基于BIM技术的市政专业设计难点及解决方案

吕乔

重庆市设计院有限公司 重庆 400015

引言

近年来，BIM技术作为建筑信息化发展战略的重要组成部分，得到了广泛推广。目前，BIM技术主要应用于建筑工程中，在市政工程中的应用并不常见，尤其是在市政工程设计中，缺乏可全面推广研究的成功案例。究其原因，除了市政工程本身线性、带状、体量大等特点外，还有软件支持程度低、工具使用成本高等问题。随着市政行业BIM解决方案的多样化和计算机技术的不断成熟，市政工程设计过程中相应的技术难题也得到了一定的解决。

1 应用BIM技术的优点

在设计技术方面，BIM技术是将三维模型作为核心，在这一模型中对数据进行集中存储，项目图纸仅是三维模型在二维形式上的表达方式；在展现设计成果方面，BIM技术可以通过直观、形象的三维方式对建筑形体进行呈现，这就方便了各方之间的沟通和交流；在具体设计流程方面，BIM技术可以对整个设计流程的每个环节进行全面分析，让各方都能够参与到项目的各个阶段，从而进一步完善设计方案的质量；在实现设计价值方面，BIM技术凭借自身三维模型信息的全面性，不仅能提高设计人员的设计质量，还能够对建筑可持续、节能环保等方面的功能进行有效完善。应用BIM技术能够构建工程三维模型，同时融入成本控制与施工进度，构建5D模型，能更加全面地反映工程实际情况，帮助管理人员实现工程的可视化管理与实时跟踪，可以更好地配置资源，保障工程顺利开展。BIM技术还可用于施工交底，借助BIM技术可视化的特点，帮助施工人员更好地掌握施工重点难点，解决施工技术难题。涉及市政工程管理的多个部门，可借助BIM技术的可视化以及动态进行有效沟通，使各部门工作更加协调[1]。

2 BIM技术的市政专业设计难点

2.1 环境匹配性差

传统市政设计中，由于设计工具束缚，设计中缺少高度变化信息，只能在二维图纸中用数字标识高程信息。以CAD地形图为底板进行线路规划和设计。该方式由于缺乏直观高程变化信息和周边建筑物、构筑物等内容的空间信息，尤其是在当前城市拥有地铁、综合管廊，空间立体交叉背景下，设计人员多靠想象与现场勘察获取的资料进行设计，设计内容与周边环境的契合度很难满足要求。另外，城市发展速度较快，设计过程中周边环境不断变化，依靠频繁的现场勘察也是不现实的。市政工程需考虑整体景观功能，如人行道、自行车道、桥梁等设计元素，更多地从品质化和人性化角度进行设计。同时，针对城市景观缺乏问题，城市管理者意将市政工程标志性建筑打造成为城市新风景与会客空间，如城市高架桥，不仅需要考虑其功能要求，也要考虑其造型需求。这也是当前市政设计的一项重要内容。

2.2 设计缺乏合理性

传统市政设计普遍存在的一个设计难题是交叉口布置。如果未对路网进行合理规划、充分估计近期和远期交通流量，容易导致交叉路口发生拥挤、堵塞等现象，从而造成交通瘫痪等严重问题。尤其是随着城市车辆大幅增长，交叉口拥堵问题变得尤为突出。对于道路设计，虽然成果满足设计规范，但是否合理还需要参考设计人员经验，如车速模拟、视点模拟、景观模拟，这是二维设计无法实现的。综上所述，传统二维设计由于在空间关系表达上存在天然缺陷，无法直观展示三维设计成果，以及完成方案论证、校核及模拟分析功能，而BIM技术则能很好地解决这一问题[2]。

