BIM技术在市政路桥设计的应用与启发
——以南台大道南段道路工程设计为例

刘熠彪

(福州市规划设计研究院 福建福州 350108)

0 引言

BIM即建筑信息模型，是利用数字化技术建立起虚拟的建筑工程三维模型，为具体工程提供完整的、与实际情况一致的建筑工程信息库，帮助工程有关人员实现建筑信息集成，从建筑的设计、施工、运营直至建筑全生命周期的结束。也就是说，待建的工程各种相关信息始终整合于一个三维模型信息数据库中，设计团队、施工单位、设施运营部门和业主等各方人员都可以基于BIM进行协同工作，有效提高了工作效率、优化设计步骤，保证设计的科学性，节约资源，降低成本，实现建筑工程项目的可持续发展。

基于此，本文拟以福州市南台大道南段道路工程设计为例，详细介绍BIM技术在市政路桥设计中应用及其实际效果。

1 项目概况

该工程全长4.26km，宽度50m～70m，为城市快速路，是城市南向的快速放射线，两环之间的快速联系通道，路线起点段新建二环路北园互通，实现南二环与南台大道南段互通，路段设高架连续跨越迎宾路、凤山路东段后设地道下穿义序路,终点接三环路螺洲立交。其中，二环路北园互通实现南二环与南台大道南段的互通,，立交型式为喇叭形，共设置7条匝道，主要考虑南台大道南段与二环路之间的联系，其它转向交通和直行交通通过地面交叉口解决。因此该项目工程设计难度大，各方协调工作复杂，如图1～图2所示。

2 设计阶段BIM技术应用分析

设计阶段，市政道路桥梁设计引入BIM技术。BIM技术提升市政路桥设计质量与效率主要体现在全线三维可视化平台应用、精细化设计、碰撞检查、工程量精确统计、基于BIM模型的二维图纸生成等几个方面。

图1 南台大道全生命周期示意图

图2 项目总平图

(1)全线三维可视化平台应用

构建BIM模型，包括全线三维模型、重要节点、关键局部模型等，三维视图促使设计方更加立体、直观、全面地展现设计成果。

在设计阶段即能直观地看到工程完成后的样子，解决了传统CAD二维设计方法表述不完整、不准确等问题。

设计中，建立了全线三维模型，其中较复杂模型二环路北元互通7条匝道和3环螺洲立交的真实模拟，并在此基础上进行方案论证和调整。立体地解决了匝道的优化性、美观性以及桥面净空规范性和桩柱的合理布局；同时，其他关键节点如主线高架、主线地道都通过全线模型直观地解决与原状地形的契合、现有道路的衔接。对设计人员而言，有问题可以及时发现；对业主而言，和心理预期有偏差能及时知道，把问题解决在萌芽阶段。另外，通过三维模型的排查，如桥梁局部模型、人行地下通道模型，增强了设计的合理性、减少了变更与返工，保障了设计方与施工方之间的有效沟通。设计成果的三维立体化展示，提高了项目的实用性，缩短了施工技术交底时间。

(2)基于BIM的精细化设计

南台大道项目设计中存在一些复杂的桥梁构件及道路交叉节点(图3)，传统CAD二维图纸对这些复杂构件及节点表述比较困难，以往设计图纸在设计信息表述上时常不够完整，大大增加了施工方对图纸意图的理解难度，容易出现一些与施工图设计不符的情况，产生不必要的变更，进而增加不必要的成本投入，导致经济损失。该项目设计，基本运用了BIM精细化设计。以某段桥梁和道路交叉节点为例，某段桥梁为单箱三室钢箱梁截面为闭口薄壁截面，抗扭刚性强，顶板、底板面积都比较大，其正负弯矩的承担能力性能强，并且在市政路桥中得到了广泛应用。桥梁上部结构，根据规范要求，构建各类族库，如钢箱梁底板族、腹板族、悬臂族、桥面铺装族等，然后利用确定的标高平面和两个竖直平面交点设置一个自适应点组装起来形成完整的上部结构；桥墩为双柱矩形墩上加盖梁尾墩帽，首先确定一个带盖梁柱子式墩的模型族，接着新建一个自适应公制常规型族，根据已知自适应点，设置盖梁顺桥向宽度约束参数为L。然后进行盖梁族与墩柱族插入，调整逻辑参数K，确定墩柱的位置，构建拱圈、承台、走道板等参数化结构族。最后，依据勘测资料、地理信息等基础数据，借助构建参数化结构族库，按照从整体到局部、从零件到构建的顺序进行定位，建立起桥梁BIM模型。同样的，某复杂的道路交叉节点经过精细化设计建模、渲染后，跃然于眼前，化复杂难解为简单有序。基于BIM精细化设计，通过BIM模型应用平台5D技术，在施工阶段能够对质量、进度、成本精细化管理，从而更好地控制项目，如图4所示。

