潘國瑞，趙亮

（中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，昆明650051）

1 引言

市政項目具有綜合性強，覆蓋專業(yè)廣，受限因素多，方案變更頻繁的特點。在項目推進過程中，經(jīng)常面臨時間緊、任務(wù)重、人員緊缺以及交互不暢導(dǎo)致多次返工等問題。為提高設(shè)計效率，建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術(shù)雖有一定的應(yīng)用基礎(chǔ)，但普遍是先通過BIM團隊對設(shè)計方案進行理解，然后運用BIM軟件實施建模設(shè)計[1]。加之傳統(tǒng)二維CAD圖紙是由幾何圖塊作為圖形的基礎(chǔ)骨架，這些幾何圖塊數(shù)據(jù)并不能被設(shè)計流程的上下游專業(yè)重復(fù)利用，此方法并未對上述不足進行實質(zhì)性的改進。采用BIM正向設(shè)計，即嚴格按照設(shè)計流程，利用BIM技術(shù)進行參數(shù)化設(shè)計，在確定相對穩(wěn)定的設(shè)計方案后將模型導(dǎo)入軟件進行計算，可以充分發(fā)揮BIM技術(shù)的優(yōu)勢，將工程項目在不同階段的工程信息、過程和資源集中通過數(shù)字模型體現(xiàn)。最終從BIM模型中生產(chǎn)可以交付的設(shè)計圖紙。目前，基于BIM技術(shù)的正向設(shè)計在市政行業(yè)中能夠使用的企業(yè)為數(shù)不多[2]。因此，本文結(jié)合多個市政項目的實施和實踐，介紹了BIM正向設(shè)計技術(shù)路徑的應(yīng)用過程。旨在通過實際案例中的良好應(yīng)用效果，推廣BIM正向設(shè)計在市政項目中的應(yīng)用，為市政項目設(shè)計人員提供豐富的設(shè)計思路與方法，進而提高設(shè)計效率。

2 BI M正向設(shè)計技術(shù)路徑

BIM正向設(shè)計整合各專業(yè)間的獨立信息，為各專業(yè)設(shè)計人員提供虛擬的“協(xié)同設(shè)計平臺”，通過將項目各個階段中的數(shù)字信息有效地利用，顯著提高設(shè)計效率[3]。BIM技術(shù)針對土木、結(jié)構(gòu)、市政工程設(shè)計具有直觀可視化、多方協(xié)同化、參數(shù)標準化、出圖模式化等特點，具有很好的推廣應(yīng)用前景。推進BIM正向設(shè)計，有助于保證各階段的圖模一致性和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性，從而達到設(shè)計、施工、運維一體化的目的。同時，BIM正向設(shè)計使多專業(yè)作業(yè)協(xié)同化，有助于提高工作效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量[4]。在BIM正向設(shè)計中，選擇交互性較好的三維設(shè)計軟件搭建多專業(yè)協(xié)同作業(yè)平臺是實現(xiàn)正向設(shè)計的重要保障。

2.1 基于三維設(shè)計軟件的協(xié)同作業(yè)平臺搭建

市場上的三維設(shè)計軟件種類較多，主要包括Civil 3D、Revit、Dynamo、Infraworks等[5]。其中，Civil 3D軟件有助于快速完成場地分析、道路選線及管線工程的建模、出圖、計量工作，應(yīng)用較為廣泛；Revit軟件布置能力強，豐富的族庫調(diào)用方便，適用于建筑結(jié)構(gòu)的精確設(shè)計；Dynamo是一款便捷的可視化編程軟件，可與多款A(yù)utodesk公司的軟件交互，靈活滿足各類需求；Infraworks能夠幫助設(shè)計者利用云功能在真實環(huán)境中開展建模、設(shè)計和分析工作，也可直接導(dǎo)入三維模型，利用其可視化功能，提供豐富的展示效果。上述4款軟件組合應(yīng)用效果好，交互較好，數(shù)據(jù)流能在各個軟件之間無損互通。

采用“云服務(wù)器+快捷方式”的模式，可有效提高初始資料和各專業(yè)中間設(shè)計成果的共享度[6]。通過Civil 3D數(shù)據(jù)快捷方式的形式分類放入中心文件。數(shù)據(jù)快捷方式提供了對象的完整參照副本，可實現(xiàn)良好的數(shù)據(jù)交互。此種方式的優(yōu)勢在于：提高電腦運行速度，避免因模型數(shù)據(jù)較多而導(dǎo)致電腦卡頓；下游專業(yè)僅能參照快捷方式而不能修改，源文件的修改權(quán)僅屬于本專業(yè)設(shè)計者，這樣可有效避免中間成果被誤修改。該模式為項目參與者提供一個完善的協(xié)同作業(yè)環(huán)境，三維模型、二維圖紙以及對應(yīng)工程量始終保持動態(tài)關(guān)聯(lián)。當邊界條件或設(shè)計方案發(fā)生變化時，僅需修改源文件，即可實現(xiàn)模型、圖紙、工程量的同步更新。

