BIM技术在市政道路设计中的应用研究
发布时间：2022-03-12
摘 要: 传统的只考虑使用功能的市政道路设计理念已经不能满足当代市政道路设计的要求，BIM 技术是市政道路设计理念上的一次飞跃，BIM 技术在市政道路设计中的应用能够有效促进市政道路设计的发展。基于此，本文从 BIM 的概念和技术特征入手，探讨了 BIM 技术在市政道路设计中的应用优势，研究了 BIM 技术在市政道路设计中的具体应用，旨在为 BIM 技术在市政道路中的应用发展提供参考。
关键词: 市政道路设计; BIM 技术; 应用; 发展
0 前 言
随着经济的发展和人们生活水平的提高，我国各项基础建设都在不断发展和完善。在此背景下，人们对于市政道路的要求也逐渐提高，这就对市政道路设计提出了更高的要求。BIM 技术在市政道路设计中的应用对于提高设计效率、提升市政道路的设计水平等有着重要的意义，基于此，本文简要研究了 BIM 技术在市政道路设计中的应用。
1 BIM 技术的概述
1. 1 BIM 的概念
BIM 是建筑信息模型的简称，在三维数字技术的基础上，集成了与建筑工程项目相关的信息，属于一种工程数据的信息模型。BIM 能够对建筑工程项目的功能特性和设施实体进行数字化的表达，具体的表达方式从两方面阐述: ①BIM 作为名词来进行表达，将特定的建筑工程及建筑设备数据存储在 BIM 这个载体上，并且对建筑的相关物理属性和非物理属性有着明确的描述，其中不仅包含着特定工程的设施及建筑相关成分，还包含不同专业未加工的建筑相关数据，是一种丰富的、智能的数据信息模型; ②BIM 也可以作为动词来进行数字化表达，指的是建立工程相关数据模型的行为，例如数据的共享和交换等[1]。
1. 2 BIM 技术的特征
①3D 参数化: 与传统的二维设计方法相比，BIM 技术是一种三维设计技术，其能够通过工程相关的参数来创建并驱动 3D 建筑模型，同时能够根据模型对建筑的各种性能进行分析和模拟; ②信息化: BIM 技术有着信息化的特点，其能够用各种参数对建筑单元进行描述，传统的 CAD 设计中描述的对象为点、线、面等几何元素，而 BIM 技术的描述对象则为窗、柱、墙、梁等建筑构件，并且能够对这些构件的真实属性进行信息化、参数化的模拟; ③完整性: BIM 技术不仅能够对各种建筑 3D 几何信息进行描述，其还能够对建筑设计的拓扑关系进行描述，同时 BIM 技术中还包括了工程对象的名称、建筑材料、结构类型、施工工序、工程量、运营养护信息等整个工程信息的描述[2]; ④开放交互性: 开放交互性特点主要指的是 BIM 技术支持 IFC 的工程基础分类标准，当在该标准下进行数据输出时，其他支持此标准协议的软件也可以读取 BIM 上的相关数据。
2 BIM 在市政道路设计应用中的优势
相较于其他设计方式，BIM 技术在市政道路设计应用中有着众多优势，这也是 BIM 被广泛重视的重要原因，在研究 BIM 在市政道路设计中的应用前，首先对 BIM 在市政道路设计应用中的优势进行探讨分析。
2. 1 设计意图明显
传统的 CAD 等二维设计方式要将复杂的市政道路三维空间问题展现在二维空间中，在设计的过程中，由于三维参数的复杂化，不可避免地会丢失一些三维数据，从而导致所设计出的成果不能够完整、明显、准确地表达设计意图，很容易造成设计方案的曲解。在 BIM 技术下设计出的成果属于一种三维的数字化信息模型，能够将整个市政道路工程完工后的样子完整地表达出来，因此，其能够准确、清晰、完整地表达出设计意图。此外，BIM 技术中，其工程属性以及子模型的划分越详细，则设计意图表达得就越统一、准确。BIM 技术还有一大特点，即能够对相关自定义的参数组件进行设计，因此，对于一些复杂的市政道路三维问题也能够很好地进行描述[3]。也就是说，BIM 技术在复杂的市政道路工程中表现得十分突出，这也是市政道路建设重视 BIM 技术应用的一大重要因素。
