BIM技术在市政道路中的应用

文／唐妙 长沙市市政工程有限责任公司 湖南长沙 410000

引言：

BIM代表着一种新的理念和实践，是一种创新的建筑设计、施工和管理方法。长期以来，我国市政道路设计大多采用基于AutoCAD的二维平面设计模式，难以直观全面展示设计对象信息，严重制约设计行业的提升发展。加上设计项目越来越复杂，二维设计方式已逐渐无法满足工程设计的需要，亟须引入BIM技术，实现多专业的三维协同设计，有效解决设计难点、保证设计方案合理可行，同时搭建以BIM模型为基础的BIM综合协调管理平台，集成项目管理流程，实现基于本项目的管理流程定制化部署。平台需包含模型管理及浏览、图纸管理、权限管理、BIM进度管理、BIM质量安全管理、BIM成本计划管理、BIM智慧工地、任务管理等功能。同时将业主方、设计方、总承包单位、分包单位、监理单位及其他各参建方纳入平台管理，根据管理职责进行权限分配，实现各参加方基于互联网的协同管理。本文主要围绕此展开详细分析。

1、BIM技术概述

建筑信息模型（BIM）是继计算机辅助设计（CAD）技术后出现的建设领域又一重要的计算机应用技术，通过建立数字智能化模型对项目的设计、施工以及运维等过程进行优化管理，为运营维护管理提供全模型数据仓库与工程资产全信息管理，BIM技术和理念将成为未来整个建设行业技术的发展方向。

本文主要围绕BIM技术在市政道路中的应用展开分析，目前常用的道路设计BIM软件有Bentley、revit以及3DEXPERIENCE等平台，其中bentley基于道路系统进行研发应用。目前，BIM技术在道路设计建模方面已经得到实现，随着bim的建筑信息模型设计交付标准、建筑信息模型应用统一标准、建筑信息模型施工应用标准、建筑信息模型分类和编码标准等一系列标准的颁布以及实施，极大地鼓舞BIM行业大步向前发展。

2、BIM技术在市政道路中的应用优势

2.1 充分体现设计者的设计意图

BIM技术可以创建更直观的3D数据模型，有效地避免了相关的缺点。例如在现有的二维设计模式中无法更好地反映设计形状，应用BIM技术可以对市政道路建设的相关效果进行三维模拟，设计师和操作员可以清晰地感受到市政道路的建设效果，反映市政道路设计师的设计目标。

2.2 项目工作量计算快速准确

市政道路设计过程使用传统的2D设计技术（例如CAD）来估算当前的设计工作量，在路面技术和安全计算上往往会出现比较大的误差。通过运用BIM技术中的三维立体设计模块，可以相当准确地了解长度、体积、面积等设计特征。基于准确的数据，可以实时相应地调整工作量，及时了解道路施工进度，因地制宜，高效及时派遣施工人员。

2.3 较强的模拟分析能力

市政道路设计阶段采用BIM技术可进行项目快速建模，实现BIM框架下道路、桥梁、管网、绿化景观照明的协调设计，提高项目效率。BIM技术可呈现项目在初始设计阶段完成后的影响，展示最终效果，可以从各个角度进行分析。这使设计师能够在设计早期发现设计缺陷，并及时调整和改进项目计划和概念，展现出BIM技术在工程中强大的建模模拟和分析能力。

2.4 可实现全生命周期运维运用

安全管理：利用智慧工地云平台和普华powerBIM可视化工程管理协同平台、Web管理平台、手机移动平台，组成BIM应用平台，结合现场监控系统和安全巡查，将收集和处理的安全问题挂接到对应位置、记录发生时间，智慧工地云平台、普华powerBIM可视化工程管理协同平台和Web管理平台端同步记录问题发生的各种信息，显示项目区域间发生安全问题的频率和状态，为项目安全生产提供问题保障。通过光感传感器、运维平台与报警系统联合使用，对各种原因误入施工范围内的人员发出警报，保障行人的安全。

进度管理：将进度计划文件与模型文件、工程量清单等进行链接，结合现场施工进度对数据进行实时汇总，使现场任意节点的施工进度及所需资源能实时查看，同时可以对实际进度和计划进度进行对比，为编制人员、材料、资金等资源计划提供参考。

质量管理：通过三维模型和平台的应用，进行三维可视化交底、方案模拟、资料挂接、变更管理等方式，增加交底的准确性、加快项目信息的传递，为保障施工质量提供保障。

3、实例分析BIM技术在市政道路中的应用

3.1 工程概况

本项目为某市政道路工程，机场中轴大道是衔接场外集疏运道路与场内交通系统的主要进出场道路，全线长约4.5km，（其中高架段约1.1km，向南与场外机场中轴大道南段衔接，地面段约1.3km，隧道段约2.1km，向北与场外机场中轴大道北段衔接），道路段红线宽度123m；主路高架桥主线为双向十车道，辅道规模为双向六车道，主辅路之间通过匝道衔接。进出场道路包括中轴大道主线、中轴大道辅道、工作区平行匝道、工作区平行匝道、辅道调头弯匝道、工作区衔接匝道、工作区衔接匝道、南北贯穿隧道东线、南北贯穿隧道西线。航站区道路包括航站区地面道路、进场路匝道。雨水、污水等附属工程：航站区及沿中轴大道敷设的雨水、污水工程及其附属工程。工期紧要求高，业主对BIM技术应用非常重视，明确提出需要采用BIM技术应用，并在招标文件中列出了具体要求。

