BIM技术在市政与滑坡治理工程中的结合应用

陆洋， 朱璨

（长江勘测规划设计研究有限责任公司）

1 技术背景

BIM 最初的含义是建筑信息建模，即通过三维数字化手段对建筑工程各相关信息建立模型，现在则被当作一种理念引申开，不再局限于建筑本身[1]。随着我国建筑信息化建设不断推进，BIM 技术也逐渐成为建筑行业热议的概念，被越来越多的建筑企业所应用[2]。当前的城市道路等工程建设均呈现出一定的复杂性，利用传统的技术对工程中的三维空间部分进行设计难以形成良好的效果，因此，市政道路设计需要应用到更加先进的BIM技术构建三维模型[3]。BIM技术高速发展，可以整合工程构件的几何信息、造价数据、物理属性，构成一个涵盖大体量数据的模型，为设计标准化管理提供支持。因此，探究BIM技术在市政道路设计中的应用具有非常重要的意义[4]。

2 案例工程概况

案例项目位于我国中部山区某城市，其主要建设内容包括市政工程与滑坡治理两大部分。其中，市政工程包含一条红线宽度33m、全长3.6km的城市主干路，一条红线宽度15m、全长1.5km的连接线，两处互通立交，三座桥梁，以及配套的排水、照明、交通、绿化工程。滑坡治理工程涉及两大滑坡体、共五个滑坡区带的整治。滑坡区均位于道路路中或道路下缘，对道路工程的整体稳定具有决定性的影响。

本项目BIM应用的难点主要有四点。

①本项目地处山岭重丘区，高边坡和结构支护技术复杂。根据有关规范及地方审查要求的规定，土质边坡高度超过8m、岩质边坡高度超过20m的为高边坡，属于超过一定规模的危险性较大的分部分项工程；土质边坡高度大于20m、小于100m，或岩质边坡高度大于30m、小于100m，或填方边坡高度超过20m的边坡属于超限边坡。本项目全线边坡危大率超过80%，其中共有15 处、总长共计2km 的段落属于超限边坡。在设计上，针对不同地质条件，需要合理设置不同的开挖坡比；部分穿越滑坡区的边坡，需与滑坡治理工程综合考虑；填方边坡需要设置土工格栅、反压护坡等增强路基稳定性的技术措施，而对于深挖段，则需要根据开挖级数、开挖面地质特性采用三维网防护、圬工骨架支护、锚杆挂网等多种治理形式。在传统的二维设计中，需要根据地质剖面结合道路横断面带帽结果逐断面复核边坡处理措施，效率低下。

②滑坡治理工程在国内罕有三维设计先例。由于BIM 是由房建领域发展起来，逐步拓展到其他工程领域，对于涉及地质结构、岩土力学计算的地灾类工程，没有可以借鉴的实例。而在本项目中，滑坡治理是市政道路建设的先决条件，整个工程场地的稳定性决定了市政道路的整体稳定，进而决定了片区后续开发的自由度，在项目的总投资中更是占据了近半比例。因此，虽无成熟经验，本项目依然需要探索BIM在滑坡治理工程中的应用方法。

③专业间协同难度大，在传统二维设计中往往各自为政，导致重复计量或结构物衔接不良。例如，匝道桥梁设计时未考虑道路超高，导致桥面与路面产生十几公分的高差；排水专业仅凭道路设计高程与平面图布设管井位置，未考虑边坡设置情况，导致部分管井与管道暴露在路基之上；又比如土方工程中，滑坡治理时考虑一遍削方减载的开挖量，道路工程在路基土方计算时又重复考虑一遍这部分方量，导致最终完工工程量与设计工程量产生较大差异，在项目审计时造成许多麻烦，这在传统二维设计中都很难避免。

④根据当地规定，本项目属于大型市政项目，图审时必须同步交付、审查二维图纸和三维模型，因而需在短时间内里同步完成二维及三维设计。目前国内在大型市政项目上的BIM 应用仍以翻模为主，而当地严格的审查规定在时间限制上断绝了先设计后翻模的可能性，因而也对设计团队的正向设计能力和BIM综合应用能力提出了更高要求。

