BIM在市政工程中的应用实践与发展研究

魏国安

（河南建筑职业技术学院，河南郑州，450064）

1 前言

BIM是Building Information Modeling的英文缩写，字面意思为建筑信息模型，于1975年被查克·伊士曼最先提出[1]。伴随着计算机和软件等硬件条件的成熟以及传统的二维图纸设计信息日益无法满足需要的现状，通过三维数字化手段对建筑工程各相关信息建立模型的理念被广泛接受，BIM技术随之迎来了高速发展时期。

BIM是信息化技术在建设工程中的直接应用，通过参数模型整合各种项目的相关信息，为参与各方主体在建设项目的设计、建造和运营管理等整个生命周期搭建一个协同工作的平台。其应用价值在西方发达国家大量的工程实践中已经被肯定，在提高生产效率、降低成本、提高工程质量、缩短工期等方面有很大优势[2]。国内从2002年首次将BIM引入中国，已经在中国的一些大型工程中得以应用，诸如上海中心大厦、香港地区的地下铁工程等，并取得良好的效果。在推广BIM技术应用方面，我国政府层面已将加快BIM技术推广写进《建筑业发展“十三五”规划》中，各地省市政府结合各地实际情况也相继出台了相关政策和规定。由此可见，虽然BIM 技术在我国应用较晚，但是在市场和政策的驱动下不难看出中国的BIM时代已经来临[3]。

2 BIM技术在市政道路设计中的应用

我们都明白任何一项新技术的出现，离不开市场需求。随着城市化进程的加快、土地资源的日益紧缺、建设环境约束条件的增加、向地下、地上空间的发展趋势，使市政道路工程建设较以往更加复杂。而BIM技术在市政道路中的应用中拥有众多价值。

2.1 BIM 在市政道路设计应用中的优势

在BIM广泛应用之前的CAD时代，市政道路的设计中要将复杂的市政道路展现在二维空间中，但由于传统CAD制作出来的二维图纸存在冗繁、错误率高、变更频繁、协作沟通困难等缺点，而BIM技术在道路设计中的应用存在着巨大的优势，主要体现在：一、BIM技术的应用能将设计理念准确、完整、直观的在三维模型中表达出来，展现市政道路完工后的样子；二、基于BIM强大的模拟、分析能力，能够及时发现设计缺陷，并采取措施整改优化，有效减少施工返工率；三、基于BIM各模型中庞大的属性和几何数据，能对道路的各种工程量进行自动化精确计算，减小误差、节约人工成本；四、BIM信息模型的搭建方便多专业人员共同协作完成大规模的市政道路设计工作。在国家大力提倡节能减排与可持续发展理念的背景下，利用基于BIM模型的能耗分析软件可以在设计初期对工程的能耗进行模拟，减少为满足低能耗要求的设计修改频率。

2.2 BIM 在市政道路设计应用现状

BIM技术在市政工程行业得到日益深入的应用与推广，以BIM技术为基础的Civil3D、Bentley等软件在市政道路设计中应用较为广泛，其应用主要体现在以下几个方面。

1.地形图处理和道路中心线绘制

通常情况下，市政道路勘测单位会向设计单位提供的地形图分为两种:二维地形图和是三维地形图。与二维相比在三维地形图中的高程就是其实际的高程。

在整个市政道路设计中，因为道路中心线的设计与绘制需要考虑众多控制因素，因此是设计过程的重点。这里以三维地形图为例，运用BIM 技术经过中心线穿插、中心线转化、线路构建共三个环节来完成市政道路中心线的初步设计，此后结合设计中的各项要求对设计方案进行优化和调整[4]。

2.道路横向断面设计

因为道路工程的特点，在整个设计中重点通常就是道路的横断面设计。依据拟建道路等级和具体要求，横断面设计内容主要包括车道和人行道布置、路基结构层和路面宽度设计、桥梁断面布置几个方面。借助Civil3D软件的科学设计，能够保证BIM数据信息模型的准确性。在设计过程中通过对断面各材料属性的精确设置，可以实现自动精准统计工程量，节约人工成本；利用节点参数化的特点，可以快速实现道路、桥梁的变宽变化，方便设计变更。

3.道路纵向断面设计

国内常用的道路设计软件针对道路纵向断面设计都有一定优化，其主流的设计流程为：首先根据拟建道路的地理条件等信息，完成编制原始路面的线路文件，此后在设计软件的协助下构建原地面线，接下来市政道路工程设计人员借用已经构建的原地面线完成拉坡线绘制工作，在绘制过程中根据设计要求对拉坡线进行实时调整，完成道路纵向断面的设计[5]。

