BIM 技术在市政道路工程设计中的应用

李 源（深圳市城市交通规划设计研究中心股份有限公司， 广东 深圳 518101）

0 引 言

当前，我国正处于城镇化与城市化发展的双重转型新阶段，而双重转型进程的加快和城镇、城市人口数量的增加，给城市发展建设带来了巨大的经济效益[1]。同时，在人口增长的趋势下，城市交通面临着前所未有的挑战，市政道路的建设成为了减缓交通压力的最重要手段。市政道路与一般道路相比，具有结构复杂、工期建设时间短、运营周期长、安全需求高等特点。随着对市政道路工程设计要求的不断提升，传统平面设计技术已经无法满足市政道路工程设计的基本要求。因此，在工程设计过程中，相关领域的研究人员逐渐将研究重点转向对辅助技术的研究。在传统技术的应用下，市政道路设计工作因项目对专业平面图具有一定的独立性而难以实现对碰撞点的有效检测[2]。同时，由于市政道路涉及众多专业、专业与专业之间的信息传递和转换常常出现不对称、在此过程中产生的海量数据信息无法有效存储，给当前市政道路工程的设计和施工建设带来了严重的负面影响。为了在设计过程中尽可能地减少资源浪费和反复施工，亟需将 BIM 技术引入到市政道路工程设计中[3]。为此，笔者针对基于 BIM 技术的市政道路工程设计展开探讨。

1 基于 BIM 技术的市政道路工程设计方法

1.1 基于 BIM 技术的市政道路周围地质三维模型构建

为了确保设计的市政道路能够在其周围地质条件下顺利实施并投入运营，结合 BIM 技术，构建市政道路周围地质三维模型是一项重要的技术[4]。在构建地质三维模型时，需要获取地震数据、地质图、地形图、物化探数据等各类原始数据。模型构建的主要目的是将市政道路周围的地质构造形态、构造关系及其内部各属性的变化情况进行可视化展现[5]。结合 BIM 技术，在市政道路周围地质数据资料的基础上，将二维土质剖面图转换为三维立体的可视化模型，从而在设计过程中能更直观地展现市政道路的周围地质环境和岩层形态。通过建立地质三维模型，设计者和施工人员能更有效地进行交流，能更深入地理解工程项目的地质情况，从而尽可能地在具体施工过程中避免潜在的风险。

以往市政道路周围地质勘查结果的原始钻孔数据，无论是在分布特点上还是在采集点数量上，都无法满足地质三维模型的构建要求。因此，笔者结合插值法，在已有钻孔数据的基础上，估算出构建模型所需的数据。当构建地质三维模型时，在二维横坐标与纵坐标上，自动按照 BIM建模要求增加空间坐标系，并采用插值法对空间坐标进行预估。其预估公式

式 1 中：Z（x）为空间坐标系中的地质三维模型坐标；λ为市政道路周围已被采集和勘查获得的地质数据权重系数；Z（xi）为影响预估值 Z 高程的已采集勘查数据点数据。根据式 1 的计算结果，能够进一步通过已知采集的勘查数据求解出权重系数。同时，运用基于 Bentley 平台的BIM 建模软件中常用的土木工程工具，在建模的过程中运用克里金方法，对大量空间数据进行模拟，以此弥补钻孔数据的不足[6]。由上述操作获得的钻孔数据和市政道路工程周围的地质信息数据被统一管理，并以此为基础，构建地质三维模型，生成地质三维围合面。

在统一的图形环境及统一的 BIM 文件转换格式下，对所构造的市政道路周围地质三维模型进行三维建模[7]。在构建模型时，采用统一的坐标系，运用 BIM 建模软件中的参考连接功能，将道路、桥梁以及地质三维模型相互结合，进而得到一个既包含地质条件表征又包含道路和桥梁表征的三维模型。

1.2 基于 BIM 地质三维模型的市政道路路线规划

在设计市政道路工程时，不可避免地会规划和调整道路路线。传统的设计方法大多采用二维设计方案，按照路线总平面、纵断面、横断面的顺序，完成整个市政道路路线的规划；一旦需要变更道路路线，后续各阶段的设计则都要进行大量的修改，甚至重新设计[8]。在笔者介绍的市政道路路线规划方案中，结合上述构建的 BIM 地质三维模型，能有效改善这一问题。基于 BIM 地质三维模型的市政道路路线规划流程，如图 1 所示。

图 1 基于 BIM 地质三维模型的市政道路路线规划流程图

在对市政道路工程实景进行建模时，主要通过无人机、摄像机和扫描设备等，获取市政道路工程现场的相关视频、照片和点云数据等资源，进而生成虚拟模型[9]。同样，应用 Bentley 技术和采集设备获取不同类型资源的数据信息，并生成高分辨率的三维模型。运用三维模型可以对近景市政道路工程对象，甚至整座城市进行观察。同时，结合现代遥感技术拍摄或激光扫描获取数据，并以此作为依据进行实景建模，而无需通过人工方式完成测量和建模任务，并且能有效提高模型的精度。

在市政道路工程设计过程中，会涉及大量已有道路的扩建和改建问题，必须充分明确现场的实际情况。由于历史资料未及时更新或暂无历史记录等，若沿用传统的技术手段，则很难满足市政道路的路线规划要求[10]。针对这一问题，可使用无人机、摄像机和激光扫描设备获取现场数据，经空中三角测量运算后生成对应的三维模型，并导入由 Bentley 技术构架的道路设计模块，对其进行深化使用。

