BI M正向设计在市政项目中的应用

潘国瑞，赵亮

（中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，昆明650051）

1 引言

市政项目具有综合性强，覆盖专业广，受限因素多，方案变更频繁的特点。在项目推进过程中，经常面临时间紧、任务重、人员紧缺以及交互不畅导致多次返工等问题。为提高设计效率，建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技术虽有一定的应用基础，但普遍是先通过BIM团队对设计方案进行理解，然后运用BIM软件实施建模设计[1]。加之传统二维CAD图纸是由几何图块作为图形的基础骨架，这些几何图块数据并不能被设计流程的上下游专业重复利用，此方法并未对上述不足进行实质性的改进。采用BIM正向设计，即严格按照设计流程，利用BIM技术进行参数化设计，在确定相对稳定的设计方案后将模型导入软件进行计算，可以充分发挥BIM技术的优势，将工程项目在不同阶段的工程信息、过程和资源集中通过数字模型体现。最终从BIM模型中生产可以交付的设计图纸。目前，基于BIM技术的正向设计在市政行业中能够使用的企业为数不多[2]。因此，本文结合多个市政项目的实施和实践，介绍了BIM正向设计技术路径的应用过程。旨在通过实际案例中的良好应用效果，推广BIM正向设计在市政项目中的应用，为市政项目设计人员提供丰富的设计思路与方法，进而提高设计效率。

2 BI M正向设计技术路径

BIM正向设计整合各专业间的独立信息，为各专业设计人员提供虚拟的“协同设计平台”，通过将项目各个阶段中的数字信息有效地利用，显著提高设计效率[3]。BIM技术针对土木、结构、市政工程设计具有直观可视化、多方协同化、参数标准化、出图模式化等特点，具有很好的推广应用前景。推进BIM正向设计，有助于保证各阶段的图模一致性和数据关联性，从而达到设计、施工、运维一体化的目的。同时，BIM正向设计使多专业作业协同化，有助于提高工作效率，保证产品质量[4]。在BIM正向设计中，选择交互性较好的三维设计软件搭建多专业协同作业平台是实现正向设计的重要保障。

2.1 基于三维设计软件的协同作业平台搭建

市场上的三维设计软件种类较多，主要包括Civil 3D、Revit、Dynamo、Infraworks等[5]。其中，Civil 3D软件有助于快速完成场地分析、道路选线及管线工程的建模、出图、计量工作，应用较为广泛；Revit软件布置能力强，丰富的族库调用方便，适用于建筑结构的精确设计；Dynamo是一款便捷的可视化编程软件，可与多款Autodesk公司的软件交互，灵活满足各类需求；Infraworks能够帮助设计者利用云功能在真实环境中开展建模、设计和分析工作，也可直接导入三维模型，利用其可视化功能，提供丰富的展示效果。上述4款软件组合应用效果好，交互较好，数据流能在各个软件之间无损互通。

采用“云服务器+快捷方式”的模式，可有效提高初始资料和各专业中间设计成果的共享度[6]。通过Civil 3D数据快捷方式的形式分类放入中心文件。数据快捷方式提供了对象的完整参照副本，可实现良好的数据交互。此种方式的优势在于：提高电脑运行速度，避免因模型数据较多而导致电脑卡顿；下游专业仅能参照快捷方式而不能修改，源文件的修改权仅属于本专业设计者，这样可有效避免中间成果被误修改。该模式为项目参与者提供一个完善的协同作业环境，三维模型、二维图纸以及对应工程量始终保持动态关联。当边界条件或设计方案发生变化时，仅需修改源文件，即可实现模型、图纸、工程量的同步更新。

2.2 正向设计技术路径

图1 为BIM正向设计的技术路径。在三维软件和协同模式的支撑下，设计人员依据项目地勘、测绘等资料创建三维地质模型和地形曲面，并将其存储至中心文件。各专业设计人员以快捷方式读取该成果，同步开展道路、交通、管线、桥梁、隧道等多专业正向设计[7]。正向设计既可在设计阶段及时发现专业间的错、漏、碰、缺等问题，提高设计效率，保证设计质量，又可将模型和图纸共同上传至项目信息管理平台，辅助施工、运维管理，以高效的信息传递和便捷的沟通方式解决现场问题。

图1 正向设计技术路径

3 BI M正向设计实践案例

BIM正向设计已在多个市政项目中得到成功应用。按照上述技术路径，各专业推行正向设计的技术瓶颈可被打通，并取得了较好成效。

3.1 道路工程

以某片区城市道路路网改造项目为例，Civil 3D软件可快速建立地形曲面，并灵活地完成道路选线。在设计过程中，利用部件创建装配是道路建模的核心。道路设计人员可参照地形曲面和各路线的平面、纵断面快捷方式，依据标准横断面创建对应的装配生成道路三维模型。利用Civil 3D中提供的大量预配置部件（具备几何属性的逻辑属性），可更加灵活地进行设计[8]。Civil 3D还具有强大的曲面分析功能，在工程量统计方面优势明显。既可利用体积面板快速计算土方填挖工程量，又可结合采样线使用平均断面法列表显示土方量，还可在代码集中添加付款项目，统计各层路面结构面积、边坡面积、路缘石长度等工程量。

