侯世杰

中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司 湖北武漢 430000

隨著BIM 技術(shù)的不斷發(fā)展，其在我國各個(gè)行業(yè)都得到廣泛應(yīng)用，尤其是在給排水工程、道路工程、建筑工程等領(lǐng)域中，占據(jù)著極為重要的地位。

1 BIM 技術(shù)概念及特點(diǎn)

為BIM 技術(shù)即建筑信息模型，該技術(shù)將建筑模型的材料特性和空間特性進(jìn)行了整合，基于可視化技術(shù)和仿真模擬技術(shù)，可以幫助相關(guān)人員測算建筑信息。該技術(shù)可以利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)建3D 模型，以模擬實(shí)際的建筑工程情況。在市政道路給排水設(shè)計(jì)中應(yīng)用BIM 技術(shù)，可以幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)、可視化設(shè)計(jì)、管線設(shè)計(jì)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)等，有利于提高市政工程的設(shè)計(jì)質(zhì)量，進(jìn)而為建筑施工質(zhì)量和施工效率的提高奠定基礎(chǔ)[1]。

1.1 可視化

（1）設(shè)計(jì)可視化：BIM 技術(shù)包含多種可視化顯示模式，如真實(shí)渲染、帶框著色、隱藏線等模式。此外其也擁有漫游功能，通過照相機(jī)模式，構(gòu)建工程圖像和動(dòng)畫等，以向客戶直觀的展示3D 模型。

（2）施工可視化：一方面其可以構(gòu)建施工模型，實(shí)現(xiàn)施工操作的可視化；另一方面，可以將施工中復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行全方位立體化顯示，如給排水管道、交通道路等。

1.2 一體化

一體化是指該技術(shù)可以貫穿到整個(gè)施工階段。在設(shè)計(jì)階段，該技術(shù)可以將電氣設(shè)計(jì)、給排水設(shè)計(jì)、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等整合到同一個(gè)建筑模型中，進(jìn)而將各種設(shè)計(jì)中存在的沖突點(diǎn)以形象、直觀的方式顯示出來；在施工階段，該技術(shù)可以同步建筑工程施工進(jìn)度、施工成本、施工質(zhì)量等信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)施工階段的可視化管理；在運(yùn)營階段，該技術(shù)可以直觀地顯示建筑管理水平和收益成本，進(jìn)而為開發(fā)商和業(yè)主提供參考[2]。

1.3 參數(shù)化

在設(shè)計(jì)階段，只需要改變BIM 模型的各項(xiàng)參數(shù)值即可構(gòu)建新的參數(shù)模型。BIM 技術(shù)參數(shù)化主要分為修改引擎和圖元。其中修改引擎是指用戶可以隨時(shí)對建筑文檔和設(shè)計(jì)進(jìn)行改動(dòng)；圖元是指利用BIM 技術(shù)將建筑構(gòu)件以圖元的形式進(jìn)行展示，并且這些圖元都是參數(shù)構(gòu)件，其保存了實(shí)際構(gòu)件具有的所有信息。

1.4 仿真性

（1）性能仿真：性能仿真功能是基于建筑設(shè)計(jì)過程中設(shè)計(jì)師構(gòu)建的建筑構(gòu)件屬性信息、材料性能信息、幾何信息等，可以將BIM 模型相關(guān)參數(shù)導(dǎo)入分析軟件中，進(jìn)而獲取分析結(jié)果，如設(shè)備分析、能耗分析、綠色分析和光照分析等。

（2）施工仿真：對施工方案進(jìn)行模擬、優(yōu)化等；自動(dòng)計(jì)算建筑實(shí)際工程量；直觀反映建筑工程工藝沖突、工程干擾因素等問題。

（3）進(jìn)度模擬：將施工計(jì)劃與BIM 技術(shù)進(jìn)行鏈接，將時(shí)間信息、空間信息等整合到3D 模型中，以精確、直觀地反映建筑工程進(jìn)度。

