关键词市政工程；BIM；三维协同；可视化

 

 

　　随着经济的不断发展，城市的建筑、地铁、道路桥梁、市政管线等构筑物的体量日益增大。因此，市政路桥隧工程的设计条件与内容也在不断增加，其设计条件不仅受到城市周边既有构筑物的影响，而且需要考虑城市对未来道路、地铁、建筑等的建设需求，同时受河涌阻断、城市空间有限等自然条件的制约，并要兼顾城市景观的要求；其设计内容通常包括交通、道路、桥梁、隧道、排水、建筑、景观绿化、通风、照明等众多专业[1-3]。面对如此复杂多变的工程约束条件以及多专业的设计，传统设计手段往往由于其基于二维平面线条表达而难以做到全面兼顾，甚至很难处理异形结构、特殊景观要求等复杂情况，易出现沟通效率低、设计表达不准确、专业内及专业间错漏碰缺、校核和更改难、工程量统计工作量庞大且易错等问题[4-6]。

 

　　针对传统二维设计的种种痛点，本文以车陂路～新滘东路隧道二期工程为依托，在设计阶段引入BIM（建筑信息模型）设计手段，利用信息技术为传统二维设计赋能，拓展三维可视化设计思路，梳理和总结路桥隧工程项目中BIM技术的应用价值和具体应用的实践经验。

 

 

　　车陂路～新滘东路隧道二期工程由科韵路至新港东路，道路等级设计为规划城市主干路，道路总长2.2km，起到联系起广州市海珠区、天河区、番禺区的重要作用。本项目不仅涉及到道路工程、桥梁工程、交通工程、排水工程，还包含隧道、消防给水、管线迁改与管线综合、电力管沟、照明、通风、景观绿化等工程内容，涉及专业多且工程体量庞大；同时，工程跨越或下穿既有道路、运营地铁、市政管线、城市河涌堤岸、国家湿地公园等，且受周边油站、光缆电缆、商场建筑物等多因素影响，边界制约条件众多；此外，工程设计存在较多变宽变高钢箱梁，构件繁多，精确设计难，施工工艺复杂而施工精度要求高。基于上述工程情况，本项目采用BIM技术进行三维可视化设计，统筹多专业间的协同设计，验证并优化传统二维设计方案。

 

 

 

　　市政路桥项目涉及道路、桥梁、隧道、给排水等多专业的同步设计，专业内及专业间的衔接点、交叉设计点等复杂位置多，且常常涉及到因专业间设计协调、业主意见等导致设计变更。为避免专业协调错乱、提高设计质量和效率，在项目中采用Bentley公司的ProjectWise设计管理软件搭建三维设计协同平台[7]，如图1。各专业形成的有效设计资料均集中存储在协同工作云平台，通过对设计人员的权限管理，实现多专业的高效协同设计。设计人员对各自专业的工作负责，可以实时读取所需的其他专业设计资料，其对本专业设计资料的修改也会实时同步到协同平台上，并自动地即时提醒其他设计人员进行更新资料。基于搭建的协同平台，所有项目成员获取到的工程数据具有统一性、实时性、安全性、高效性的特点。

 

 

 

　　项目设计过程中，伴随着设计思路创建BIM模型，将设计意图可视化，便于设计者间以及其他参与方间的有效沟通交流，并使得设计过程处于三维环境中，略去传统设计中三维、二维间的切换，减轻设计师空间转换的思维负担，集中更多精力投入到设计过程中。

 

　　尤其对于复杂构件的设计，BIM可视化设计与应用的重要作用更为凸显。如本项目中的钢箱梁桥涉及箱体变宽变高、钢板变厚、斜交等复杂问题，穿孔、交错相接的构件多，并存在众多形体复杂的钢横隔，在传统二维平立剖设计中易出现图纸与设计意图不相符、平立剖图纸结合成体时发生冲突、复杂空间造型难于在二维图纸表达等问题。而BIM设计的引入，可以更好避免这些冲突问题。如图2所示，是立交匝道与主线合流处的节段，该节段设计要求匝道与主线平面上相切，匝道横坡由与主线反向扭转为同向，在全段均须保持标高接顺，传统的二维设计很难对此扭转体接顺考虑并表达清楚，设计信息往往在图纸表达中欠缺、错乱或丢失。因此，运用BIM可视化设计，直接在三维模型中满足如此复杂的扭转体接顺等所有设计条件，将设计意图在三维模型中准确地表达，并附带设计尺寸参数、材料等属性信息，全面反映和传递设计信息，使得参与各方处于一个更加均衡的设计信息掌握度，从而减少设计沟通偏差并有效提高精细化设计水平、提升设计质量。