3 BIM技术的市政专业设计难点的解决方案

3.1 工程量统计

为了进一步提高市政给排水管线工程的效益，在具体工作过程中，设计人员必须切实做好工程量统计工作，并对BIM技术进行充分利用，确保计算结果的精确性，实现对工程成本的有效控制。在这一过程中，BIM技术既可以生成有针对性的建筑模型，还可以对管线分类进行优化，以便造价人员更加全面地汇总工程施工中所需的各种管道材料数量和规格、类型等，从而编制出更加合理、科学的管材报价表，进一步提高造价的准确性，并有利于相关人员对整个市政给排水管线工程的效益情况进行更加合理的评估。与传统造价相比，借助BIM技术除了能够提高造价的准确性，还能够减少工作人员的工作量。同时，待完成三维虚拟模型构建以后，设计人员可借助该模型对市政给排水管线设计中存在的各种不足和问题进行全面分析，针对部分可能发生的问题，可提前采取相应的预防措施，从而确保整个管线的正常运行。随着我国市政给排水工程数量的不断增多，排水管线数量显著增多，管线布局也愈加复杂，这就极大地增加了市政给排水管线设计的难度。若设计人员仅仅凭借管线的运行情况来调整管线的参数，则增加了工作量，也很难确保设计质量，为此设计人员应积极应用BIM技术，在工程计量中获取管线运行的各项数据，然后对管线的运水量进行准确计算，以此合理调整流速。另外，设计人员应对市政给排水管线运行中可能出现的问题进行充分分析，采取有效措施，有效降低管线渗透发生率，提高管线运行质量，减少管线的维修成本。

3.2 虚拟施工

虚拟施工是基于虚拟现实技术和仿真内力分析计算技术对施工方案的整个过程进行模拟和优化，具有先试后建、避免返工、节约成本等特点。BIM模型的建立是虚拟施工技术实施的关键，国内外学者对建立BIM模型进行了许多优化研究，还提出将智能优化算法与模型相结合的策略，为市政工程中虚拟施工的应用提供一定的理论支撑。除了对BIM模型优化与虚拟施工进行研究以外，国内学者和各大建设单位都在致力于将BIM技术应用在不同实际工程中，但真正应用虚拟施工技术的市政工程项目还相对较少，主要集中在道路桥梁方面。将BIM虚拟建造技术应用在某新建城市快速路修建项目中，通过对复杂环境下的交通组织、地下管线复核等模拟，成功解决了施工场地狭小的难题，提高了工程的可建性。在沉管隧道中引入了虚拟施工BIM建模技术，不仅通过三维可视化的展示提高了项目各参建方内部沟通效率，还利用BIM技术构建的三维信息模型完成了各专业间的碰撞检查与设计校核，提升了设计质量与精细化水平。

3.3 模型构建及组合

市政工程项目隐蔽工程较多，反复开挖容易导致压实度质量波动，回填不均。在施工前，如果图纸梳理程度不够，施工先后顺序颠倒，易造成浅管先埋下，深管再挖开；专业分包队伍多，存在交叉施工，一旦出现错、漏、碰、缺，易导致窝工费及工期延宕，提升项目成本。针对上述情况，一方面采用无人机进行实景建模，实现工程概览，航拍图片可以处理成点云，进一步构建地模，借助Civil板块进行工程土方分析。对各构筑物进行分拆并构建模型，进行工程量统计，同时在建造过程中，借助revit软件，对于个别重要、复杂施工部位，可精确模拟预演现场施工过程，减少因施工顺序、施工技术不合理造成的返工和浪费[3]。

3.4 BIM技术在设计管理过程中的应用

设计是市政工程的初始阶段，应用BIM技术能够为该阶段的管理提供支持，通过BIM技术能够将勘测、地基建设、挖方以及审核等方面的施工情况直接呈现给管理人员，模拟各个阶段施工，帮助制定工程工期，还可以帮助管理人员结合不同施工阶段整理所需的材料及相关资源等。另外，应用BIM技术的模拟设计功能，能够更好地分析图纸设计存在的不足，及时进行完善。比如应用BIM技术构建图示数据，通过模拟运算测试重点结构的连接情况。通过这种方式可提前排除工程中的安全隐患，保障市政工程建设安全，降低工程风险。此外，应用BIM技术还可以帮助落实各部门的设计要求，实现各部门间的交互与沟通，为设计阶段的管理提供了极大便利。