以前我国的各项道路基础设施并不完善，且人们对于市政道路的建设水平要求也不高，市政道路的三维空间复杂程度并不高，其各个工程之间很多都有着一定的相似性，因此，仅靠设计人员的经验就可以解决市政道路中施工、设计等各方面的问题，但随着社会的发展，人们对于市政道路的建设水平要求逐渐提高，各种复杂的高架互通类市政道路工程逐渐出现，且许多市政道路工程都有着较高的创造性，依靠设计人员经验已经不能解决复杂的市政道路设计三维空间问题，传统的二维设计方法也逐渐显出落后的状态，因此，BIM 技术在当前市政道路设计中有着较大的优势，能够对许多市政道路复杂的三维空间问题进行描述，从而更加准确、统一地表达出了市政道路设计意图[4]。
2. 2 模拟和分析能力强大
BIM 技术下，我们从设计阶段就能够通过 BIM 数据信息模型来直观地看到市政道路工程在完工后的效果，从而发现设计问题，以此为依据对设计方案进行论证、调整和优化。这就是 BIM 技术强大的模拟和分析能力的具体体现。对于市政道路设计人员来说，可以及时地发现设计中存在的问题，并采取有效措施进行调整优化，大大降低了施工的返工率。对于业主来说，真实的完工效果能够展现在眼前，从而通过优化设计消除与心理预期的偏差，将整个市政道路的建设问题在设计阶段消除，避免了施工阶段解决问题浪费大量的人力和物力。这些都是传统二维设计所不能实现的。此外，BIM 技术的信息数据三维模型中有着丰富的信息，例如前文提到的市政道路 3D 几何信息、市政道路工程拓扑关系信息以及市政道路的整个工程信息等，这些信息的完整性能够为市政道路的设计和施工提供数据基础，从而得出精确的设计验证结论，促进了施工技术交底的高效性。
2. 3 工程量计算精确度高
在传统的二维设计模式下，通常以断面法来估算市政道路的工程量，例如道路路面的工程量、道路土方的工程量等，这种工程量的确定方式在道路平坦、设计简单的市政道路工程中误差较小，但对于地形起伏大、道路平面相对复杂的市政道路则有着较大的误差，从而对市政道路的施工造成影响。对于市政道路中的管线工程来说，传统确定工程量的方法是根据标准图以及施工经验进行估算，其本身就存在一定的误差性，但应用 BIM 技术后，其中各个工程的子模型中都有着完善、精确的属性数据和几何数据，从而能够对面积、长度、体积、个数等工程量进行精确地确定，例如，可以应用 BIM 技术的数据信息模型对道路曲面及自然地形曲面之间的土方工程量进行精确的计算[5]。此外，这些工程量的计算有着自动化特征，并不需要人工进行数据录入，因此节省了大量的人力资源。
2. 4 协同效果强
工程规模的不断扩大是当前市政道路发展的重要趋势，这就使得市政道路的设计难度增高，设计内容细化，只依靠两三个设计人员完成设计已经成为了过去式。当今的市政道路设计要求多专业人才紧密合作，不仅要在专业内部进行合作，专业之间也要积极寻求合作，这就对市政道路设计工具的协同性提出了更高的要求。
在传统的二维设计方式下，设计人员通过分图层的复制、粘贴和引用来实现合作，或通过协同设计系统来实现合作，但是这种协同的方式过于简单，只是单纯的将图形和设计文件加以权限存储在服务器上，对于一些低层次的协同问题还能够解决，但对于一些更加精细、更加复杂的协同则不能够很好完成。例如，在市政道路设计中，通常将路段边坡、交叉口、互通立交、绿化带开口、公交站等工作交给不同的人去完成，在传统的二维设计方式下，这些协同性较高的工作很难并行，设计的平面图中涉及到很多有关联的文字、线条及数据，如果单纯地将每个人的工作成果结合，不仅难度较大，且十分容易出现错误。
而在 BIM 技术的应用下，这种协同合作将会变得十分容易，BIM 技术设计的过程本就是信息模型的搭建过程，其中有着许多的子模型，不同模型之间有着高内聚、低耦合的关系，且这种耦合关系相当明确，使得协同变得容易，同时 BIM 技术的应用能够及时发现协同中出现的问题，因此可以将不同的工作分配给不同的人员来完成，并且协同效果良好。
3 BIM 技术在市政道路设计中的应用
BIM 技术在市政道路的设计中有着重要的应用，当前的市政专业对于 BIM 技术十分重视，其中常用的 BIM 设计软件是 Autodesk 公司推出的 Civil3D 软件，其在市政道路设计中能够有效实现 BIM 的解决方案，有效帮助设计人员对市政道路设计项目的每一个阶段进行简化，具体来说，BIM 技术在市政道路设计中的应用主要有以下几个方面。