2 BIM 技術(shù)在市政道路給排水工程中的應(yīng)用價(jià)值

2.1 提高數(shù)據(jù)處理能力

給排水工程作為市政建筑的基礎(chǔ)工程，其設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于道路與給排水系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)，如水泵機(jī)房、排水管道和市政管網(wǎng)等。與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)相比，BIM 技術(shù)能夠更直觀地反應(yīng)給排水管網(wǎng)、水泵機(jī)房等設(shè)計(jì)與現(xiàn)狀管線及設(shè)施之間的關(guān)系，進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高設(shè)計(jì)合理性。由于給排水管理設(shè)計(jì)存在一定復(fù)雜性，如果設(shè)計(jì)不合理會(huì)導(dǎo)致道路給排水效果下降，交通道路出現(xiàn)大量積水等情況。而BIM 技術(shù)具有的可視化和參數(shù)化特點(diǎn)，可以彌補(bǔ)在該方面的設(shè)計(jì)問題[3]。此外，BIM 技術(shù)具有的數(shù)據(jù)分析和模型構(gòu)建能力，能夠簡化復(fù)雜的道路給排水設(shè)計(jì)，進(jìn)而提高市政工程質(zhì)量和效率。

2.2 提高道路給排水設(shè)計(jì)能力

BIM 技術(shù)具有的可視化功能和仿真功能，可以強(qiáng)化設(shè)計(jì)人員與設(shè)計(jì)軟件的互動(dòng)性，提高與工程實(shí)際情況的結(jié)合度，同時(shí)在設(shè)計(jì)過程中為設(shè)計(jì)人員提供更多輔助功能。例如，通過將施工構(gòu)件轉(zhuǎn)化為圖元，以直觀的施工模型展示設(shè)計(jì)存在的沖突點(diǎn)和問題，幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行合理規(guī)劃，進(jìn)而提高設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)能力。此外，BIM 技術(shù)具有的參數(shù)化功能，可以使設(shè)計(jì)人員及時(shí)對施工模型進(jìn)行優(yōu)化和完善，以保證市政工程的有序開展。

2.3 協(xié)調(diào)各部門工作

在給排水及道路設(shè)計(jì)過程中，通常會(huì)涉及多個(gè)部門的工作，因此需要各部門之間緊密的配合。但是由于建設(shè)施工存在空間和時(shí)間的限制，導(dǎo)致各部門之間無法進(jìn)行及時(shí)的交流溝通。這種情況不僅嚴(yán)重影響了工程設(shè)計(jì)質(zhì)量，而且也會(huì)影響建筑工程的施工進(jìn)度。而BIM 技術(shù)則能夠彌補(bǔ)該問題，其具有的參數(shù)化、信息完備性等優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)施工信息的實(shí)時(shí)共享，以幫助各部門及時(shí)獲取和整合施工信息，并形成詳細(xì)的施工報(bào)告，使各部門和施工人員及時(shí)明確自身的任務(wù)和職責(zé)[4]。此外，各部門也可以憑借施工報(bào)告合理調(diào)配施工人員和安排任務(wù)，強(qiáng)化施工現(xiàn)場管理，促進(jìn)施工效率和質(zhì)量的提升。

2.4 提高施工效率

BIM 技術(shù)具有的數(shù)據(jù)分析和處理功能，可以為市政道路設(shè)計(jì)和給排水設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)參考。設(shè)計(jì)人員可以將施工數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，利用BIM 數(shù)據(jù)處理軟件分析施工數(shù)據(jù)，同時(shí)構(gòu)建直觀的圖案和模型，從而極大地節(jié)省設(shè)計(jì)人員現(xiàn)場勘察的時(shí)間，提高給排水設(shè)計(jì)和施工效率。此外，在多種因素的影響下，施工方案和設(shè)計(jì)方案往往需要進(jìn)行修改和優(yōu)化。針對這種情況，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)往往需要在施工現(xiàn)場進(jìn)行反復(fù)的勘察，以制定可行的設(shè)計(jì)和施工方案。但該方法會(huì)影響施工工作的有序開展，同時(shí)也會(huì)造成一定經(jīng)濟(jì)損失。而BIM 技術(shù)具有修改施工參數(shù)的功能，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)實(shí)際施工現(xiàn)場情況對施工方案進(jìn)行修改，并且快速形成具有指導(dǎo)意義的施工方案和設(shè)計(jì)方案[5]。此外，BIM 技術(shù)擁有的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)也能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)人員提供參考，通過構(gòu)建模擬演練方案驗(yàn)證施工技術(shù)的可行性，進(jìn)而形成一份完善的施工方案。