南台大道整体模型 桥梁局部模型

图3 项目全线模型，重要节点模型

图4 精细化设计图

(3)碰撞检查、各专业协同设计

碰撞检查，主要通过BIM模型检测工具发现项目中图元之间的冲突，这些图元可能是模型中的一组选定图元，也可能是所有图元。协同设计是对多个专业及其关联进行协调设计，它将原本独立的各项关系有机联系在一起，同时还能够根据实际要求对这些关系不断优化和更新。在结构复杂的市政路桥设计中，CAD二维图纸设计是将不同的架构分别绘制在不同的设计图纸上。因此，设计中无法避免一些考虑不周的情况，而导致一些管道碰撞、部位冲突等情况；另外，专业设计人员之间，由于沟通不善，也容易引发一些设计问题。模型检测工具能够快速检测以上这些问题，并优化传统CAD设计的不足。

在该项目工程设计中，道路模型被细分成了几十种子模型，有些子模型又由更精细的子模型组成。例如，桥梁由主梁、盖梁、墩、系梁、承台、桩等10多种子模型组成，这些子模型之内高内聚，之间低耦合，由于子模型之间的耦合是明确的，所以很容易合并，并且能立即发现冲突情况(图5)。同时，因为子模型之间的低耦合性，它们可以分配给不同的人负责设计，从而实现协同。总之，采用了Revit链接管理与工作集和协作化管理工具Teambition，在建模、整合、碰撞检查等方面大幅降低了设计不周导致的一系列失误。通过BIM模型对施工阶段的构件和管线、建筑与结构、结构与管线等进行碰撞检查、施工模拟等可以实现设计优化。

图5 协同设计、碰撞图

(4)工程量精确统计

由于国家对于工程浪费等现象管理严格，社会对精细化设计的要求高。工程量精确与否，某种角度上取决了工程浪费的与否。传统的工程量统计，造价人员需从图纸中逐一计数来统计设备、部件、管道等，然后分类统计于表格中，它具有工作量大、费时、繁琐、要求严谨等特点，约占全部工程预算编制工作量的50%～70%，且其精确度和快慢程度将直接影响工程预算的质量和速度，而BIM技术能够实时、准确地提供所需的各种工程量信息，快速生成相关数据统计表。先前的施工预算超支现象十分普遍，缺乏可靠的技术数据是造成超支的重要原因。BIM模型本身就是一个富含建筑构件工程信息的数据库，借助这些信息，快速做出精确的工程量统计。该项目全线模型完成精细化设计后，能够快速生成各种工程量，并获得各项工程量清单。将BIM构建过程中生成的工程量清单与二维CAD设计图纸的构建清单对比，可以快速、精确地检测出基于二维CAD图纸设计中存在的工程量统计问题，如图6所示。

图6 项目工程量统计图

(5)基于BIM模型的二维图纸生成

该项目基于深度LOD(Level Of Detail)100-200的三维模型，生成符合初步设计深度要求的设计图纸，大大减轻了设计人员的工作量。传统的二维图纸说明未有连动性、冲突不易检查且不含信息等缺点。因此，变更设计后同一部位的图纸说明可能分布于多张二维图纸说明中，若不能将图纸说明全部清图检查，且修改处若没全数修改，则容易产生错误的图纸说明信息，导致施工现场的施作误解、施工界面产生等问题，需要花额外的时间检讨、沟通、检查，影响后续工期或施作作业。而BIM模型内的部位皆含三维可视化、连动性、参数化、信息化，同部位的二维图纸生成虽然也分布于不同视图中，但因视图由同一个三维模型剖切而直接产生，同部位只需修改一次即可，减少了相关部位变更次数，并且可将修改过的部位进行冲突检测，提早仿真修改后的方案有无部位碰撞问题，确认修改是否合适或有更好的方案选择，可克服传统二维图纸说明检查时人为疏失或难以察觉的缺失，确保图纸说明数据正确性。

3 结语

近年来，BIM技术在市政、公路行业已经有了相对广泛的应用，该项目集合了市政道路、高架桥、地下人行通道的大类的综合项目，在设计阶段引入BIM技术，优化了设计环节，即通过构建BIM模型，对三维可视化应用、精细化管理、工程量统计、碰撞检查等，效果十分显著，大大提高了设计质量，同时也使得设计与施工能够有机结合起来。本文对此项目设计过程进行总结研究，旨在为日后类似工程设计应用BIM技术提供一定参考经验。

目前，我国在BIM技术领域的发展和推广还处于初步阶段，执行标准还不够统一，但BIM技术是设计理念的一次飞跃，正在引发工程设计领域的又一次变革，虽然暂时会有一些阻力，但设计走向BIM是必然趋势。