程的内容有力学参数的验证，如弯沉值指标、压实度参数、路基单层厚度参数、地基加固中加固桩的设计工法及计算、细部结构的明确与精度的提升等。另外，排水设施工程的范围包括排水管道的空间位置确定、排水设施组合、排水沟的数量位置及材料的确定、排水系统细部构建设计、碰撞检查等。桥梁结构工程的主要内容是计算定义桥梁规格、确定桥面结构形式及材料、确定桥墩桥台的结构形式及材料、确定桥梁在线路的空间位置，以及线路与桥梁的过渡设计等。

2 工程案例分析

2.1 工程概况

顺河路道路位于成都市郫都区郫筒街道，道路建设场地西临郫温路，东接蜀信西路，北临中信大道，南接蜀信路一段，道路呈东西走向。道路现状为农田等未开发地块，规划为住宅、绿地等。

此次根据规划道路红线开展道路设计工作。工程为城市次干道，道路全长892.656m，设计实施长度为862.267m，道路规划红线宽度为24m，两侧设人行道，人行道宽3m。道路起点与郫温路相交，道路终点与蜀信西路相交，东临拟建的郫都区人民医院，交通便捷。场内地形平坦，各孔口相对高程在557.04～564.37m。地貌单元为岷江水系Ⅰ级阶地。

此次研究涉及的是施工图设计，设计部分是K0+000～K0+354.221段道路工程。

2.2 道路模型创建

（1）地形模型的创建。提取初步设计阶段图纸中的高程信息点，导入Bentley OpenRoads软件中，生成空间三维三角高程网，如图2所示。

图2 地形模型的创建

（2）线路模型的创建。道路平面设计可参考一般的道路设计，常用的方法有曲线法及导向线法。生成道路平面线形后，可进一步设计道路纵断面，具体流程是根据第一步所创建的地形模型及平面线形提取出道路中心线处的自然标高，之后通过初步设计阶段的纵断面坡度数据和竖曲线要素进行拉坡设计。道路横断面设计则是按照设计需要，提前设计标准路基、路堑横断面参数，通过线路中心线的空间位置以及三维地形自动生成道路横断面模型。另外，BIM设计把路面结构也整合到了横断面设计中。BIM技术在线路工程方面相较于传统设计方式的优点如表1所示。横断面结构图如图3所示。

图3 横断面结构图

表1 BIM设计与传统设计对比

（3）交道设计。线路设计过程中有与既有线路交汇的部分，这就涉及BIM的交道设计，Bentley软件的交道设计只需输入两条线路的平纵横位置信息、车辆车速控制信息，即可自动输出合理的过弯半径，并依据过街距离的合理性增设渠化岛和过街岛。

（4）立交设计。先确定立交的空间位置，即平纵横参数的确定，这点类似于道路设计，但是为了保证后续纵断面检验通过，要尽量注意控制立交道路交汇处的纵断面设计标高和坡度保持一致，不能出现悬空或者坡度突变的情况。城市立交入口应该根据设计规范、行车速度、道路等级情况对出入口的坡度和曲线半径等参数进行合理调整，主线分合流处的位置、半径，以及各类车道的几何空间尺寸也同样应该根据道路的设计参数做出相应合理的调整。

2.3 排水系统模型创建

市政道路排水专业BIM模型主要包含雨污水管道和各类检查井。

（1）排水系统平面设计。根据市政单位的城市污水处理规划图，对比前文步骤中道路设计的部分高程位置，规划出合理的排水管线布置的平面位置。平面设计完成后应结合相关规范及工程计算结果，对管道尺寸、材料、空间位置等参数进行初步调整，之后将设计的管道与既有的检查井连接起来（通过雨水口连接管）。

（2）排水系统纵断面设计。排水系统纵断面设计是基于地面纵断面设计的，无论是竖井图号的选择，还是对于选定断面的绘制功能，都需要有相应的节点在路面纵断面上的坐标。具体的管道纵断图设计可分为如下步骤：定义管道坡度→定义管道标高→雨水口连接管道标高→管道标高交互设计。完成上述竖向设计之后，还应该利用Bentley软件的碰撞检查功能对排水系统的管网空间位置进行检查，以避免管网相互碰撞等不合理现象的发生，使之满足规范要求。

2.4 桥梁结构模型创建

（1）市政高架、立交桥梁设计。与排水设施相同，都是在道路的空间平纵横位置确定的基础上进行建模。首先应该确定的就是桥梁上部桥面以及下部桥墩桥台的结构形式，并通过确定结构形式来定义桥梁的规模。桥梁规格定义的子步骤依次是防护栏杆的定义、主梁形式的定义、桥面结构方案的整体设计、桥梁下部墩台的规格设置。通过以上的设计，即可确定桥梁上下部分组成形式及组成内容。确定桥梁形式和组成之后，还应该在线路中定义桥梁的部分，主要流程是定义桥梁分幅，设计桥梁的起点和终点以及起终点的桩号，根据路面高度定义桥梁的跨度、高度与跨径。

（2）过街天桥模型设计。过街天桥模型设计类似于市政桥梁的BIM设计，也分上下部分。设计的第一步是定义中轴线，之后进行桥面梁的尺寸控制，确定桥底的限制高度与建筑限界，定义桥墩的空间位置和几何参数，设计天桥两侧梯度参数，最后进行装饰物等的设计。

2.5 模型渲染

模型渲染采用Bentley公司的LumenRT软件。将上述建立的信息模型导入渲染软件中，并在渲染软件中调整设置模型的材质、位置、环境、场景后进行渲染，最后的效果如图4所示。

图4 渲染效果图

3 结束语

文章通过工程案例分析，研究了BIM技术在市政道路工程施工图设计阶段中的应用思路以及具体的实施流程。运用BIM的三维可视化技术可以直观地查看工程项目的相关信息，将市政道路工程施工图设计方案全方位、直观、真实地展现出来，一改往日市政设计的复杂且平面化的设计模式，为后续高效率的施工奠定基础。同时，BIM的多专业信息整合功能便于市政工程的信息交互与储存，相当于构建了模型数据库。