關(guān)鍵詞市政工程；BIM；三維協(xié)同；可視化

 

 

　　隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，城市的建筑、地鐵、道路橋梁、市政管線等構(gòu)筑物的體量日益增大。因此，市政路橋隧工程的設(shè)計條件與內(nèi)容也在不斷增加，其設(shè)計條件不僅受到城市周邊既有構(gòu)筑物的影響，而且需要考慮城市對未來道路、地鐵、建筑等的建設(shè)需求，同時受河涌阻斷、城市空間有限等自然條件的制約，并要兼顧城市景觀的要求；其設(shè)計內(nèi)容通常包括交通、道路、橋梁、隧道、排水、建筑、景觀綠化、通風、照明等眾多專業(yè)[1-3]。面對如此復(fù)雜多變的工程約束條件以及多專業(yè)的設(shè)計，傳統(tǒng)設(shè)計手段往往由于其基于二維平面線條表達而難以做到全面兼顧，甚至很難處理異形結(jié)構(gòu)、特殊景觀要求等復(fù)雜情況，易出現(xiàn)溝通效率低、設(shè)計表達不準確、專業(yè)內(nèi)及專業(yè)間錯漏碰缺、校核和更改難、工程量統(tǒng)計工作量龐大且易錯等問題[4-6]。

 

　　針對傳統(tǒng)二維設(shè)計的種種痛點，本文以車陂路～新滘東路隧道二期工程為依托，在設(shè)計階段引入BIM（建筑信息模型）設(shè)計手段，利用信息技術(shù)為傳統(tǒng)二維設(shè)計賦能，拓展三維可視化設(shè)計思路，梳理和總結(jié)路橋隧工程項目中BIM技術(shù)的應(yīng)用價值和具體應(yīng)用的實踐經(jīng)驗。

 

 

　　車陂路～新滘東路隧道二期工程由科韻路至新港東路，道路等級設(shè)計為規(guī)劃城市主干路，道路總長2.2km，起到聯(lián)系起廣州市海珠區(qū)、天河區(qū)、番禺區(qū)的重要作用。本項目不僅涉及到道路工程、橋梁工程、交通工程、排水工程，還包含隧道、消防給水、管線遷改與管線綜合、電力管溝、照明、通風、景觀綠化等工程內(nèi)容，涉及專業(yè)多且工程體量龐大；同時，工程跨越或下穿既有道路、運營地鐵、市政管線、城市河涌堤岸、國家濕地公園等，且受周邊油站、光纜電纜、商場建筑物等多因素影響，邊界制約條件眾多；此外，工程設(shè)計存在較多變寬變高鋼箱梁，構(gòu)件繁多，精確設(shè)計難，施工工藝復(fù)雜而施工精度要求高?；谏鲜龉こ糖闆r，本項目采用BIM技術(shù)進行三維可視化設(shè)計，統(tǒng)籌多專業(yè)間的協(xié)同設(shè)計，驗證并優(yōu)化傳統(tǒng)二維設(shè)計方案。

 

 

 

　　市政路橋項目涉及道路、橋梁、隧道、給排水等多專業(yè)的同步設(shè)計，專業(yè)內(nèi)及專業(yè)間的銜接點、交叉設(shè)計點等復(fù)雜位置多，且常常涉及到因?qū)I(yè)間設(shè)計協(xié)調(diào)、業(yè)主意見等導(dǎo)致設(shè)計變更。為避免專業(yè)協(xié)調(diào)錯亂、提高設(shè)計質(zhì)量和效率，在項目中采用Bentley公司的ProjectWise設(shè)計管理軟件搭建三維設(shè)計協(xié)同平臺[7]，如圖1。各專業(yè)形成的有效設(shè)計資料均集中存儲在協(xié)同工作云平臺，通過對設(shè)計人員的權(quán)限管理，實現(xiàn)多專業(yè)的高效協(xié)同設(shè)計。設(shè)計人員對各自專業(yè)的工作負責，可以實時讀取所需的其他專業(yè)設(shè)計資料，其對本專業(yè)設(shè)計資料的修改也會實時同步到協(xié)同平臺上，并自動地即時提醒其他設(shè)計人員進行更新資料。基于搭建的協(xié)同平臺，所有項目成員獲取到的工程數(shù)據(jù)具有統(tǒng)一性、實時性、安全性、高效性的特點。