3 BIM技术在案例工程中的综合应用

3.1 BIM应用技术路径

3.1.1 方案阶段的技术路径

本项目兼具市政道路与山区公路的特点，因此在方案设计阶段，首先使用Infraworks抓取项目片区的地形，进行高程分析，使设计者对片区地形地貌产生直观概念。城市道路线位由规划控制，故在地形模型上叠合城市规划图进行平面布线和竖向设计，根据地形条件进行桥位布置，并快速统计桥梁工程量与项目总填挖方量，便于比较各方案的填挖造价。对线形指标不良、断面填挖不理想的路段，利用组件道路功能快速查看逐桩断面辅助线位优化。最后将方案模型从Infraworks 无缝导入Civil 3D，进行下一阶段的深化设计（见图1）。

图1 方案阶段的技术路径

3.1.2 深化设计阶段的技术路径

在Civil 3D 中，滑坡治理与道路专业协作完成滑坡治理后完工曲面。随后进行路线、路面及路基边坡设计，形成道路模型。基于道路模型进行出图、并提取数据给下游专业，完成桥梁、交安、给排水等专业设计，隧道专业依据道路专业提供的数据确定抗滑桩桩位，导入Inventor 进行细部设计及出图算量。最终所有专业在Infraworks 中进行模型整合（见图2）。

图2 深化设计阶段的技术路径

3.2 建立高效的路基部件系统

针对本项目沿线多高填深挖的特点，使用Subassembly Composer + Dynamo for Civil3D 建立了高效的路基部件系统，包括边坡部件与挡墙部件两大部分。边坡部件在挖方段可判断地层属性自动改变开挖坡比，在填方段可自动设置反压护坡与土工格栅，仅需一个部件即可完成全线80%以上边坡的自动化设计。挡墙部件内置数十种断面尺寸，支持三种设计模式——按地形曲面自适应的曲线墙底模式、传统手动拉坡模式，以及全自动设计模式，以适应不同的设计需求。模式1适用于方案阶段建立概念模型；模式2遵照传统设计习惯，可满足深化设计所需；模式3 在模式2 的基础上进行了改进优化，通过填写关联Dynamo for Civil3D 的excel 表格，就能一键完成分段墙底线设计、模型生成、信息提取等一系列步骤，形成完整的工程量表，大幅减少重复工作和出错率，尤其适合山区长距离挡墙的自动化设计（见图3）[5]。

图3 挡墙部件由二维向三维集成的转化

3.3 在滑坡治理工程中采用三维正向设计

滑坡治理作为三维设计的边缘领域过去少有人涉足，而本项目成功打通了滑坡治理专业的三维正向技术路线。首先根据地勘资料对滑坡覆盖层分区进行分解，分别制定治理方案。对于削方减载方案区域，使用Civil 3D进行参数化削坡处理；对于结构物支挡方案区域，使用Inventor进行抗滑桩结构的精细设计，利用Python 自制插件将设计成果导入有限元软件进行复算，保证设计的合理性与安全性。最后，将成果导入Navisworks中，进行施工者视角模拟和桩位复合，直观检查设计成果（见图4）。

图4 滑坡体分解建模

3.4 形成基于C3D+X 的专业协作与数据传递体系

以滑坡治理与道路专业间的协作为例，将前者的地质模型与滑坡数据与后者的地形模型相结合，形成滑坡治理后曲面，成为道路专业后续建模设计的基础，亦能避免滑坡清方计量重复。道路专业将道路模型要素线提给滑坡专业，通过自制插件，沿要素线精确定位抗滑桩，有效避免结构物衔接不良的问题。对道路工程下的细分专业，通过打通Civil 3D与理正岩土、海特涵洞、纬地土石方、鸿业交通工程和给排水设计等的数据接口，形成了一套C3D+X基建工程三维设计体系。

3.5 通过代码集定制提升三维出图效率与质量

针对原生图纸样式不符合图审要求、标注操作繁琐的痛点，利用Civil 3D的代码集系统，制作了数百种标注样式，借由定制部件代码集与样式库的关联，使道路专业各类图纸表格得以按国内图审标准进行输出，更可满足特殊需求。例如，平面图区分填挖和场平区域，横断面图自动绘制土工格栅并标注铺设长度。滑坡治理专业自主研发了填表式的出图插件，即使对inventor操作不熟练的员工也可轻松上手，批量建模出图。

4 结论与展望

在国家大力推进基建行业与信息化相结合、推广BIM 技术在行业纵深发展的今天，工程师须与软件开发人员通力合作，从软件二次开发着手，深耕特定细分领域，打通各专业软件间的数据接口，实现专业间的有效协作，提高专业成果利用率，以效率创造经济效益。传统市政工程与其他类型工程的交叉领域，正是拓展BIM技术应用场景的前沿阵地。