 

 

 

　　传统的二维设计图纸，虽经过设计、校核、审核、审定等多层把关，但由于同一构件需要多视图多图纸的表达、不同构件须在不同图纸中呈现，常存在绘图有误、各专业图纸冲突、设计细节考虑不周等问题。BIM应用的过程，涉及到对工程项目在计算机中的虚拟建造，是一个用数字化手段模拟工程建造的过程，从而可以提前发现如按当前设计图纸施工建造将遇到的设计问题。如图3所示，在桥梁支座附近，按二维设计图纸创建的钢箱梁横隔与底板肋板发生冲突。经检查，是因为底板在支座附近因受力需要而未穿孔、并设置底板加劲肋，其他部位底板则为节省材料而采取中间穿孔、省去底板肋板的设计，支座附近的横隔设计应区别于其他底板穿孔部位的、额外考虑底板与底板肋板的衔接问题。经反馈设计、复核，此冲突为绘图有误所致，且因底板肋板并不与横隔呈现在同一图纸而未被发现。由于本项目路桥体量大且钢箱梁多穿孔、拼接的复杂构件，传统二维设计不可避免地出现多项问题。通过在项目设计阶段中采用BIM进行设计校核，能有效在施工前暴露设计问题，并形成BIM设计校核报告，及时修改并提升设计的精细化程度、提高设计质量。

 

　　（a）调整前（b）调整后

 

 

 

　　碰撞检测是目前BIM应用中最为成熟、使用最为广泛的应用之一。如图4，通过BIM三维设计发现，黄埔涌桥桥台挡块与桥梁上部结构发生了碰撞。二者的冲突问题由于盖梁和上部结构存在横坡、纵坡，且箱梁分左右两幅、腹板倾斜、桥台与桥梁中心线斜交，很难在二维设计CAD图纸中被发现。在本项目中，通过碰撞检测发现了4处隐藏在二维平面图纸中的挡块与梁体碰撞问题。此外，诸如雨水、污水、电力管沟等错综复杂的管线设计，人为的理解和计算容易出现错误，设计人员间的交流常存在偏差，二维图纸难以反映构件在空间的复杂性、更加难以从中验证空间是否重叠，平立剖等不同图纸表达间互相矛盾，都常常导致传统二维设计的碰撞冲突问题。而本项目设计中通过采用BIM技术将隐藏于二维设计中的冲突问题暴露，设计人员能够快速检测出三维模型中的碰撞点，将碰撞的位置、对象以及更改建议等信息汇总成碰撞检查与校审报告，及时修改和优化设计，提高设计质量和效率，避免了施工时遇到冲突导致返工和工期延长的问题。

 

 

 

　　由于地理空间规划受限，市政路桥隧工程中，桥梁、隧道常常出现上跨、下穿既有桥隧和河流等工况，常导致复杂的多路桥隧交叉点，甚至涉及到与净距要求严格的既有或规划地铁线路的空间交汇，使得设计必须满足净高、净距要求。基于二维设计图纸的传统平纵横设计，难以直观地反映空间位置关系，往往不能全面、有效地分析出复杂空间交汇时的净高净距。而基于BIM技术，可以依托BIM虚拟建造得到的项目三维模型，有效、精确地开展净空分析。如图5，依据规范及业主对净空的要求，确定各路段道路建筑限界，如掉头匝道限界取3.5m，图中立交段限界取4.5m，将道路建筑限界在道路路面上按实际尺寸实体化建模，以此实体化的建筑限界与桥梁进行冲突检测，从而对设计净空要求完成全方位地检查验证，对不满足净空要求的构件可以快速精准定位并标记，整理形成净空分析报告，进而优化设计成果，防止因净空富余量过大而导致工程浪费，也避免出现净空不足的困境。