 

 

 

　　項目設(shè)計過程中，伴隨著設(shè)計思路創(chuàng)建BIM模型，將設(shè)計意圖可視化，便于設(shè)計者間以及其他參與方間的有效溝通交流，并使得設(shè)計過程處于三維環(huán)境中，略去傳統(tǒng)設(shè)計中三維、二維間的切換，減輕設(shè)計師空間轉(zhuǎn)換的思維負擔，集中更多精力投入到設(shè)計過程中。

 

　　尤其對于復(fù)雜構(gòu)件的設(shè)計，BIM可視化設(shè)計與應(yīng)用的重要作用更為凸顯。如本項目中的鋼箱梁橋涉及箱體變寬變高、鋼板變厚、斜交等復(fù)雜問題，穿孔、交錯相接的構(gòu)件多，并存在眾多形體復(fù)雜的鋼橫隔，在傳統(tǒng)二維平立剖設(shè)計中易出現(xiàn)圖紙與設(shè)計意圖不相符、平立剖圖紙結(jié)合成體時發(fā)生沖突、復(fù)雜空間造型難于在二維圖紙表達等問題。而BIM設(shè)計的引入，可以更好避免這些沖突問題。如圖2所示，是立交匝道與主線合流處的節(jié)段，該節(jié)段設(shè)計要求匝道與主線平面上相切，匝道橫坡由與主線反向扭轉(zhuǎn)為同向，在全段均須保持標高接順，傳統(tǒng)的二維設(shè)計很難對此扭轉(zhuǎn)體接順考慮并表達清楚，設(shè)計信息往往在圖紙表達中欠缺、錯亂或丟失。因此，運用BIM可視化設(shè)計，直接在三維模型中滿足如此復(fù)雜的扭轉(zhuǎn)體接順等所有設(shè)計條件，將設(shè)計意圖在三維模型中準確地表達，并附帶設(shè)計尺寸參數(shù)、材料等屬性信息，全面反映和傳遞設(shè)計信息，使得參與各方處于一個更加均衡的設(shè)計信息掌握度，從而減少設(shè)計溝通偏差并有效提高精細化設(shè)計水平、提升設(shè)計質(zhì)量。

 

 

 

　　傳統(tǒng)的二維設(shè)計圖紙，雖經(jīng)過設(shè)計、校核、審核、審定等多層把關(guān)，但由于同一構(gòu)件需要多視圖多圖紙的表達、不同構(gòu)件須在不同圖紙中呈現(xiàn)，常存在繪圖有誤、各專業(yè)圖紙沖突、設(shè)計細節(jié)考慮不周等問題。BIM應(yīng)用的過程，涉及到對工程項目在計算機中的虛擬建造，是一個用數(shù)字化手段模擬工程建造的過程，從而可以提前發(fā)現(xiàn)如按當前設(shè)計圖紙施工建造將遇到的設(shè)計問題。如圖3所示，在橋梁支座附近，按二維設(shè)計圖紙創(chuàng)建的鋼箱梁橫隔與底板肋板發(fā)生沖突。經(jīng)檢查，是因為底板在支座附近因受力需要而未穿孔、并設(shè)置底板加勁肋，其他部位底板則為節(jié)省材料而采取中間穿孔、省去底板肋板的設(shè)計，支座附近的橫隔設(shè)計應(yīng)區(qū)別于其他底板穿孔部位的、額外考慮底板與底板肋板的銜接問題。經(jīng)反饋設(shè)計、復(fù)核，此沖突為繪圖有誤所致，且因底板肋板并不與橫隔呈現(xiàn)在同一圖紙而未被發(fā)現(xiàn)。由于本項目路橋體量大且鋼箱梁多穿孔、拼接的復(fù)雜構(gòu)件，傳統(tǒng)二維設(shè)計不可避免地出現(xiàn)多項問題。通過在項目設(shè)計階段中采用BIM進行設(shè)計校核，能有效在施工前暴露設(shè)計問題，并形成BIM設(shè)計校核報告，及時修改并提升設(shè)計的精細化程度、提高設(shè)計質(zhì)量。

