市政道路工程BIM正向设计应用研究

摘要：针对BIM技术在市政道路工程正向设计过程中存在的问题，文章以兴安盟经济开发区风电产业园道路工程项目为例，研究市政道路BIM正向设计流程方法。通过道路工程、交叉工程、给排水工程、涵洞工程等专业在BIM正向设计关键技术方面的研究，提出基于Civil 3D及Revit的多专业三维动态设计、校核、出图方法。工程应用结果表明，通过BIM技术可实现多专业协同设计、土石方算量、从模型中导出图纸等，打通了从设计到出图的全流程，实现了模型数据的流转，推动了市政行业的数字化转型。

关键词：BIM技术；正向设计；市政工程；三维出图；设计校核

中图分类号：U412.1+2A591985

0引言

自2016年起，我国相继颁布相关政策推动基础设施建设全要素、全周期的数字化。2021年，国务院印发的《国家综合立体交通网规划纲要》中提出，到2035年我国交通基础设施的数字化率要达到90%。BIM技术作为基础设施全生命周期信息的载体，是推进建筑业数字化转型的关键。因此，提高BIM正向设计能力，推动BIM模型在全生命周期的应用符合基础设施数字化的发展要求。

道路工程BIM正向设计是指从项目草图设计阶段至交付阶段，全过程由BIM三维模型完成，交付内容是三维模型及基于模型剖切生成的图纸。各参建方通过准确且带有信息的模型进行沟通，能够打破传统行业间信息传递壁垒，实现多向信息交流，提高设计交底工作效率，减少设计变更。此外，BIM正向设计交付也为下游单位提供了很多有用的信息，优化的设计方案对工程进度、质量以及建成后的使用效果、经济效益等方面都有着直接的影响。

1正向设计的思路方法

BIM正向设计与传统道路设计最大的区别，为基于BIM平台可以实现多专业的协同设计校核、信息的综合调用及流传，其主要流程如图1所示。在项目前期制定各专业统一的建模标准和项目样板；在方案设计阶段，基于Infroworks、Civil 3D等软件进行道路整体方案设计选线及原始场地分析；完成路线设计后，各专业在各自的本地文件进行方案设计，主要包括道路平面、纵断面、横断面设计、平面交叉口设计等，并基于部件编辑器进行路基路面设计，基于Revit软件进行路基结构、桥涵、管线等具体构造物设计，并将设计成果上传至统一的BIM中心文件，进行集成碰撞检查分析及可视化设计校核［1-2］；平台反馈问题后，各专业继续在本地文件进行模型深化设计并同步上传至平台进一步校核，直至施工图设计完成；通过Civil 3D软件进行土石方量统计，并通过Civil 3D软件快速生成道路平面、纵断面、横断面图纸，通过Revit快速生成桥梁、涵洞等结构物三维图纸。通过正向设计，实现了全过程设计信息自动留存，方便多专业设计人员更直观、高效地进行集成设计［3］。

2BIM正向设计实践案例

2.1工程概况

兴安盟经济技术开发区风电装备制造创新示范产业园道路工程设计施工总承包项目位于乌兰浩特市东南20 km，全长14.378 km，包含主线和连接线。主线全长13.220 km，其中新建段长度为8.738 km，改建利用段共4.482 km，连接线全长1.158 km。该路段主要服务大型风机运输，对道路设计有特殊要求。此外，项目工期紧、任务重，涉及多专业交叉频繁，对施工控制要求严格，迫切需要借助BIM正向设计，提高多专业协同能力，确保工程质量。

2.2BIM正向设计准备

BIM设计需要在多文件、多专业间进行文件数据信息共享、并向施工、运维阶段传递信息，因此统一、规范的模型数据规则将极大地提高工作效率和成果质量。基于兴安盟项目特点，充分考虑后续在施工、运维阶段的需求，形成本项目的模型命名规则及模型细度规则。

命名原则考虑各专业特点，主要包括8个部分，名称组成见表1。根据不同应用阶段及应用要求，模型构件的命名选取不同字段组成。此外，项目还定义了模型的拆分规则及各阶段模型细度规则，在后续路线、路基路面、桥涵管线设计过程中，严格按照命名及拆分规则对模型进行标准化设计，为模型检索及后期模型向施工运维传递奠定基础［4］。