3. 1 地形图绘制
一般来说，市政道路勘测单位会提供常用的两种地形图: 一种是二维地形图，在二维地形图中，高程点的实际高程都被设置为 0，而具体的高程则以数字的形式在高程点旁边进行标注; 另外一种是三维地形图，三维地形图中的高程点的实际高程与标注高程相一致，即在三维地形图中，高程点的标注的高程就是其实际的高程。
本文以三维地形图为例，三维地形图中，高程点所带有的图块为 Z 坐标图块，BIM 技术在三维地形图中的应用主要有以下几个步骤: ①将 Civil3D 软件中的图层管理器打开，反向选择除高层点之外的图层，将反向选择的土层进行冻结处理[6]; ②在曲面菜单下有一个创建曲面的命令，点击创建曲面，将创建曲面的对话框打开，根据曲面的类型以及图层的名称来选择相应所需要的图层，之后点击确定键; ③在工具空间下有曲面菜单，点击此菜单，将菜单中的定义工具栏打开，右键点击定义工具栏中的图形对象，选择添加一项，完成添加，此时会弹出一个选择对话框，点击确定其中的选择块; ④对所有的高程点进行框选，之后按回车键，此时就完成了三维地形图中的曲面创建，之后可以用对象查看器来具体查看刚刚所创建的曲面。
3. 2 道路中心线绘制
道路中心线的设计与绘制是市政道路设计中的重要内容，在设计过程中会涉及到各种控制因素，因此，在市政道路中心线的设计过程中应当统筹考虑各种控制因素，之后按照市政道路设计规划中的线位进行拟合处理，并以市政道路设计规定要求中的各项基本要求对设计方案中的曲线长度、曲线半径以及缓和曲线长度等各个曲线的要素进行适当的调整和优化。具体来说，BIM 技术在市政道路中心线设计绘制中的应用主要有以下步骤: ①中心线插入: 事先对市政道路中心线进行分析和优化，在确定之后，将市政道路中心线插入到 3D 地形图中; ②中心线转换: 在 3D 地形图中对市政道路中心线进行转换，有市政道路中心线转换为多段线; ③路线创建: 在路线菜单下有从多段线创建路线这一项，对此项进行单击，将市政道路的中心线进行选中操作，此时会弹出一个路线输入的对话框，将路线的名称在此对话框中输入，之后对路线的标签集以及路线的样式进行选择，最后单击进行确定。
3. 3 道路纵向断面设计
就目前来看，我国常用的道路设计软件在道路纵向断面设计这一方面都有着一定的功能完善，当前道路设计软件中主要的道路纵向断面设计流程为: 首先对原地面的线文件进行编制工作，然后通过设计软件生成原地面线，之后，在已经生成的原地面线上对拉坡线进行绘制，并在绘制的过程中不断对拉坡线进行调整，使其能够满足既定的设计要求，最后将拉坡线以竖曲线设计文件的形式进行储存，将存储中的原地线文件、后来生成存储的竖曲线文件进行调用，最终生成所需要的市政道路纵断面的设计图，从而完成了道路纵向断面的设计[7]。而以 BIM 技术为基础的 Civil3D 软件在道路纵断面设计方式上则有着一定的区别，Civil3D 软件将三维地形作为道路纵向断面设计的基本资料，其中地面线的文件生成相对简单，通过“从曲面创建纵断面”这一命令就可以直接生成地面线，同时地面线的更新会随着市政道路中心线的修改而自动完成，这就有效节省了大量设计人员的设计时间和设计精力。此外，道路纵向断面拉坡线设计可以通过“按布局创建纵断面”的命令来生成，在纵断面绘制完成之后，要对整个设计自动生成的坡度、坡长指标以及纵曲线的相关要素进行查看，看其是否符合相关规范，如果不符合，则要对 Civil3D 软件中的纵断面形状命令进行编辑，此时会弹出子工具条，在子工具条中对纵断面的布局参数一项进行设置，将对话框打开，对边坡点一项进行选取，之后在布局对话框中对边坡点的里程桩号、竖曲线半径、坡长、坡度以及边坡点的标高等各个参数进行修改，使其满足相关规范的具体要求。
3. 4 道路横向断面设计
