邱 蒙，孫 旭，賈莉浩

（武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430023）

BIM在市政道路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探索

邱 蒙，孫 旭，賈莉浩

（武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430023）

BIM技術(shù)在市政道路工程領(lǐng)域發(fā)展相對(duì)滯后，現(xiàn)通過(guò)BIM技術(shù)特性分析，總結(jié)BIM技術(shù)在市政道路工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用的主要難點(diǎn)，同時(shí)從對(duì)象化、模塊化、可視化三個(gè)角度闡述BIM設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合BIM優(yōu)勢(shì)分析并通過(guò)工程實(shí)踐總結(jié)出BIM設(shè)計(jì)在市政道路工程中的應(yīng)用原則，包括需求確定優(yōu)先原則，高內(nèi)聚低耦合原則，協(xié)同設(shè)計(jì)原則等，為BIM技術(shù)在市政道路工程領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用與研究提供借鑒。

BIM；道路工程；對(duì)象化；模塊化；可視化；應(yīng)用原則

1 概述

BIM(Building Information Modeling)即建筑信息模型，是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集成建筑工程項(xiàng)目各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型，是對(duì)工程項(xiàng)目設(shè)施實(shí)體與功能特性的數(shù)字化表達(dá)[1]。

根據(jù)美國(guó)國(guó)家BIM標(biāo)準(zhǔn)（NBIMS）對(duì)BIM的定義，有三個(gè)部分內(nèi)容：

（1）BIM是一個(gè)設(shè)施（建設(shè)項(xiàng)目）物理和功能特性的數(shù)字表達(dá)；

（2）BIM是一個(gè)共享的知識(shí)資源，是一個(gè)分享有關(guān)設(shè)施的信息，為該設(shè)施從概念到拆除的全生命周期中的所有決策提供可靠依據(jù)的過(guò)程；

（3）在項(xiàng)目的不同階段，不同利益相關(guān)方通過(guò)在BIM中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映七個(gè)各自職責(zé)的協(xié)同作業(yè)[2]。

目前BIM技術(shù)在建筑工程領(lǐng)域已經(jīng)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，許多重大建筑工程項(xiàng)目實(shí)踐中已經(jīng)應(yīng)用了BIM技術(shù)。而在市政道路工程領(lǐng)域，BIM技術(shù)應(yīng)用的起步較晚，發(fā)展速度也相對(duì)較慢。出于對(duì)工程項(xiàng)目的精細(xì)化設(shè)計(jì)追求及對(duì)項(xiàng)目全壽命周期管理的需要，BIM技術(shù)是工程領(lǐng)域的重要技術(shù)方向。

考察國(guó)內(nèi)建筑領(lǐng)域BIM技術(shù)應(yīng)用路徑，初期主要由高校、研究所等機(jī)構(gòu)建立BIM技術(shù)框架，由專業(yè)軟件公司進(jìn)行設(shè)計(jì)平臺(tái)開(kāi)發(fā)，由設(shè)計(jì)院推動(dòng)BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)中的工程初步應(yīng)用[3]。因此，在市政道路工程領(lǐng)域，借鑒已有的BIM技術(shù)框架，同樣可由BIM設(shè)計(jì)工作的探索來(lái)帶動(dòng)新技術(shù)應(yīng)用。

2 BIM技術(shù)在道路工程設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)

現(xiàn)階段，BIM技術(shù)在市政道路工程領(lǐng)域發(fā)展相對(duì)滯后，有兩大原因。一是傳統(tǒng)道路工程項(xiàng)目數(shù)量相對(duì)建筑工程較少，精細(xì)化要求相對(duì)建筑工程要求也較低，這種由需求倒逼技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力相對(duì)較弱。二是道路工程中BIM技術(shù)應(yīng)用難度較高。由于城市化進(jìn)程不斷發(fā)展，市政道路工程數(shù)量和精細(xì)化要求都提升到一個(gè)新的階段，需要新的技術(shù)儲(chǔ)備來(lái)應(yīng)對(duì)未來(lái)發(fā)展需求。在此，本文重點(diǎn)分析道路工程設(shè)計(jì)中BIM技術(shù)應(yīng)用難點(diǎn)。