2.3BIM正向设计

2.3.1总体设计

进行总体设计之前，首先要建立地形曲面。建立方法主要有两种：（1）将无人机航拍形成的点云数据导入Infraworks软件进行设计建模；（2）将等高线、高程点在Civil 3D软件中进行三角构网，形成地形曲面再贴图。接着进行曲面分析，将地理信息模型导入Infroworks软件进行项目总体方案设计，将规划路网信息、土地利用信息、道路、水域、村庄、现况管线等项目相关信息集成，形成區域路网图，如图2所示，清晰展现项目周边情况。基于包含多方面信息的三维地形、地物曲面，可以辅助设计人员快速进行路线方案设计，对路线、结构物的合理性进行动态分析比选。

2.3.2路线设计

在Civil 3D软件中进行道路设计，其实和传统的纬地、EI、鸿业等传统路线设计软件很类似，便于设计人员熟悉和操作。和传统设计一样，先进行平面线形设计，本项目采用的是导线法。直接通过夹点编辑功能，快速完成选线。Civil 3D软件在平面设计过程中，支持基于规范的路线设计，可以快速依据规范要求对设计方案进行检查［5］。

在完成平面设计后，系统会依据道路曲面自动绘制目标曲面纵断面，为设计人员提供参考。本项目在纵断面设计时，考虑周边规划道路、已建道路标高的影响，将相交路口和环岛作为高程控制点。添加完控制点后，通过“快速纵断面”功能，可以自动完成纵断面设计。设计的主要依据是高程控制点、规范要求的最大纵坡、最小纵坡等。设计人员通过夹点编辑功能调整竖曲线的长度和半径后，即可快速完成纵断面的细部设计优化。见图3。

2.3.3路基路面

路基设计首先要确定路基横断面形式，在Civil 3D软件中将其称为“装配”。道路模型是通过横断面装配串联起来的。本项目依据设计需求通过部件编辑器完成了兴安盟项目道路装配设计，包括装配设置详图（如图4所示）。通过横断面装配在目标曲面上进行放坡，并通过控制装配沿线的加密情况完成路段的道路模型创建。本项目由于部分利用旧路，同一条道路涉及多个横断面，通过部件编辑器分别设计新建段装配及连接段装配形式后，快速完成全路段路基横断面设计［6］。

在进行路面结构设计时，通过部件编辑器可以以三维形式更清晰地展现路面各层材料及厚度，如下页图5所示。利用建立的路面结构模型可生成道路实体模型，通过制作路基图表模板，以参数化形式实现程序自动生成图表，极大提高了生产效率。

2.3.4交叉工程

本项目在交叉口设计过程中主要考虑加铺转角半径是否满足风机运输最小转弯半径的特殊需求（根据风电企业中广核产业园提供的《叶片参数及运输条件的要求》，路线转弯半径≥60 m）。通过Civil 3D软件“自动交叉口建模”工具，可以按需求完成交叉口的自动创建，该功能基本可以满足所有常规平面交叉口的设计工作：（1）创建交点，选择两条需要建立交叉口的道路，确定交叉口交点，路线需要已经完成平面与纵断面的设计；（2）进行交叉口相关信息的设置，确定道路的优先级、相交道路加辅转角参数、车道坡度、加辅转角纵断面参数装配等内容后，即可自动生成平面交叉口［7］。本项目依据需求对加铺转角进行编辑修改，修改之后数据会动态更新到平面图与模型中，如图6所示。

Civil 3D软件修改完成的交叉口模型可以导入Infraworks软件中进行路口渠化设计，并以车辆动态的视角模拟不同阶段的行车状况（如图7所示），以此验证方案合理性、辅助设计方案比选及项目评审论证。此外，通过平台可以辅助设计人员动态进行导改方案的设计，生成多阶段动态导行方案，有效提高设计效率，保证设计质量。

2.3.5涵洞工程

在Civil 3D软件中进行场地分析及汇水分析，基于人行过街需求和排水需求，确定涵洞的位置及具体结构形式。通过可视化设计，确定全线涵洞的数量及点位，包括过街通道11道、机耕通道1道、排水通道2道。在Civil 3D中提取出对应的位置、高程参数，导入Revit软件中，通过Dynamo参数化的方式完成混凝土盖板涵的设计建模（如图8所示），清晰展示桥涵通道端部八字墙位置结构，精确统计材料用量，提高设计效率和成果质量。

完成涵洞设计后，可以将路线、路基、路面等专业的设计成果一同导入Infraworks软件中集成，从全局的角度进行涵洞位置形式设计校核。涵洞的设计成果也能及時反馈给总体、路基等专业，实现了全专业协同校核以及数据的留存和共享。