 

　?。╝）調(diào)整前（b）調(diào)整后

 

 

 

　　碰撞檢測是目前BIM應(yīng)用中最為成熟、使用最為廣泛的應(yīng)用之一。如圖4，通過BIM三維設(shè)計發(fā)現(xiàn)，黃埔涌橋橋臺擋塊與橋梁上部結(jié)構(gòu)發(fā)生了碰撞。二者的沖突問題由于蓋梁和上部結(jié)構(gòu)存在橫坡、縱坡，且箱梁分左右兩幅、腹板傾斜、橋臺與橋梁中心線斜交，很難在二維設(shè)計CAD圖紙中被發(fā)現(xiàn)。在本項目中，通過碰撞檢測發(fā)現(xiàn)了4處隱藏在二維平面圖紙中的擋塊與梁體碰撞問題。此外，諸如雨水、污水、電力管溝等錯綜復(fù)雜的管線設(shè)計，人為的理解和計算容易出現(xiàn)錯誤，設(shè)計人員間的交流常存在偏差，二維圖紙難以反映構(gòu)件在空間的復(fù)雜性、更加難以從中驗證空間是否重疊，平立剖等不同圖紙表達間互相矛盾，都常常導(dǎo)致傳統(tǒng)二維設(shè)計的碰撞沖突問題。而本項目設(shè)計中通過采用BIM技術(shù)將隱藏于二維設(shè)計中的沖突問題暴露，設(shè)計人員能夠快速檢測出三維模型中的碰撞點，將碰撞的位置、對象以及更改建議等信息匯總成碰撞檢查與校審報告，及時修改和優(yōu)化設(shè)計，提高設(shè)計質(zhì)量和效率，避免了施工時遇到?jīng)_突導(dǎo)致返工和工期延長的問題。

 

 

 

　　由于地理空間規(guī)劃受限，市政路橋隧工程中，橋梁、隧道常常出現(xiàn)上跨、下穿既有橋隧和河流等工況，常導(dǎo)致復(fù)雜的多路橋隧交叉點，甚至涉及到與凈距要求嚴格的既有或規(guī)劃地鐵線路的空間交匯，使得設(shè)計必須滿足凈高、凈距要求?；诙S設(shè)計圖紙的傳統(tǒng)平縱橫設(shè)計，難以直觀地反映空間位置關(guān)系，往往不能全面、有效地分析出復(fù)雜空間交匯時的凈高凈距。而基于BIM技術(shù)，可以依托BIM虛擬建造得到的項目三維模型，有效、精確地開展凈空分析。如圖5，依據(jù)規(guī)范及業(yè)主對凈空的要求，確定各路段道路建筑限界，如掉頭匝道限界取3.5m，圖中立交段限界取4.5m，將道路建筑限界在道路路面上按實際尺寸實體化建模，以此實體化的建筑限界與橋梁進行沖突檢測，從而對設(shè)計凈空要求完成全方位地檢查驗證，對不滿足凈空要求的構(gòu)件可以快速精準定位并標記，整理形成凈空分析報告，進而優(yōu)化設(shè)計成果，防止因凈空富余量過大而導(dǎo)致工程浪費，也避免出現(xiàn)凈空不足的困境。

 

 

 