3.2 BIM总体策划

本项目在实施初期策划了完整的BIM应用解决方案，明确了应用内容、流程、标准、组织、计划及具体应用措施等，并按照策划内容组织实施过程管理，顺利实现了设计与施工全过程BIM综合应用。本工程基于bentley以及revit软件进行建模，并使用这些自研软件进行正向设计和三维建模，再组合使用其他软件开展BIM应用，并实现了各软件之间的模型和信息共享，旨在借助BIM技术手段，合理优化设计方案，提高设计效率，控制施工进度，减少工期，降低成本投入，从而提高设计质量和施工管理水平，保障项目的顺利完成，并为后续的项目运维管理提供数据基础。

本工程BIM协同平台是基于普华powerBIM开发的面向工程参建各方的施工项目管理软件，包含项目总览、设计、施工、进度、质量、安全、合同、投资、系统等管理功能模块，支持对各类静态或动态数据的录入和修改，可把BIM软件创建的模型和信息，按照时间关系导入5D数据库（3D模型+1D时间+1D内容），实现对模型和信息的统一整合和管理，为设计阶段和施工阶段的BIM应用提供平台支持。

3.3 BIM模型创建

3.3.1 构件化建模方法

设计阶段的BIM模型主要分为针对设计图纸进行模型的深化和重建工作，主要体现为：

（1）土石方与地基处理工程模型需要进行重新建模：原地面地形地貌已发生变化，需要对原地面地势模型进行重新建模；施工过程中的检验批土石方模型需要随着施工进度时时重建。

（2）排水工程模型需要进行重新建模：排水工程的路线图纸发生变更，原排水沟BIM模型沟体的高程、沟体结构厚度等尺寸不符合图纸要求；原设计排水沟BIM模型的节点均未建模或简单处理，需要重新建模；原设计排水沟BIM模型均未进行钢筋建模，施工BIM阶段需要对钢筋模型进行重建。

（3）道面工程模型局部需要进行修改、部分需要进行重建、部分需要深化：道面板未进行分缝和刻槽处理，需要对原BIM模型进行局部深化修改；道面标志标识模型需要进行提量，需要对原设计BIM模型进行底漆细化；原设计BIM模型的传力杆、拉杆等存在碰撞、位置摆放不对等问题，需要对原模型进行修改。建模的内容及具体方法如下：

1）土石方与地基处理工程

对排水沟的填挖方土石方量进行精确计算并与设计工程量进行对比。

①建立原始地形

通过CNCCBIMOpenRoads的过滤地形功能提取复测的原地面高程数据从而形成三维地形图。为后面的土方计算做数据依据。

②建立排水沟路线的平面、纵断面。

③建立沟渠开挖横断面模板并通过廊道功能建立沟渠开挖模型，然后统计出工程量（填挖方量）。

④使用CNCCBIMOpenRoads的出工程量表工程对整个开挖出土石方数量计算表。按照每20米一段出工程量。用以辅助施工。

边坡模型由于设计图纸变更，原设计边坡BIM模型无法使用，需要根据新建立的排水沟模型的外边线提取边坡坡脚线，进行边坡建模；

原设计模型边坡模型中的护坡处理、六棱柱砖等模型均未体现，故该部分的模型需要重新建立，利用Microstation将护坡六棱砖做成单元进行匹配放置。

2）排水工程建模（多种类排水沟的影响，交汇节点的影响）

①依照沟体开挖断面同样思路进行路线的平纵断面建模，依照设计断面进行横断面建模，在横断面模板中设置参数控制横断面变宽变高，实现沟体的参数化设计。

②按照伸缩缝的要求，20米绘制一节沟渠，中间留出2cm的伸缩缝。通过把沟渠主体转化成智能实体之后，使用Microstation进行泄水孔的建模。每500米范围内设置一条检修步道。

③沟渠的节点处，使用Microstation的基本功能，画好面，拉伸、剪切、布尔运算等操作，建模节点的底板、侧墙、顶板、挡土墙等结构模型。然后通过其精确坐标系移动到对应高程和坐标位置上。

④对于暗沟的传力杆等细部构件，我们先制作好传力杆单元，然后通过放置单元的功能批量放置，这样既实现了构件库的建立，又保证了文件的轻量化。

3）道路工程建模

①道路基层

道路的平纵横断面和沟渠的建模方式一致，不做重复赘述，道面基层采用线模板的方式进行建模。

②路面工程

使用路面的边线和中线形成一个地形，然后用面模板的工程把地形赋予路面结构层。

③围界

采用Microstation对围界模型进行放样，然后创建成单元，进行布置。

④标线

将场道工程的标线复制出来，在CNCCBIMOpenRoads中使用压印功能把标线印到已制作好的道面上，同时提取标线曲面，分别生成底漆和面漆模型。经测试复核，压印标线精确度符合标准。