2.3.6给排水工程

本项目随道路新建一条给水管、一条污水管。（1）依据给排水需求，确定给水管和污水管管径。在Civil 3D软件中依据标准化流程设定，按项目需要选定所需的管材及接口，设计给水管道管和污水管的管顶覆土控制在2.2 m左右。（2）完成设定后，系统会沿路线快速建立给水、污水管线。（3）在完成管线建立后，还需要在管道沿线预留给水支线及污水支线，通过自定义设定菜单栏，可以快速辅助设计人进行手动添加［8］。

完成全部的给排水管线BIM模型建立后，平台会自动生成管道、阀门、弯头等材料的工程量清单，将给排水管线模型导入Navisworks软件，可以快速进行碰撞检查（如图9所示），并同步生成碰撞分析报告。设计完成后，将管线模型导入Infraworks软件集成（如图10所示），辅助设计人员更清晰、直观地查看各类管线的布置情况，更准确地对设计成果进行把控及优化，提高设计质量，最大限度减少资源成本浪费。

2.4BIM正向设计应用

2.4.1BIM土石方算量

道路路基主体模型是不规则的，传统软件土石方量计算原理是通过分段计算棱柱体体积的方法获得。分段的细度对工程量的精度有很大影响，但Civil 3D软件可以直接生成道路实体，实现土石方量的精确计算和提取。具体的计算流程主要分为四步（如图11所示）：（1）设置采样线与采样线编组；（2）定制土方量标准；（3）土方量计算；（4）生成材质报表［9］。

通过Civil 3D软件土石方算量，不仅可以保证项目中土方计算的精度，还能通过定制土石方标准，快速生成材质报表，在直观有效开展土石方挖运分析与运算的基础上，实现土方平衡计算的精确化与精细化，对项目成本管控有重要支撑作用。

2.4.2BIM出图

在完成路线设计后，通过Civil 3D软件可以实现平纵横快速出图。平面设计完成后，设定好出图样板，本项目采用的是上下两个视图（如图12所示）：上面和传统二维图纸类似，方便展现具体尺寸标注；下面同步三维模型，更形象立体。纵断面设计出图是根据设计需要自定义纵断面出图样式和特性，通过出图向导快速完成（如图13所示）。当纵断面发生调整时，所出的相关图纸会联动改变。和纵断面出图类似，横断面设计出图也通过出图向导，确定横断面出图范围、高程区间、数据栏标注样式等，快速完成横断面图纸集的创建。创建完成的图纸可以实现与模型联动，极大节约了图纸反复修改的时间［10-11］。

涵洞等类似结构物出图主要在Revit软件中，需要设定好统一的图框和模型剖切的断面，控制尺寸大小，确保同一构件的同一位置，尺寸在不同视图能够保持一致。当完成设定后，之后的出图可以直接应用此样板，省去重复工作。在发生设计变更后，仅需对模型修改，所有视图对应尺寸自动修改，不再需要对每个视图进行尺寸校核，规避了传统方式的人为修改误差，提高了出图效率。基于前述模型剖切方法，出具本项目的涵洞图纸如图14所示。

3结语

本文以兴安盟经济开发区道路工程为例，探索了道路、涵洞、给排水等专业BIM正向设计的实现路径，提出了各专业正向设计的思路方法，实现了各专业可视化设计校核、碰撞检查、三维出图等，有效排查工程设计问题，取得了较好的效果。

BIM正向设计也存在一些问题，如Civil 3D软件适合做道路、管线等线性结构物的设计，但在盲沟、盖板沟等特殊结构物建模方面功能薄弱，要更好地完成设计需要借助多款软件。由于软件间的坐标系不一致、数据格式不统一等问题，使得软件间无法实现精准、全面的数据互通，这些问题是后续需重点攻克的方向。

参考文献

［1］刘海强，张科超，王少华.基于BIM技术的道路平面定线算法研究［J］.市政技术，2021，39（10）：17-19，23.

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［7］黄亚栋、刘阔、郭雨鑫.基于公路工程設计BIM系统的高速公路正向设计［J］.交通科技，2020（6）：71-73，84.

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［11］周鑫，范华冰，王伟，等.正向设计逆向突破——武汉东湖·阿丽拉酒店BIM正向设计的实践与探索［J］.中国勘察设计，2022（S1）：54-57.

作者简介：雷运良（1987—），助理工程师，研究方向：路桥管理。