BIM技術(shù)的特性包括：模型的3D參數(shù)化、模型的信息化、模型信息的完整性、遵照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)同作業(yè)等方面[4]。相對(duì)于基于傳統(tǒng)CAD二維平面制圖，采用BIM設(shè)計(jì)的首要工作是進(jìn)行3D設(shè)計(jì)，在3D設(shè)計(jì)中賦予模型信息，從而為協(xié)同作業(yè)、工程的全過(guò)程的完整模型信息提供基礎(chǔ)。從上述技術(shù)特性出發(fā)，結(jié)合筆者的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)階段BIM技術(shù)在道路工程設(shè)計(jì)的主要難點(diǎn)在于以下三點(diǎn)：

（1）道路工程范圍較大、涉及環(huán)境復(fù)雜、工程結(jié)構(gòu)不規(guī)則程度高。在模型3D參數(shù)化設(shè)計(jì)階段就面臨很大困難，大范圍的工程地質(zhì)信息完整性較差，且工程結(jié)構(gòu)與復(fù)雜環(huán)境的交互設(shè)計(jì)工作量較大，不確定因素較多。

（2）應(yīng)用BIM技術(shù)在現(xiàn)階段使設(shè)計(jì)人員工作量加大，而成效不高?，F(xiàn)階段BIM技術(shù)還未被道路工程領(lǐng)域廣泛接受，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行BIM模型設(shè)計(jì)時(shí)，還需要兼顧完成傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)成果和工作流程。加大了設(shè)計(jì)人員的工作量，而B(niǎo)IM技術(shù)本身的統(tǒng)一參數(shù)化設(shè)計(jì)能帶來(lái)的高效率協(xié)同設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)限于客觀環(huán)境暫時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因此現(xiàn)階段BIM設(shè)計(jì)對(duì)于設(shè)計(jì)人員往往意味著額外的工作量，不利于BIM設(shè)計(jì)的推廣。

（3）BIM工具平臺(tái)不夠完善統(tǒng)一。目前在道路工程領(lǐng)域BIM的應(yīng)用軟件主要有Autodesk公司的AutoCAD Civil 3D和Bentley公司的Power InRoads，以及國(guó)內(nèi)相關(guān)公司開(kāi)發(fā)的的BIM軟件（如鴻業(yè)科技的RoadLeader路利得等）。由于發(fā)展時(shí)間較短，工程實(shí)踐反饋較少，同時(shí)市政道路工程涉及到給排水、電力、通信、燃?xì)狻⒄彰鞯容^多相關(guān)專業(yè)，以上設(shè)計(jì)平臺(tái)在模型設(shè)計(jì)及專業(yè)協(xié)同方面都還不夠完善，這也是現(xiàn)階段BIM設(shè)計(jì)推廣的一大制約。

3 BIM設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)

3.1 對(duì)象化

BIM設(shè)計(jì)中要賦予模型信息，要將設(shè)計(jì)內(nèi)容抽象成對(duì)象，對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。在傳統(tǒng)二維平面設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)對(duì)象，如路面、邊坡、擋土墻等，均通過(guò)線條繪制。信息表達(dá)上通過(guò)標(biāo)注或圖例注明，組成各個(gè)設(shè)計(jì)對(duì)象的線條并無(wú)區(qū)別。而對(duì)象化設(shè)計(jì)，將設(shè)計(jì)內(nèi)容對(duì)象化，通過(guò)對(duì)象屬性賦予信息（如對(duì)路面對(duì)象設(shè)定路面結(jié)構(gòu)、厚度等信息），圖形形狀有了實(shí)際意義，對(duì)象化參數(shù)設(shè)計(jì)帶來(lái)的好處有：設(shè)計(jì)的可維護(hù)性，設(shè)計(jì)信息的完整性，整個(gè)設(shè)計(jì)周期的數(shù)據(jù)統(tǒng)一性。

（1）設(shè)計(jì)的可維護(hù)性：參數(shù)化設(shè)計(jì)的本質(zhì)即通過(guò)可變?cè)O(shè)計(jì)參數(shù)的調(diào)整完成設(shè)計(jì)或修改，系統(tǒng)自動(dòng)維護(hù)所有的不變參數(shù)。設(shè)計(jì)人員通過(guò)輸入或修改設(shè)計(jì)參數(shù)，完成模型的幾何和信息設(shè)計(jì)，模型的呈現(xiàn)及關(guān)聯(lián)通過(guò)系統(tǒng)自動(dòng)完成，避免了由于局部修改可能導(dǎo)致的重復(fù)設(shè)計(jì)，大大提高了設(shè)計(jì)的可維護(hù)性。