图1 实景建模

在市政道路设计过程中不仅要有先进的软件做基础，同样必不可少的是完善的标准和依据，目前可用于道路桥梁工程的BIM标准有：上海市的《道路桥梁信息模型应用标准》、河南省的《市政工程信息模型应用标准》、《铁路联盟的存储标准》和中勘协BIM系列丛书的道路桥梁分册。

3 BIM技术在市政道路设计中的应用案例

国内在一些大型市政道路工程中已经将BIM技术融入到了设计过程中，本文着重以郑州在建的四环路为例进行介绍。如图2，郑州市四环路是中国乃至世界最大的一条市政工程，全长93公里，高架65公里,地面加高架150公里，采用节段预制梁桥设计和施工工艺，设计期限一年，施工期限一年，工期非常紧，本工程的BIM应用主要集中在可视化工程环境、参数化精确建模、三维配筋、节段预制梁精细化设计四个方面。

图2 郑州市四环路

1.可视化工程环境

利用无人机航拍与三维实景模型创建可视化工程环境。无人机航拍分两个阶段：第一个阶段是现场踏勘阶段，利用无人机对全线进行了航拍，大大缩短了设计人员踏勘的时间；第二阶段，创建实景模型，给工程设计提供一个真实的现场环境，如图3所示。

图3 无人机巡查系统

2.参数化精确建模

采用参数化精确建模技术。主要包括：参数化路线设计、参数化桥梁上部结构设计和参数化桥梁下部结构设计。

利用参数化路线设计工具完成平曲线、竖曲线设计任务。路线成果支持参数驱动，通过改变关键变量数值驱动模型改变。当路线变化时其他专业设计成果均随路线成果实时更新。通过创建箱梁横断面模板，约束关键点变化关系实现参数化桥梁上部结构设计，实现参数化模板断面，并利用条件约束工具，指定变化位置与变化规则，实现参数化变截面箱梁设计。后期可根据需要，直接更改关键变量数值实现设计成果更新。通过创建参数化单元的方法实现变截面复杂变化墩柱的设计，根据设计需求，从截面、实体构建、几何体空间关系等维度进行参数化控制。图4展示了西四环高架跨南水北调中线干渠大桥的BIM模型。

图4 西四环高架跨南水北调中线干渠大桥

3.三维配筋

利用桥梁结构设计模型进行结构分析与钢筋配置。可以直观显示复杂的结构和钢筋在三维空间布置情况，降低读图难度，有效指导现场工人加工生产。利用准确详尽的钢筋数据信息，通过与钢筋加工机械的配合，可效地提高钢筋下料生产效率。

4.节段预制梁精细化设计

郑州四环路工程中，采用的是节段预制桥梁的工艺，其中西四环节点预制梁就有2.13万块。从预制梁的加工、生产、运输、安装到构建跟踪，对工程质量来说都非常重要。以BIM技术为切入点，通过建立参数化标准预制梁，并与梁厂生产工艺相结合，做到打通设计施工环节间的信息壁垒，精确指导构件生产。图5展示了节段预制梁精细化设计过程。

图5 节段预制梁精细化设计

另一个BIM在桥梁工程中的案例，是BIM技术在波形钢腹板组合桥梁中的应用。依托公司设计的3座各具特点的波形钢腹板组合梁特大桥，率先在国内开展了波形钢腹板组合桥梁的BIM技术应用与研究工作，主要包括参数化设计、可视化施工交底、施工工艺模拟、施工进度模拟、施工过程信息管理。

通过软件的二次开发，对项目开展施工过程的信息管理。将施工过程中的现场照片、图纸、文件等资料，与模型的相应部件及节点进行关联链接，可在BIM模型中随时查阅各类施工信息，有助于提高施工企业对项目的管理效率。

4 结语

随着时代的发展，我国的市政道路建设发展方向也悄然发生改变，正由传统的短平快向更复杂、更有创造性转变。BIM技术的产生，一方面利用三维技术解决了二维的局限性，另一方面利用BIM技术构建的共享的建筑信息体系，各专业可实时共享有关工程的各种信息，为该工程从建设到拆除的全生命周期中的所有决策提供可靠依据。本文从BIM技术的概念和其在市政道路设计中的应用优势入手，并以郑州四环路的建设作为具体应用的案例进行了研究。虽然在建市政道路工程中BIM技术的应用比例较小，但是在住建部将加大推广BIM技术在新开工项目中的应用写进《建筑业发展“十三五”规划》的背景下[6]，BIM技术的应用必将成为主流。