2.2 正向設(shè)計技術(shù)路徑

圖1 為BIM正向設(shè)計的技術(shù)路徑。在三維軟件和協(xié)同模式的支撐下，設(shè)計人員依據(jù)項目地勘、測繪等資料創(chuàng)建三維地質(zhì)模型和地形曲面，并將其存儲至中心文件。各專業(yè)設(shè)計人員以快捷方式讀取該成果，同步開展道路、交通、管線、橋梁、隧道等多專業(yè)正向設(shè)計[7]。正向設(shè)計既可在設(shè)計階段及時發(fā)現(xiàn)專業(yè)間的錯、漏、碰、缺等問題，提高設(shè)計效率，保證設(shè)計質(zhì)量，又可將模型和圖紙共同上傳至項目信息管理平臺，輔助施工、運維管理，以高效的信息傳遞和便捷的溝通方式解決現(xiàn)場問題。

圖1 正向設(shè)計技術(shù)路徑

3 BI M正向設(shè)計實踐案例

BIM正向設(shè)計已在多個市政項目中得到成功應(yīng)用。按照上述技術(shù)路徑，各專業(yè)推行正向設(shè)計的技術(shù)瓶頸可被打通，并取得了較好成效。

3.1 道路工程

以某片區(qū)城市道路路網(wǎng)改造項目為例，Civil 3D軟件可快速建立地形曲面，并靈活地完成道路選線。在設(shè)計過程中，利用部件創(chuàng)建裝配是道路建模的核心。道路設(shè)計人員可參照地形曲面和各路線的平面、縱斷面快捷方式，依據(jù)標準橫斷面創(chuàng)建對應(yīng)的裝配生成道路三維模型。利用Civil 3D中提供的大量預(yù)配置部件（具備幾何屬性的邏輯屬性），可更加靈活地進行設(shè)計[8]。Civil 3D還具有強大的曲面分析功能，在工程量統(tǒng)計方面優(yōu)勢明顯。既可利用體積面板快速計算土方填挖工程量，又可結(jié)合采樣線使用平均斷面法列表顯示土方量，還可在代碼集中添加付款項目，統(tǒng)計各層路面結(jié)構(gòu)面積、邊坡面積、路緣石長度等工程量。

出圖過程是BIM正向設(shè)計的關(guān)鍵步驟。設(shè)計人員根據(jù)需求定制dwt格式的模板。調(diào)用定制模板，可依據(jù)模型信息，在圖紙布局快速添加標注、標簽，隨后創(chuàng)建圖幅組，生成圖紙集，圖紙集可批量發(fā)布二維圖紙。Civil 3D軟件的曲面、路線、平面圖、縱斷面和橫斷面等所有設(shè)計信息均來源于道路模型，若方案發(fā)生變更，實時修改模型即可。

3.2 交通工程

參照道路工程設(shè)計成果，利用Civil 3D偏移路線功能完成交通標線模型的構(gòu)建，利用“遮罩”功能對交叉口處多余的標線進行處理，標線可與路線的變化保持同步更新。在Revit中創(chuàng)建交通標志、交通安監(jiān)設(shè)施等多種構(gòu)件的族。通過族的組合，建立交通安監(jiān)設(shè)施各部分三維模型，模型按真實坐標和尺寸導(dǎo)入Civil 3D路網(wǎng)模型進行統(tǒng)一布設(shè)。利用Civil 3D自帶插件Vehicle Tracking可進行車輛行駛仿真，路徑檢查等，以此驗證設(shè)計合理性。交通專業(yè)設(shè)計完成后，可將優(yōu)化意見反饋至道路專業(yè)。2個專業(yè)在中心文件內(nèi)相互調(diào)用對方中間設(shè)計成果，避免了重復(fù)建模工作以及資料傳輸和版本管理中的錯漏。

3.3 排水工程

排水工程設(shè)計人員可利用Civil 3D的曲面分析功能，進行匯水分區(qū)的劃分，利用Civil 3D自帶插件SSA（Storm and Sanitary Analysis）采用模型法進行管道水力計算。此方法可考慮降雨在時空分布的不均勻性和管網(wǎng)匯流過程，比傳統(tǒng)計算方法更加準確與直觀。