 

 

 

　　本项目中存在大量钢箱梁桥梁，钢箱梁用钢量大，而近年钢材等材料价格持续上扬且波动大，使得业主极其关注项目的工程量，尤其钢材用量。但本项目中变高变宽的连续钢箱梁占大部分，同时又存在多个复杂的交叉口衔接段，采用传统的Excel表格统计其工程量是繁琐、复杂而费时的，且容易出现人为的统计错误[8]。所以本项目采用BIM技术进行工程量统计与校核，即采用传统的Excel表格统计方法与BIM工程量统计方法两种手段并举，二者得到的结果互为对比、相互校核，确保工程量统计的准确。通过二者对比，发现多处传统工程量统计结果的问题。例如，桥台的传统方法统计量与BIM工程统计量相差50.43%，通过核对传统方法中的桥台统计量计算式发现，工程量表桥台统计数量存在错误，仅统计了双桥台中的单个桥台且未计算桥台挡块的量；C50、C40混凝土算量分别相差20.28%、39.90%，经复查是因为传统工程量计算时，误将小箱梁桥面调平层混凝土归为C50，实际设计的桥面调平层材料为C40。通过复核、更正，二者各项工程量均相符。如表1所示是本项目中钢箱梁主要钢材Q370qC的工程量校核表，两种方法计算值相差最大百分比仅1.28%。两种方法的应用，保证了工程量统计的可靠性，为工程的成本控制与结算提供了数据支撑。同时通过对比发现，BIM工程量统计有效减少统计工作的复杂性，避免人为统计的漏算错算问题，并且设计更改时可以随BIM模型修改而同步更新统计量，因此更加高效、准确。

 

　表1 钢箱梁Q370qC钢材BIM工程量校核
 

 

 

 

　　通过在车陂路～新滘东路隧道二期工程设计阶段中应用BIM技术，针对性地解决工程设计中的复杂问题，优化传统二维设计工作成果，提升了项目设计的质量与效率，为BIM技术在项目全生命周期的拓展应用积累实践经验与数据基础，对市政路桥隧项目BIM技术的应用研究具有实际参考价值。

 

　　同时需要注意到的是，目前BIM软件功能均很难满足复杂的路桥隧项目的正向设计需求，尤其是二维出图功能仍然不足，而当下唯一具有法律效应的设计交付成果便是二维设计蓝图。因此，BIM技术更为可观的巨大价值有待通过不断地人力投入和技术研发，在未来数字化的工程设计中更耀眼地绽放。

 

　　参考文献

 

　　[1]刘智敏,王英,孙静,贾英杰,高日.BIM技术在桥梁工程设计阶段的应用研究[J].北京交通大学学报,2015,39(06):80-84.

 

　　[2]张斌.基于Bentley市政快速路BIM正向设计应用研究[D].青岛理工大学,2018.

 

　　[3]何则干，黄福杰，张为民.BIM技术在大型立交工程的应用研究[J].公路，2019，（2）：174-179.

 

　　[4]周游,陈建丰,范宇丰,夏诗画.BIM技术在市政立交设计阶段的应用研究[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2019,38(07):60-65.

 

　　[5]张吕伟，蒋立俭.中国市政设计行业BIM指南[M].北京：中国建筑工业出版社，2017.

 

　　[6]黄福杰,何则干,张为民,刘珊珊.BIM技术在沉管隧道工程设计中的应用研究[J].现代隧道技术,2020,57(03):43-48.

 

　　[7]王达.BIM技术在桥梁全生命周期中的应用研究[D].吉林大学,2018.

 

　　[8]刘均利,张聪,薛飞宇,刘亢,欧阳平.BIM技术在重庆曾家岩嘉陵江大桥设计中的应用[J].世界桥梁,2020,48(02):71-76.