3 BIM 技術(shù)在市政道路給排水設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.1 工程概況

某城市道路走向?yàn)樽詵|向西，道路周邊為農(nóng)田及未開發(fā)地段，計(jì)劃在其周邊建筑住宅小區(qū)和綠地。該道路設(shè)計(jì)工程全長為892m，設(shè)計(jì)長度為862m，紅線寬度為25m，設(shè)有人行橫道，寬度為3m，該路段為城市次干道。該道路施工場地地形平坦，地貌單位為Ⅰ級(jí)階地。該道路設(shè)計(jì)部分包括K0+000～K0+354.22 路段施工。

3.2 道路模型建立

3.2.1 模型構(gòu)建

道路模型構(gòu)建主要基于BIM Open Roads 模擬軟件，將實(shí)際道路設(shè)計(jì)參數(shù)導(dǎo)入到該軟件中，生成空間三維模型。

3.2.2 創(chuàng)建線路模型

平面設(shè)計(jì)方法主要采用導(dǎo)線法和曲線法，同時(shí)參考一般市政道路設(shè)計(jì)方案，構(gòu)建道路平面模型，并進(jìn)一步完善道路縱斷面設(shè)計(jì)。首先，根據(jù)創(chuàng)建的道路模型和平面模型，在模型中提取出中心線、自由標(biāo)高等信息。其次，基于這些信息對道路豎曲線要素和橫縱斷面坡度等進(jìn)行設(shè)計(jì)。對于橫斷面的設(shè)計(jì)需要根據(jù)施工要求，設(shè)置路塹橫斷面和標(biāo)準(zhǔn)路基等參數(shù)[6]。最后，結(jié)合線路空間位置和三維地形等數(shù)據(jù)形成橫斷面模型。在橫斷面設(shè)計(jì)過程中需要注意的是，設(shè)計(jì)人員需要將路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)整合到該設(shè)計(jì)中，以保證橫斷面設(shè)計(jì)的完整性和準(zhǔn)確性。表1 所示為傳統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)和BIM 技術(shù)優(yōu)點(diǎn)比較。圖1 為道路橫斷面設(shè)計(jì)。

表1 傳統(tǒng)工藝與BIM 技術(shù)比較

圖1 道路橫斷面結(jié)構(gòu)

3.2.3 交道設(shè)計(jì)

該道路設(shè)計(jì)工程包含既有線路的交接設(shè)計(jì)部分，因此涉及BIM 技術(shù)交道設(shè)計(jì)。在交道設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員只需要在BIM 軟件中輸入道路的橫縱面信息、車速信息和位置信息等，即可自動(dòng)計(jì)算出合理的道路過彎半徑，同時(shí)根據(jù)道路周邊的環(huán)境情況增設(shè)過街島和渠化島。

3.2.4 立交設(shè)計(jì)

首先需要明確道路立交位置，即確定道路平面、橫截面、縱截面參數(shù)，同時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合道路設(shè)計(jì)方案，以保證道路縱斷面設(shè)計(jì)的合理性。在立交設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員需要注意的是控制道路交匯橫縱斷面坡度和標(biāo)高是否與設(shè)計(jì)情況一致，避免出現(xiàn)坡度變化較大或懸空的情況。道路立交入口設(shè)計(jì)需要根據(jù)道路立交設(shè)計(jì)規(guī)范、道路等級(jí)、入口坡度、行車速度等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)，道路分合流位置和半徑等，以及車寬度段等也需要結(jié)合道路設(shè)計(jì)進(jìn)行合理調(diào)整。