3.5 科学规划管道

在市政给排水管线建设过程中，相关工作人员可利用BIM技术更加充分地掌控施工图纸，并依据给排水线路规划设计要求和规范对市政工程的给排水管道运行情况进行科学规划，再结合具体工程需求制作出细致的管道规划图纸。通过BIM技术的应用，可显著降低由于相关工作人员参与诸多数据测量工作而造成的高失误率，在很大程度上节省了人力资源，并能够得到更加准确的工程建设数据。在这一过程中，相关工作人员只需将所有的数据信息输入计算机系统中，即可获得对应的工程建设图纸，这就促进市政给排水管道工程建设工作的高质高效开展。在强化整个市政给排水管道工程建设环节中，相关工作人员应提前充分掌握BIM技术的应用特征与相关概念，然后结合技术的具体要求，不断提升自身的专业知识能力与技能水平，且在具体设计中利用专业知识科学合理地开展市政给排水管道规划与设计工作。对于市政给排水管道规划而言，由于现有的管线与规划管线数量种类非常多，加上管线之间存在较多的交叉，管线之间距离比较近等，若依然沿用以往的二维设计方法，往往会遇到各专业之间交流困难、设计协调难度大、施工难度大、设计变更多等问题，故而在具体规划过程中，设计人员应利用BIM技术对现状构筑物与管线的具体情况进行科学合理的分析，借助数字建模的方式对现有管道进行分析，使之能够与规划管道协同，从而在极大程度上降低了给排水管道的施工难度[4]。

3.6 碰撞检测

基于BIM模型，施工人员可以在施工前对不同专业组合而成的空间进行碰撞检测，并将碰撞点反馈给设计单位进行更改，防止施工过程中发生设计变更而造成施工成本增加或耽误施工进度。在市政工程中，城市轨道交通线路和地下管线的铺设大多采用非开挖技术进行施工，而采用BIM技术可以对多线路交叉的复杂部位实现三维可视化设计，直观地展现地下空间场景，有效解决交叉碰撞的问题，避免了安全事故，提升了空间使用率。将BIM技术应用在综合管廊项目建设过程中也是近年来的研究热点。在利用BIM技术模拟综合管廊项目的施工过程中，不仅成功发现施工过程中潜在的结构冲突和安全隐患，还模拟了关键施工节点，保证施工方案科学合理，为后期大型城市地下综合管廊的建设发展提供了技术支持。综上所述，BIM技术可以加快推进市政工程行业从粗放型向精细化的转变，更好地响应了政府部门所倡导的建筑工业化、绿色建筑、智能建筑的理念。

3.7 BIM技术在地形勘察管理中的应用

市政工程涉及城市内部的重新规划，在工程开展前需进行地形勘察，为工程设计及施工方案等的制定提供参考。通过地形勘察了解市政工程地形状况，结合地形状况开展项目可行性研究。但传统勘察方式的人工消耗量较大，需通过人工进行地形及地质等的测绘及勘探。这不仅增加了人力成本，还会受到地形的限制，若地形复杂，很难保障地形勘察的准确性，而BIM技术的应用则可以有效避免这些问题。通过无人机采样，将地标高程数据导入BIM软件中，借助BIM软件实现地形的模拟，使地形勘察更加便捷，数据信息更加精确[5]。

4 结束语

市政设计是一个传统领域，无论是从设计人员专业素质方面还是从软件发展方面，市政工程进展都明显落后于建筑行业。市政设计BIM应用滞后是综合性的，既有行业特点本身因素，又有传统观念束缚。城市建设步伐的加快又进一步提高了市政建设要求。随着行业对BIM理念理解进一步加深，BIM技术进一步成熟，相信BIM技术会给市政设计带来更为深远的价值和影响。