（2）設(shè)計(jì)信息的完整性：二維設(shè)計(jì)的模型信息通過(guò)標(biāo)注、圖例等方式表示，在不同的分部設(shè)計(jì)時(shí)為了側(cè)重信息表達(dá)，會(huì)刪除多余的標(biāo)記信息，同時(shí)在大型工程中，也存在局部修改導(dǎo)致的不同階段不同成果間的設(shè)計(jì)信息沖突，致使設(shè)計(jì)信息的完整性和連續(xù)性受到影響，BIM技術(shù)的對(duì)象化設(shè)計(jì)使設(shè)計(jì)信息數(shù)據(jù)化存儲(chǔ)于模型之中，側(cè)重某種信息表達(dá)時(shí)，從模型數(shù)據(jù)中引用即可，保證了設(shè)計(jì)信息的完整性。

（3）數(shù)據(jù)統(tǒng)一性：在工程設(shè)計(jì)中，各設(shè)計(jì)部門成果對(duì)工程設(shè)施的幾何參數(shù)、位置參數(shù)等信息存在大量的交叉引用，同時(shí)不同的設(shè)計(jì)階段，不同的設(shè)計(jì)人員對(duì)部分?jǐn)?shù)據(jù)的修改，需要關(guān)聯(lián)傳遞到整個(gè)設(shè)計(jì)成果中。對(duì)象化設(shè)計(jì)的參數(shù)關(guān)聯(lián)能保證整個(gè)設(shè)計(jì)模型的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

3.2 模塊化

模塊化設(shè)計(jì)包含兩個(gè)層次，其一是由對(duì)象化設(shè)計(jì)引伸出的對(duì)象模塊化，將工程設(shè)施拆解為單獨(dú)對(duì)象，逐一進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，稱之為對(duì)象模塊化；其二是設(shè)計(jì)過(guò)程的模塊化，在具體的市政工程設(shè)計(jì)中，從時(shí)間關(guān)系上排列，包括項(xiàng)目建議書(shū)、可行性研究、初步設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)等階段，是設(shè)計(jì)深度的不斷深化；從設(shè)計(jì)工作流程上排列，可分為設(shè)計(jì)、協(xié)同、成果等步驟，是設(shè)計(jì)內(nèi)容不斷完善，稱之為過(guò)程模塊化。

模塊化設(shè)計(jì)是通過(guò)劃分功能模塊，通過(guò)模塊組合構(gòu)成設(shè)計(jì)產(chǎn)品。BIM引入工程設(shè)計(jì)的模塊化理念的優(yōu)勢(shì)在于促進(jìn)設(shè)計(jì)深化和創(chuàng)新，提高設(shè)計(jì)效率，利于團(tuán)隊(duì)協(xié)作。

圖1為市政道路工程設(shè)計(jì)過(guò)程圖。

圖1 市政道路工程設(shè)計(jì)過(guò)程圖

促進(jìn)設(shè)計(jì)深化和創(chuàng)新：將工程設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件（如擋土墻、橋墩等）進(jìn)行模塊化，利于對(duì)設(shè)計(jì)成果的重復(fù)利用。利用已有的經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的模塊，可以降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，提高設(shè)計(jì)的可靠性和設(shè)計(jì)質(zhì)量。而常用模塊的大量應(yīng)用，使模塊研究更加專業(yè)化和深入，進(jìn)而提高設(shè)計(jì)的整體性能和可靠性。

提高設(shè)計(jì)效率：大量的可重用設(shè)計(jì)模塊的積累，使設(shè)計(jì)和審核工作量大大減少，縮短了設(shè)計(jì)周期并降低了設(shè)計(jì)成本。

利于團(tuán)隊(duì)協(xié)作：過(guò)程模塊化有利于團(tuán)隊(duì)分工，規(guī)范不同團(tuán)隊(duì)間的信息接口，利于深入的專業(yè)化設(shè)計(jì)和不同專業(yè)設(shè)計(jì)間的協(xié)同工作。