3.3 創(chuàng)建排水系統(tǒng)模型

道路給排水設(shè)計(jì)主要包括檢查井和污水管道設(shè)計(jì)等。

3.3.1 平面設(shè)計(jì)

參考市政單位污水處理方案和規(guī)劃等，結(jié)合道路設(shè)計(jì)高程、橫縱斷面設(shè)計(jì)等信息，合理規(guī)劃給排水管理設(shè)計(jì)方案。需要注意的是，設(shè)計(jì)人員需要結(jié)合工程施工周期、施工成本等，對給排水管道材料、尺寸、位置等對給排水設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，保證道路給排水管道能夠與現(xiàn)有的檢查井進(jìn)行連接。

3.3.2 縱斷面設(shè)計(jì)

縱斷面設(shè)計(jì)主要包括以下流程：管道坡度設(shè)置→管道標(biāo)高設(shè)置→連接管道設(shè)置→管道交互設(shè)置。在縱斷面設(shè)計(jì)完成后，還需要利用BIM 軟件對給排水系統(tǒng)進(jìn)行碰撞檢驗(yàn)，避免出現(xiàn)給排水管道碰撞的情況，保證給排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理性。

3.4 創(chuàng)建橋梁模型

3.4.1 立交、高架橋梁設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)方案與道路給排水設(shè)計(jì)相同，均需要基于道路空間設(shè)計(jì)和縱橫面設(shè)計(jì)創(chuàng)建設(shè)計(jì)模型。首先，設(shè)計(jì)人員需要明確橋梁、橋臺(tái)、橋墩設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，基于橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)橋梁建設(shè)規(guī)模。橋梁結(jié)構(gòu)確定主要包括以下步驟：防護(hù)欄設(shè)計(jì)→橋主梁形式設(shè)計(jì)→橋面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)→橋墩規(guī)格設(shè)計(jì)。根據(jù)以上設(shè)計(jì)流程，即可明確橋梁的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)規(guī)模。設(shè)計(jì)人員在掌握橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，還需要對橋梁設(shè)計(jì)部分進(jìn)行定義，包括橋梁分幅、橋梁起訖、起訖樁號(hào)、橋梁高度和橋梁跨度等定義。

3.4.2 天橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

天橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與橋梁設(shè)計(jì)類似，都分為上部設(shè)計(jì)和下部設(shè)計(jì)。首先，設(shè)計(jì)人員需要對天橋的中軸線進(jìn)行定義；其次，控制天橋橋梁和橋面尺寸，確定天橋的限界和限制高度，然后對天橋幾何參數(shù)和空間位置進(jìn)行定義，設(shè)計(jì)天橋階梯坡度等；最后，設(shè)計(jì)天橋裝飾物。

3.4.3 模型渲染

基于上述所有設(shè)計(jì)信息，利用BIM 軟件，將輸入導(dǎo)入到其中，利用軟件渲染功能調(diào)整模型環(huán)境、位置、畫質(zhì)、場景等，渲染效果圖如圖2 所示。

圖2 渲染效果圖

4 結(jié)論

綜上所述，市政給排水及道路設(shè)計(jì)在現(xiàn)代化城市建設(shè)中極為重要，其不僅影響著城市交通穩(wěn)定性，而且決定著城市發(fā)展的速度。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)相比，BIM 技術(shù)具有可視化、參數(shù)化、一體化、仿真性等特點(diǎn)，可以以主觀、形象的方式將設(shè)計(jì)方案展示出來，改變傳統(tǒng)復(fù)雜、繁瑣的平面化工程設(shè)計(jì)模式。同時(shí)，BIM 技術(shù)也有利于促進(jìn)設(shè)計(jì)質(zhì)量和速度的提高，保證設(shè)計(jì)方案的合理化。因此，BIM 技術(shù)在市政給排水及道路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。