　　本項目中存在大量鋼箱梁橋梁，鋼箱梁用鋼量大，而近年鋼材等材料價格持續(xù)上揚且波動大，使得業(yè)主極其關(guān)注項目的工程量，尤其鋼材用量。但本項目中變高變寬的連續(xù)鋼箱梁占大部分，同時又存在多個復(fù)雜的交叉口銜接段，采用傳統(tǒng)的Excel表格統(tǒng)計其工程量是繁瑣、復(fù)雜而費時的，且容易出現(xiàn)人為的統(tǒng)計錯誤[8]。所以本項目采用BIM技術(shù)進行工程量統(tǒng)計與校核，即采用傳統(tǒng)的Excel表格統(tǒng)計方法與BIM工程量統(tǒng)計方法兩種手段并舉，二者得到的結(jié)果互為對比、相互校核，確保工程量統(tǒng)計的準確。通過二者對比，發(fā)現(xiàn)多處傳統(tǒng)工程量統(tǒng)計結(jié)果的問題。例如，橋臺的傳統(tǒng)方法統(tǒng)計量與BIM工程統(tǒng)計量相差50.43%，通過核對傳統(tǒng)方法中的橋臺統(tǒng)計量計算式發(fā)現(xiàn)，工程量表橋臺統(tǒng)計數(shù)量存在錯誤，僅統(tǒng)計了雙橋臺中的單個橋臺且未計算橋臺擋塊的量；C50、C40混凝土算量分別相差20.28%、39.90%，經(jīng)復(fù)查是因為傳統(tǒng)工程量計算時，誤將小箱梁橋面調(diào)平層混凝土歸為C50，實際設(shè)計的橋面調(diào)平層材料為C40。通過復(fù)核、更正，二者各項工程量均相符。如表1所示是本項目中鋼箱梁主要鋼材Q370qC的工程量校核表，兩種方法計算值相差最大百分比僅1.28%。兩種方法的應(yīng)用，保證了工程量統(tǒng)計的可靠性，為工程的成本控制與結(jié)算提供了數(shù)據(jù)支撐。同時通過對比發(fā)現(xiàn)，BIM工程量統(tǒng)計有效減少統(tǒng)計工作的復(fù)雜性，避免人為統(tǒng)計的漏算錯算問題，并且設(shè)計更改時可以隨BIM模型修改而同步更新統(tǒng)計量，因此更加高效、準確。

 

　表1 鋼箱梁Q370qC鋼材BIM工程量校核
 

 

 

 

　　通過在車陂路～新滘東路隧道二期工程設(shè)計階段中應(yīng)用BIM技術(shù)，針對性地解決工程設(shè)計中的復(fù)雜問題，優(yōu)化傳統(tǒng)二維設(shè)計工作成果，提升了項目設(shè)計的質(zhì)量與效率，為BIM技術(shù)在項目全生命周期的拓展應(yīng)用積累實踐經(jīng)驗與數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，對市政路橋隧項目BIM技術(shù)的應(yīng)用研究具有實際參考價值。

 

　　同時需要注意到的是，目前BIM軟件功能均很難滿足復(fù)雜的路橋隧項目的正向設(shè)計需求，尤其是二維出圖功能仍然不足，而當下唯一具有法律效應(yīng)的設(shè)計交付成果便是二維設(shè)計藍圖。因此，BIM技術(shù)更為可觀的巨大價值有待通過不斷地人力投入和技術(shù)研發(fā)，在未來數(shù)字化的工程設(shè)計中更耀眼地綻放。

 

　　參考文獻

 

　　[1]劉智敏,王英,孫靜,賈英杰,高日.BIM技術(shù)在橋梁工程設(shè)計階段的應(yīng)用研究[J].北京交通大學(xué)學(xué)報,2015,39(06):80-84.

 

　　[2]張斌.基于Bentley市政快速路BIM正向設(shè)計應(yīng)用研究[D].青島理工大學(xué),2018.

 

　　[3]何則干，黃福杰，張為民.BIM技術(shù)在大型立交工程的應(yīng)用研究[J].公路，2019，（2）：174-179.

 

　　[4]周游,陳建豐,范宇豐,夏詩畫.BIM技術(shù)在市政立交設(shè)計階段的應(yīng)用研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2019,38(07):60-65.

 

　　[5]張呂偉，蔣立儉.中國市政設(shè)計行業(yè)BIM指南[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2017.

 

　　[6]黃福杰,何則干,張為民,劉珊珊.BIM技術(shù)在沉管隧道工程設(shè)計中的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2020,57(03):43-48.

 

　　[7]王達.BIM技術(shù)在橋梁全生命周期中的應(yīng)用研究[D].吉林大學(xué),2018.

 

　　[8]劉均利,張聰,薛飛宇,劉亢,歐陽平.BIM技術(shù)在重慶曾家?guī)r嘉陵江大橋設(shè)計中的應(yīng)用[J].世界橋梁,2020,48(02):71-76.