3.3 可視化

BIM設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)為三維設(shè)計(jì)，在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)效果均是可視化的。相對(duì)于傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)帶來(lái)兩方面的優(yōu)勢(shì)，一方面是設(shè)計(jì)人員對(duì)設(shè)計(jì)內(nèi)容之間，以及設(shè)計(jì)內(nèi)容與周邊設(shè)施、周邊環(huán)境之間的交互關(guān)系把握更加清晰準(zhǔn)確；另一方面是設(shè)計(jì)方案的表達(dá)、溝通更加直觀。以某快速路工程BIM方案設(shè)計(jì)實(shí)例說(shuō)明（見(jiàn)圖2），該工程在某越嶺段有多條線位比選，通過(guò)多方案的BIM模型建立，將多條比選方案在同一模型下建立，可視化后其各方案與地形關(guān)系，對(duì)周邊環(huán)境影響，建設(shè)方式的合理性等方面更加直觀，同時(shí)模型化使比選工程量更加準(zhǔn)確，更有利于工程方案的決策。

圖2 BIM模型多方案選線比選圖示

4 道路工程設(shè)計(jì)中BIM技術(shù)應(yīng)用原則

考慮到目前BIM技術(shù)在道路工程領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，目前BIM技術(shù)的應(yīng)用主要在設(shè)計(jì)階段，根據(jù)實(shí)際的工程探索經(jīng)驗(yàn)，筆者總結(jié)了幾條目前BIM設(shè)計(jì)工作中的應(yīng)用原則。

4.1 需求確定優(yōu)先原則

在市政道路工程設(shè)計(jì)中，BIM技術(shù)應(yīng)用還未成熟，相對(duì)而言，各項(xiàng)目對(duì)BIM設(shè)計(jì)的需求也并不統(tǒng)一，同時(shí)考慮到各市政BIM設(shè)計(jì)平臺(tái)暫未完善，市政設(shè)計(jì)專業(yè)未詳盡覆蓋，在進(jìn)行具體BIM設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)，要進(jìn)行前期需求分析，明確BIM設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)的功能。比如，是否需要三維效果展示及所需達(dá)到的效果精度；是否需要及如何通過(guò)BIM模型進(jìn)行專業(yè)間協(xié)同設(shè)計(jì)；是否需要通過(guò)BIM模型出圖；是否需要進(jìn)行三維信息模型交付等。明確BIM設(shè)計(jì)需求后才能考察設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)是否滿足要求，同時(shí)有針對(duì)性地進(jìn)行BIM模型設(shè)計(jì)。也能避免陷入盲目構(gòu)建大且精的模型，而導(dǎo)致的設(shè)計(jì)工作量增加，設(shè)計(jì)工作效率下降的情況。此需求確定階段可參照美國(guó)NBIMS對(duì)BIM功能確定提出的標(biāo)準(zhǔn)流程（見(jiàn)圖3）。

圖3 NBIMS中確定BIM功能流程圖[2]

4.2 高內(nèi)聚低耦合原則

此原則是由模塊化特性引伸出來(lái)的，即在設(shè)計(jì)內(nèi)容和設(shè)計(jì)過(guò)程的組成模塊之間減少耦合關(guān)系，各模塊本身由相關(guān)性很強(qiáng)的部分組成，只負(fù)責(zé)單一任務(wù)。在傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)中，兩張不同尺度的圖紙中涉及到同一設(shè)計(jì)內(nèi)容時(shí)，為了保持一致，一般通過(guò)復(fù)制拷貝，修改標(biāo)注信息實(shí)現(xiàn)，該設(shè)計(jì)內(nèi)容的方案修改后，仍需要重復(fù)上述工作。兩張圖紙中的設(shè)計(jì)內(nèi)容有很強(qiáng)的耦合度，某設(shè)計(jì)內(nèi)容被引用較多時(shí)，圖紙的修改困難，且極易出錯(cuò)。BIM設(shè)計(jì)中將相同內(nèi)容對(duì)象模塊化，圖紙表達(dá)是對(duì)該對(duì)象模塊的直接引用，對(duì)該對(duì)象模塊的修改均可同步反映到不同圖紙中。設(shè)計(jì)過(guò)程的高內(nèi)聚低耦合原則體現(xiàn)在：不同設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)深度不同，對(duì)某一設(shè)計(jì)內(nèi)容的前期階段可能僅是規(guī)模尺寸確定，逐步深入到結(jié)構(gòu)、材料、具體方案設(shè)計(jì)，在前期設(shè)計(jì)階段需要考慮到該設(shè)計(jì)對(duì)象的逐步深化的設(shè)計(jì)過(guò)程，該設(shè)計(jì)對(duì)象與整體模型其他模塊之間的接口須完善且連續(xù)，后期深化設(shè)計(jì)只需要保證與其他模塊的接口銜接，本身方案的深化與調(diào)整均靈活且獨(dú)立。

