BIM技术辅助城市快速路设计及协同管理应用

文｜李健 贲庆国

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，在桥梁领域也逐渐慢慢展开。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。

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

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

结构BIM模型建立

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Bentley 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

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

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

与传统桥梁计算软件对比，将该模型导入RM bridge进行结构计算。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。

综合管廊工程初步设计内容为工程总体设计和配套的结构、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。

表1 管线种类表

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以保证数据的准确。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OpenBuildings Designer 软件进行建模工作，精细化的设计使设计更加丰满。最终完成的综合管廊BIM模型如图6所示。

图6 综合管廊BIM模型

分析应用

结合倾斜摄影模型与主体结构模型进行总装（如图7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项目模型，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模型准确的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7 总装BIM模型

效益分析

经济效益分析。采用BIM技术带来的经济效益主要表现在三个方面：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，导出精确地工程量清单，制定了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。

以隧道工程为例，对于暗埋段的横断面结构尺寸，传统的设计思路是经验丰富的设计师通过在脑子里构建3D模型然后再通过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模型则可以轻易的暴露这些问题，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，折合成本约400多万元。

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技术不仅仅可以做结构分析，而且还可以做景观分析。通过LumenRT软件，可以做景观设计和路灯夜景设计，如图8所示。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8 扬子江项目景观设计图

扬子江大道快速化改造项目运用了Bentley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模型来准确的统计工程量，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BIM技术的支持，可提高设计方案的准确性和设计人员的工作效率，同时也可节约工程造价，为实现整个项目后期建设及管养信息化、智能化提供基础。该项目的实际应用更好地推动了BIM技术在市政工程设计领域的发展及完善。