1.3 市政道路桥梁立交设计

市政道路建设的路线规划完成后，在市政道路工程中同步实施桥梁立交设计。桥梁立交属于市政工程中的一个特殊组成部分和必然组成要素。为此，在立交桥梁设计中，引进 Bentley 技术，根据桥梁的正交性能与工程施工图纸之间的关系，针对桥梁立交设计一种自动调整模型。综合上述分析，确定如下市政道路桥梁立交设计流程。

（1）在设计前，先导入施工道路路线图，再应用Bentley 技术，对设计的施工图与实体示意图进行数据交互处理。当交互结果呈现完全融合时，即可认为设计的施工图纸与其实际工程具备显著的适配性，在确定最终施工图纸后，可直接将图纸应用于市政道路桥梁立交设计中[11]。

（2）在此基础上，将同一条施工线路上的立交模型进行导入处理。在处理过程中采用先建立立交模板的方法，对整体结构进行对照与匹配处理[12]。

（3）使用 Birdge Modeler 提供的开放性资源库，进行桥梁立交上部结构的导入。

（4）对整体结构进行参数化处理，调动用桥梁立交下部结构框架中的桥梁护栏元素、下部路灯元素等，将调用的每一个元素作为一个独立的个体，进行桥梁组织框架的组装与搭建。

（5）根据桥梁整体结构中不同参数之间的相应关系，对构建过程中发生变更的项目进行快速响应。此种施工方法能有效避免因施工过程中上部结构变化而导致下部结构重复变更的问题。

综上所述，通过调用 Bentley 技术与立交桥梁支撑的相关数据，将桥梁立交设计的整体划分为下部与上部两个独立部分，从而实现在施工过程中整体结构的灵活性[13]。此外，采用自定义模板的方式，也可以实现关联处理多种设计信息，有助于对比处理和规范安装地质施工模式。

1.4 市政道路管涵设计

市政道路管涵是道路工程设计中的基础设施。传统的道路工程设计往往面临规划地下管涵线位紧张、新/扩建道路需多次开挖、工程效率低下等问题。笔者介绍的基于BIM 技术的市政道路工程设计方法，引入对市政道路管涵设计的创新[14]。BIM 技术为地下综合管涵设计提供强大的三维虚拟信息支持，提供更加优质的可视化平台及全方位模拟展示等功能，帮助各参建单位更加高效、优质地完成市政道路管涵设计。市政道路管涵设计总流程如下。

（1）以如上所述的测量数据、地质三维模型和无人机航拍图像为基础，对市政道路管涵的整体结构进行设计。

（2）分别对道路交通、桥涵隧道、管廊结构和电气照明等各个结构进行分层次设计[15]。

（3）应用 BIM 技术审核所设计的市政道路管涵模型，并进行碰撞检测和施工图模拟，以确保最终市政道路管涵设计方案的质量及安全性。

（4）在实际应用过程中，还可运用 Birdge Modeler解决管涵常规段的建模问题，运用标准截面函数求解市政道路管涵标准截面等问题，从而进一步提升市政道路工程总设计方案的质量。

2 对比实验

2.1 实验准备

以某城市需要进行的市政道路工程施工项目为实验对象，分别将采用笔者提出的基于 BIM 技术的市政道路工程设计方法和采用传统道路工程设计方法分为两组，根据该区域内道路及地质条件的实际情况对其进行设计。以此验证笔者提出的基于 BIM 技术的市政道路工程设计方法在实际应用中的效果，实现对笔者设计方法的评价。为了确保实验的客观性、保证两种设计方法的各项设计条件完全一致，确定该市政道路工程施工总面积为 2 320 m²，施工长度为 1 250 m。两组设计方法中，必须包含对回填沥青混凝土、开挖底线、路面基层和路面底基层相关参数、规格的设计；在市政道路工程施工结构设计中包括道路路面、道路桥梁立交和道路管涵等方面的设计。两组设计分别采用各自的设计方法，完成对该工程三个道路的工程方案设计。设计完成后对比两组设计的道路设计生成时间，并运用 Revit 软件在完成设计的项目中对道路的碰撞点进行检测。

2.2 实验结果与分析

将按照笔者提出的基于 BIM 技术的市政道路工程设计方法得出的方案设为实验组，将按照传统设计方法得出的方案设为对照组。结合上述实验准备，将实验组与对照组中三组不同的市政道路工程设计方案的生成时间进行记录。实验结果，如表 1 所示。

表 1 实验组和对照组实验结果对比表

从表 1 可以看出，实验组对 3 组市政道路工程设计方案的生成时间均在 60.00 min 左右；而对照组对 3 组道路工程设计方案的生成时间均超过了 250.00 min。从碰撞点可以看出，实验组在引入 BIM 技术后，可以有效地对市政道路工程进行虚拟建模，在模型构建过程中能够对可能出现碰撞点的位置进行检测，进而在生成方案时予以排除；对照组则仅以二维平面的方式完成对市政道路工程的设计，无法实现对碰撞问题的检测，进而产生了多个碰撞点，并严重影响实际工程的施工质量。

对比实验结果证明，笔者提出的基于 BIM 技术的市政道路工程设计方法，在实际应用中能够有效提高市政道路工程设计的效率，并为设计人员节约大量的时间成本，同时提升了整个工程项目的设计质量。

3 结 语

为了实现对 BIM 技术的综合应用，笔者以市政道路工程设计为背景，选择合适的 BIM 平台，分别对市政道路工程中的各个环节和结构进行设计说明。笔者提出的基于 BIM技术的市政道路工程设计方法应用于实际工程的方案设计，既能高效地完成对道路工程的设计，又能为设计人员节省大量的时间成本和资源成本。结合 BIM 建模软件的联动性特点，将为更加方便地解决设计过程中存在的困难及缺陷提供思路，充分体现 BIM 技术在工程设计中的价值。