4.3 協(xié)同設(shè)計(jì)原則

在傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)中，協(xié)同設(shè)計(jì)往往體現(xiàn)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，不同設(shè)計(jì)專業(yè)的設(shè)計(jì)成果卻是單獨(dú)成序列或成冊(cè)。而B(niǎo)IM設(shè)計(jì)最終需要將不同設(shè)計(jì)專業(yè)設(shè)計(jì)成果納入到同一模型中，是復(fù)雜工程的統(tǒng)一化模型。不僅是設(shè)計(jì)過(guò)程的統(tǒng)一，設(shè)計(jì)成果也是統(tǒng)一的，對(duì)協(xié)同設(shè)計(jì)的要求更高，因此，在BIM設(shè)計(jì)中，需要對(duì)設(shè)計(jì)全過(guò)程進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)管理，明確設(shè)計(jì)模式、設(shè)計(jì)功能、設(shè)計(jì)接口，建立完善的設(shè)計(jì)質(zhì)量管理體系。

5 結(jié)論

（1）本文研究目的是借鑒建筑領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展路徑探索BIM技術(shù)在市政道路工程領(lǐng)域的初步應(yīng)用，即BIM在設(shè)計(jì)工作中的應(yīng)用探索。

（2）通過(guò)BIM技術(shù)特性分析，總結(jié)現(xiàn)階段道路工程設(shè)計(jì)中BIM技術(shù)應(yīng)用難點(diǎn)，包括a.道路工程范圍大，環(huán)境復(fù)雜，工程結(jié)構(gòu)不規(guī)則程度高；b.BIM設(shè)計(jì)現(xiàn)階段使設(shè)計(jì)人員工作量增加，而成效不高；c.BIM設(shè)計(jì)平臺(tái)不完善。

（3）從對(duì)象化、模塊化、可視化三個(gè)方面闡述BIM設(shè)計(jì)為道路工程帶來(lái)的大優(yōu)勢(shì)。對(duì)象化提高了設(shè)計(jì)的可維護(hù)性，設(shè)計(jì)信息的完整性，整個(gè)設(shè)計(jì)周期的數(shù)據(jù)統(tǒng)一性。模塊化可促進(jìn)設(shè)計(jì)深化和創(chuàng)新，提高設(shè)計(jì)效率，利于團(tuán)隊(duì)協(xié)作?？梢暬乖O(shè)計(jì)方案更加準(zhǔn)確，使方案表達(dá)更加清晰直觀。

（4）通過(guò)對(duì)BIM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)分析，同時(shí)結(jié)合目前BIM技術(shù)的發(fā)展階段，總結(jié)出道路工程設(shè)計(jì)中BIM技術(shù)的主要應(yīng)用原則，包括包括需求確定優(yōu)先原則，高內(nèi)聚低耦合原則，協(xié)同設(shè)計(jì)原則等。

[1]印明,等.淺析BIM在市政道路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].城市道橋與防洪,2012,(7):347-349.

[2]NATIONAL BuildingInformationModelingSTANDARD [M]. National Institute of Building Sciences building SMART alliance, 2015.

[3]陳花軍.BIM在我國(guó)建筑行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展對(duì)策研究[J].黑龍江科技信息,2013,(23):278-279.

[4]張一鵬,等.淺析BIM在市政道路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì),2015,(10):1459.

U412.37

B

1009-7716（2017）04-0230-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.068

2017-02-07

邱蒙（1988-），男，安徽宿州人，碩士，工程師，從事城市道路工程咨詢及設(shè)計(jì)工作。