出图过程是BIM正向设计的关键步骤。设计人员根据需求定制dwt格式的模板。调用定制模板，可依据模型信息，在图纸布局快速添加标注、标签，随后创建图幅组，生成图纸集，图纸集可批量发布二维图纸。Civil 3D软件的曲面、路线、平面图、纵断面和横断面等所有设计信息均来源于道路模型，若方案发生变更，实时修改模型即可。

3.2 交通工程

参照道路工程设计成果，利用Civil 3D偏移路线功能完成交通标线模型的构建，利用“遮罩”功能对交叉口处多余的标线进行处理，标线可与路线的变化保持同步更新。在Revit中创建交通标志、交通安监设施等多种构件的族。通过族的组合，建立交通安监设施各部分三维模型，模型按真实坐标和尺寸导入Civil 3D路网模型进行统一布设。利用Civil 3D自带插件Vehicle Tracking可进行车辆行驶仿真，路径检查等，以此验证设计合理性。交通专业设计完成后，可将优化意见反馈至道路专业。2个专业在中心文件内相互调用对方中间设计成果，避免了重复建模工作以及资料传输和版本管理中的错漏。

3.3 排水工程

排水工程设计人员可利用Civil 3D的曲面分析功能，进行汇水分区的划分，利用Civil 3D自带插件SSA（Storm and Sanitary Analysis）采用模型法进行管道水力计算。此方法可考虑降雨在时空分布的不均匀性和管网汇流过程，比传统计算方法更加准确与直观。

根据水力计算确定设计路段管道管径后，设计人员可通过以下2种方法创建管道模型：（1）根据计算得到的管道坡度、坡长绘制带高程的要素线，利用要素线创建管网；（2）先设定管道和结构井布置的规则集，选取道路曲面作为管网基准面，通过鼠标拖拽布置平面管网。前者建模效率高，操作简便，但要素线一个节点只能对应一个高程，无法设置跌水；后者在模型布置中优先使用最小坡度、最小覆土深度等参数，进而减少管槽开挖量。2种方法建立的管网，均可在管网特性中查看管道和结构井的详细信息。在设置雨水出水口、污水倒虹吸等特殊位置，可手动修改管道和井的标高与尺寸。同时，Civil 3D软件对可对多个管网进行碰撞检查，既可生成碰撞分析报告，显示碰撞数量、零件名称、位置等信息（见图2），又可直接缩放至碰撞位置，便于设计人员对管网模型进行进一步的优化。

图2 管网碰撞检查

3.4 桥隧工程

桥隧工程主要设计软件为Infraworks、Inventor和Revit[9]，道路设计人员利用Infraworks的点云技术创建真实的项目环境，将项目周边环境、地形条件可视化。随后，桥隧设计人员基于道路专业提供的Civil 3D建立的道路模型，在Infraworks中拾取道路中心线进行桥梁设计（横坡、纵坡、桥梁中心线、超高）和隧道设计。由于Infraworks自带的桥梁、隧道构件种类有限，且与国内常用结构形式有区别，可以利用Inventor和Dynamo软件对桥梁、隧道的特定构件进行参数化定制，并导入Infraworks进行高精度参数化模型建立。Infraworks中的桥梁模型建立完成后，桥梁设计人员将其导至Revit中，对模型进行编辑、渲染、工程量统计等任意角度的剖切出图工作。

对于隧道工程，设计人员首先参照道路工程的路线平纵快捷方式，随后创建隧道装配，沿路中线创建隧道三维模型。隧道出入口可能涉及高边坡设计，可利用部件编辑器，通过逻辑的定义，实现多级边坡功能。当路线平纵或隧道尺寸发生变更时，更新模型即可得到道路和隧道工程的最新工程量，进而对设计方案进行优化。

4 结语

设计人员作为模型的生产者，在BIM运行环节中扮演了非常重要的角色。然而，在BIM技术应用中，不少设计企业或人员已经走入“翻模”误区，习惯于设计人员先用传统二维软件做设计并出图，翻模人员根据图纸盲目建模。设计方案变更时，二维设计与三维翻模都只能从头再来。长此以往，BIM技术的应用便只能停留于形式，设计人员也无法发挥其内在优势。这容易导致设计者对BIM嗤之以鼻，将它看成华而不实的“花瓶”，有碍于BIM技术的推广应用。如果翻模人员对BIM的理解仅仅停留在几何建模的层面，便无法从模型中提取有价值的信息，也无法实现三维出图，效率更是无从谈起。

推广正向设计，可以充分发挥BIM技术在设计阶段的优势，推广正向设计的关键在于提高三维软件的可出图性。出图问题的有效解决才能使得BIM技术真正与工程接轨，不再是中看不中用的“花瓶”，工程设计人员才能真正接纳这项技术。从长远来看，设计企业应着力培养一批既懂专业知识，又精通三维软件的综合性人才，结合项目和企业实际，形成标准化、规范化的BIM设计流程，达到既可计算分析又可出图计量的目的。提高各个专业的三维正向设计水平，积极探索BIM在全生命周期中的应用，不仅能让设计企业在投标工作中占得先机，而且还有助于承接BIM咨询业务，为企业带来更大的效益与竞争力。