根據(jù)水力計算確定設(shè)計路段管道管徑后，設(shè)計人員可通過以下2種方法創(chuàng)建管道模型：（1）根據(jù)計算得到的管道坡度、坡長繪制帶高程的要素線，利用要素線創(chuàng)建管網(wǎng)；（2）先設(shè)定管道和結(jié)構(gòu)井布置的規(guī)則集，選取道路曲面作為管網(wǎng)基準面，通過鼠標拖拽布置平面管網(wǎng)。前者建模效率高，操作簡便，但要素線一個節(jié)點只能對應(yīng)一個高程，無法設(shè)置跌水；后者在模型布置中優(yōu)先使用最小坡度、最小覆土深度等參數(shù)，進而減少管槽開挖量。2種方法建立的管網(wǎng)，均可在管網(wǎng)特性中查看管道和結(jié)構(gòu)井的詳細信息。在設(shè)置雨水出水口、污水倒虹吸等特殊位置，可手動修改管道和井的標高與尺寸。同時，Civil 3D軟件對可對多個管網(wǎng)進行碰撞檢查，既可生成碰撞分析報告，顯示碰撞數(shù)量、零件名稱、位置等信息（見圖2），又可直接縮放至碰撞位置，便于設(shè)計人員對管網(wǎng)模型進行進一步的優(yōu)化。

圖2 管網(wǎng)碰撞檢查

3.4 橋隧工程

橋隧工程主要設(shè)計軟件為Infraworks、Inventor和Revit[9]，道路設(shè)計人員利用Infraworks的點云技術(shù)創(chuàng)建真實的項目環(huán)境，將項目周邊環(huán)境、地形條件可視化。隨后，橋隧設(shè)計人員基于道路專業(yè)提供的Civil 3D建立的道路模型，在Infraworks中拾取道路中心線進行橋梁設(shè)計（橫坡、縱坡、橋梁中心線、超高）和隧道設(shè)計。由于Infraworks自帶的橋梁、隧道構(gòu)件種類有限，且與國內(nèi)常用結(jié)構(gòu)形式有區(qū)別，可以利用Inventor和Dynamo軟件對橋梁、隧道的特定構(gòu)件進行參數(shù)化定制，并導(dǎo)入Infraworks進行高精度參數(shù)化模型建立。Infraworks中的橋梁模型建立完成后，橋梁設(shè)計人員將其導(dǎo)至Revit中，對模型進行編輯、渲染、工程量統(tǒng)計等任意角度的剖切出圖工作。

對于隧道工程，設(shè)計人員首先參照道路工程的路線平縱快捷方式，隨后創(chuàng)建隧道裝配，沿路中線創(chuàng)建隧道三維模型。隧道出入口可能涉及高邊坡設(shè)計，可利用部件編輯器，通過邏輯的定義，實現(xiàn)多級邊坡功能。當路線平縱或隧道尺寸發(fā)生變更時，更新模型即可得到道路和隧道工程的最新工程量，進而對設(shè)計方案進行優(yōu)化。

4 結(jié)語

設(shè)計人員作為模型的生產(chǎn)者，在BIM運行環(huán)節(jié)中扮演了非常重要的角色。然而，在BIM技術(shù)應(yīng)用中，不少設(shè)計企業(yè)或人員已經(jīng)走入“翻模”誤區(qū)，習慣于設(shè)計人員先用傳統(tǒng)二維軟件做設(shè)計并出圖，翻模人員根據(jù)圖紙盲目建模。設(shè)計方案變更時，二維設(shè)計與三維翻模都只能從頭再來。長此以往，BIM技術(shù)的應(yīng)用便只能停留于形式，設(shè)計人員也無法發(fā)揮其內(nèi)在優(yōu)勢。這容易導(dǎo)致設(shè)計者對BIM嗤之以鼻，將它看成華而不實的“花瓶”，有礙于BIM技術(shù)的推廣應(yīng)用。如果翻模人員對BIM的理解僅僅停留在幾何建模的層面，便無法從模型中提取有價值的信息，也無法實現(xiàn)三維出圖，效率更是無從談起。

推廣正向設(shè)計，可以充分發(fā)揮BIM技術(shù)在設(shè)計階段的優(yōu)勢，推廣正向設(shè)計的關(guān)鍵在于提高三維軟件的可出圖性。出圖問題的有效解決才能使得BIM技術(shù)真正與工程接軌，不再是中看不中用的“花瓶”，工程設(shè)計人員才能真正接納這項技術(shù)。從長遠來看，設(shè)計企業(yè)應(yīng)著力培養(yǎng)一批既懂專業(yè)知識，又精通三維軟件的綜合性人才，結(jié)合項目和企業(yè)實際，形成標準化、規(guī)范化的BIM設(shè)計流程，達到既可計算分析又可出圖計量的目的。提高各個專業(yè)的三維正向設(shè)計水平，積極探索BIM在全生命周期中的應(yīng)用，不僅能讓設(shè)計企業(yè)在投標工作中占得先機，而且還有助于承接BIM咨詢業(yè)務(wù)，為企業(yè)帶來更大的效益與競爭力。