⑤钢筋建模

根据施工需要及设计要求，建立钢筋节点、施工缝节点、变形缝节点、异性混凝土节点等模型。

钢筋部分运用Prostructures，常规构件可以通过自动拾取构件的截面参数和形状，并且可以通过不同的形状自动选择钢筋的初步布置方式；

异形构件主要是解决主筋和箍筋，不管布置主筋还是箍筋，对于异形体都可以批量的布置，不需要一根一根的去布置；钢筋的方向，可根据构件提取的导向线来控制。并且可以通过不同的钢筋显示模式控制钢筋：支持单线模式、线框模式、草图模式、渲染模式。

3.3.2 方案展示和验证

本项目施工场地复杂，大型设备与材料物资经常运输存在一定交叉协调困难，本项目在大型设备进出场及吊装方案编制实施前，拟采BIM通过预先设立的大型设备进场及运输路线，采用BIM技术模型进行大型设备进场及运输吊装模拟，验证施工方案的可操作性，优化施工方案。

3.3.3 虚拟现实设计优化

基于BIM多专业合成模型，结合虚拟现实（VR）新技术手段，制作了整个工程项目的交互式漫游场景，对景观设计方案进行以下多处优化。（1）通过沉浸式漫游体验，验证了桥下广场的景观设计方案；（2）根据虚拟代入体验结果，优化了部分浮雕、灯光及绿化的细节设计；（3）桥梁下部通过以浮雕、绿化覆盖、夜景亮化等方式优化，弱化了与文物本体的正面冲击，使之与古运河整体风貌相协调。

3.3.4 交通仿真优化

建基于BIM模型，制作的项目全景浏览链接，可以通过分享链接在PC端直接打开、浏览项目模型。

3.3.5 辅助设计及复核

（1）多专业协同三维设计

在协同工作环境中，依据项目BIM应用实施策划要求，搭建项目各专业BIM设计模型，包括道路工程、桥梁工程主体及其附属的地质、土建、管线等，以及工程周边市政管线、地面交通系统等BIM模型创建。

（2）设计方案可视化效果表现

在设计方案中，根据桥梁不同设计方案要求，创建相应的桥梁BIM模型，以三维可视化的形式展现方案的设计理念、思路和细节表现，辅助设计方、业主、政府相关部门协调沟通，便于进行设计方案比选和快速决策。通过可视化直观方式，看出不同设计方案条件下的主桥结构以及周边环境之间的相对空间位置关系，有助于设计人员改进设计方案，辅助业主进行方案决策。

（3）工程设计方案漫游

以规划的项目道路、桥梁BIM模型为基础，结合无人机航拍的周边环境模型、市政管线模型及地下建构筑物模型，直观展示工程整体设计方案成果，进行仿真漫游，虚拟展示工程建成实景并判断周边环境的影响，尤其是线路与现状路网及相关工程的关系，桥梁匝道口位置、停靠站与周边环境的关系等，在方案阶段妥善处理与周边建构筑物的关系，避免错漏碰缺，辅助设计方案优化。

（4）碰撞检查与三维管线综合

本项目桥梁上部结构中钢筋及波纹管密集的情况，通过建立钢筋及钢束结构BIM模型，对BIM模型进行碰撞检测，优化设计图纸，辅助现场施工作业协助方案优化，有效减少了钢筋与预应力波纹管的冲突问题，提升施工效率和品质。

（5）工程量复核

根据设计清单工程量统计要求，采用BIM技术手段对工程土建等工程量辅助统计，核对设计统计量与BIM工程量，复核差异较大的项，提高工程算量的准确性。

（6）景观艺术方案动态呈现

基于前期方案建立的周边地表、市政管线等模型，并根据景观设计方案资料创建景观绿化方案模型，整合各专业设计方案BIM模型，以三维可视化仿真形式展现桥梁、道路关键节点景观方案的设计理念、思路和细节表现，辅助设计单位、建设单位、政府等相关部门进行景观绿化方案协调沟通，优化和稳定景观绿化设计方案。

（7）桥梁装修效果仿真

基于桥梁BIM模型可快速完成多个装修方案模型，对方案进行可视化展示，体验桥梁建成后真实环境，有助于方案的优化和快速落地。

（8）BIM+VR沉浸式体验

本桥梁为变截面结构，针对异形渐变结构施工质量控制的难点，结合BIM模型找出异形结构中关键部位及复杂工艺工序的最优方案，使用“BIM+VR”的形式进行技术交底，提升工程品质。

结语：

综上所述，BIM技术在我国现代道路工程建设中发挥着重要作用，基于BIM技术可以高效完成工程设计与优化，在计算工程量、攻克施工难点和提高施工质量、安全方面具有极为突出的作用，同时在后续运维管理过程中都能发挥较大作用。