Civil3D 软件的设计过程即是整个市政道路的装配过程，在设计的过程中要综合考虑各种影响因素，对相关部件合理选择，之后才能进行组合和装配步骤，这对于市政道路 BIM 数据信息模型的精确反应有着重要的意义。具体来说有以下几个步骤: ①创建装配: 在 Civil3D 软件中的道路下拉菜单中有装配创建的命令，单击下拉菜单中的装配创建命令，此时会弹出装配名称输入的对话框，点选此对话框，在对话框中输入具体的装配名称，之后点击确定键，完成装配创建和装配名称的确定; ②插入装配基准线: 在对屏幕任意位置进行鼠标点击的过程中，会将带有圆形标记的竖线插入到 Civil3D 软件中，这条带有圆形标记的竖线就是我们所要选择的装配基准线，也就是我们上文中所提到的市政道路中心线; ③部件装配: Civil3D 软件中道路菜单下有“部件工具版选项板”，Civil3D 软件程序中自带部件，利用 Civil3D 软件程序中自带部件就可以完成相关装配; ④ 装配步骤: 首先对标准的横断面进行装配，保证横断面的装配要求，在横断面装配完成之后，要分析市政道路之后的设计需要，根据具体的设计需要分析结果来进行其余的装配添加，Civil3D 软件有着关联性和动态性，因此，利用 Civil3D 软件进行市政道路装配部件参数的修改或对原有的装配进行重新制定成为不同的装配后，Civil3D 软件设计的市政道路参数数据模型能够实时、快速地进行相关装配更新。
3. 5 道路建模设计
在道路下拉菜单中有创建道路的命令，对此命令进行点击，此时会出现相关道路创建的提示，根据具体的提示来完成对市政道路路线的选择以及市政道路标准横断面和纵断面的装配。在以上工作完成之后，会弹出一个关于道路组件逻辑目标的对话框，此时，应当以市政道路宽度变化为基础，创建出相应的区域，并以市政道路组件为对象，为其指定出正确的、合理的、适应的市政道路组件逻辑目标[8]。
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上述内容分析了 BIM 技术在市政道路设计中的五个重要应用，通过研究我们可以发现，相较于传统的二维设计方式，BIM 技术设计有着较大的优越性，但需要明确的是， BIM 技术是一项新兴的三维设计技术，其在应用的过程中会受到理念转变、社会推动不足、相关标准不完善等问题的制约。因此，总的来说，虽然 BIM 技术有着一定的优势，但其在市政道路设计上的具体应用发展还任重道远。
4 结 语
综上所述，当前我国市政道路建设正从短平快的发展路线逐渐向复杂、具有创造性的发展路线过渡，这就对市政道路的设计提出了更高的要求。传统的二维设计方式显然已经不能满足当前市政道路的设计需要。本文从 BIM 技术的概念和特征入手，简要探讨了其在市政道路设计中的应用优势，并对其具体应用进行了研究。在我国 BIM 技术应用于市政道路设计还存在一定阻力的背景下，本文旨在为促进 BIM 技术的发展，推进 BIM 技术在市政道路设计中更广泛的应用做出贡献。 [ID: 002661]——论文作者：余 萌
参 考 文 献:
[1] 高书克. BIM 技术在市政道路设计中的应用[A]. 中国土木工程学会计算机应用分会，中国建筑学会建筑结构分会计算机应用专业委员会. 第十七届全国工程建设计算机应用大会论文集[C]. 北京: 中国土木工程学会计算机应用分会、中国建筑学会建筑结构分会计算机应用专业委员会，2014.
[2] 张新兰，李颜强，李文江. 积极推进 BIM 设计技术在市政工程中的应用[J]. 中国给水排水，2013，29( 8) : 87 - 91.
[3] 刘铭，张京，彭勃阳. BIM 技术在市政工程设计中的应用[J].市政技术，2015，43( 4) : 195 - 198.
[4] 蒲红克. BIM 技术在城市道路与管道协同规划设计中的应用[J]. 城市道桥与防洪，2013，30( 11) : 65 - 67.
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[6] 上海市政工程设计研究总院( 集团) 有限公司. BIM 和 PLM 技术在市政工程三维设计中的应用[J]. 中国勘察设计，2012，28 ( 12) : 68 - 77.
[7] 梁波. 基于 BIM 技术的建筑能耗分析在设计初期的应用研究[D]. 重庆: 重庆大学，2014.
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