BIM技術在市政路橋隧工程設計階段的應用研究

 

　　關鍵詞市政工程；BIM；三維協同；可視化

 

 

　　隨著經濟的不斷發展，城市的建筑、地鐵、道路橋梁、市政管線等構筑物的體量日益增大。因此，市政路橋隧工程的設計條件與內容也在不斷增加，其設計條件不僅受到城市周邊既有構筑物的影響，而且需要考慮城市對未來道路、地鐵、建筑等的建設需求，同時受河涌阻斷、城市空間有限等自然條件的制約，并要兼顧城市景觀的要求；其設計內容通常包括交通、道路、橋梁、隧道、排水、建筑、景觀綠化、通風、照明等眾多專業[1-3]。面對如此復雜多變的工程約束條件以及多專業的設計，傳統設計手段往往由于其基于二維平面線條表達而難以做到全面兼顧，甚至很難處理異形結構、特殊景觀要求等復雜情況，易出現溝通效率低、設計表達不準確、專業內及專業間錯漏碰缺、校核和更改難、工程量統計工作量龐大且易錯等問題[4-6]。

 

　　針對傳統二維設計的種種痛點，本文以車陂路～新滘東路隧道二期工程為依托，在設計階段引入BIM（建筑信息模型）設計手段，利用信息技術為傳統二維設計賦能，拓展三維可視化設計思路，梳理和總結路橋隧工程項目中BIM技術的應用價值和具體應用的實踐經驗。

 

 

　　車陂路～新滘東路隧道二期工程由科韻路至新港東路，道路等級設計為規劃城市主干路，道路總長2.2km，起到聯系起廣州市海珠區、天河區、番禺區的重要作用。本項目不僅涉及到道路工程、橋梁工程、交通工程、排水工程，還包含隧道、消防給水、管線遷改與管線綜合、電力管溝、照明、通風、景觀綠化等工程內容，涉及專業多且工程體量龐大；同時，工程跨越或下穿既有道路、運營地鐵、市政管線、城市河涌堤岸、國家濕地公園等，且受周邊油站、光纜電纜、商場建筑物等多因素影響，邊界制約條件眾多；此外，工程設計存在較多變寬變高鋼箱梁，構件繁多，精確設計難，施工工藝復雜而施工精度要求高?；谏鲜龉こ糖闆r，本項目采用BIM技術進行三維可視化設計，統籌多專業間的協同設計，驗證并優化傳統二維設計方案。

 

 

 

　　市政路橋項目涉及道路、橋梁、隧道、給排水等多專業的同步設計，專業內及專業間的銜接點、交叉設計點等復雜位置多，且常常涉及到因專業間設計協調、業主意見等導致設計變更。為避免專業協調錯亂、提高設計質量和效率，在項目中采用Bentley公司的ProjectWise設計管理軟件搭建三維設計協同平臺[7]，如圖1。各專業形成的有效設計資料均集中存儲在協同工作云平臺，通過對設計人員的權限管理，實現多專業的高效協同設計。設計人員對各自專業的工作負責，可以實時讀取所需的其他專業設計資料，其對本專業設計資料的修改也會實時同步到協同平臺上，并自動地即時提醒其他設計人員進行更新資料?；诖罱ǖ膮f同平臺，所有項目成員獲取到的工程數據具有統一性、實時性、安全性、高效性的特點。

 

 

 

　　項目設計過程中，伴隨著設計思路創建BIM模型，將設計意圖可視化，便于設計者間以及其他參與方間的有效溝通交流，并使得設計過程處于三維環境中，略去傳統設計中三維、二維間的切換，減輕設計師空間轉換的思維負擔，集中更多精力投入到設計過程中。

 

　　尤其對于復雜構件的設計，BIM可視化設計與應用的重要作用更為凸顯。如本項目中的鋼箱梁橋涉及箱體變寬變高、鋼板變厚、斜交等復雜問題，穿孔、交錯相接的構件多，并存在眾多形體復雜的鋼橫隔，在傳統二維平立剖設計中易出現圖紙與設計意圖不相符、平立剖圖紙結合成體時發生沖突、復雜空間造型難于在二維圖紙表達等問題。而BIM設計的引入，可以更好避免這些沖突問題。如圖2所示，是立交匝道與主線合流處的節段，該節段設計要求匝道與主線平面上相切，匝道橫坡由與主線反向扭轉為同向，在全段均須保持標高接順，傳統的二維設計很難對此扭轉體接順考慮并表達清楚，設計信息往往在圖紙表達中欠缺、錯亂或丟失。因此，運用BIM可視化設計，直接在三維模型中滿足如此復雜的扭轉體接順等所有設計條件，將設計意圖在三維模型中準確地表達，并附帶設計尺寸參數、材料等屬性信息，全面反映和傳遞設計信息，使得參與各方處于一個更加均衡的設計信息掌握度，從而減少設計溝通偏差并有效提高精細化設計水平、提升設計質量。

 

 

 

　　傳統的二維設計圖紙，雖經過設計、校核、審核、審定等多層把關，但由于同一構件需要多視圖多圖紙的表達、不同構件須在不同圖紙中呈現，常存在繪圖有誤、各專業圖紙沖突、設計細節考慮不周等問題。BIM應用的過程，涉及到對工程項目在計算機中的虛擬建造，是一個用數字化手段模擬工程建造的過程，從而可以提前發現如按當前設計圖紙施工建造將遇到的設計問題。如圖3所示，在橋梁支座附近，按二維設計圖紙創建的鋼箱梁橫隔與底板肋板發生沖突。經檢查，是因為底板在支座附近因受力需要而未穿孔、并設置底板加勁肋，其他部位底板則為節省材料而采取中間穿孔、省去底板肋板的設計，支座附近的橫隔設計應區別于其他底板穿孔部位的、額外考慮底板與底板肋板的銜接問題。經反饋設計、復核，此沖突為繪圖有誤所致，且因底板肋板并不與橫隔呈現在同一圖紙而未被發現。由于本項目路橋體量大且鋼箱梁多穿孔、拼接的復雜構件，傳統二維設計不可避免地出現多項問題。通過在項目設計階段中采用BIM進行設計校核，能有效在施工前暴露設計問題，并形成BIM設計校核報告，及時修改并提升設計的精細化程度、提高設計質量。

 

　?。╝）調整前（b）調整后

 

 

 

　　碰撞檢測是目前BIM應用中最為成熟、使用最為廣泛的應用之一。如圖4，通過BIM三維設計發現，黃埔涌橋橋臺擋塊與橋梁上部結構發生了碰撞。二者的沖突問題由于蓋梁和上部結構存在橫坡、縱坡，且箱梁分左右兩幅、腹板傾斜、橋臺與橋梁中心線斜交，很難在二維設計CAD圖紙中被發現。在本項目中，通過碰撞檢測發現了4處隱藏在二維平面圖紙中的擋塊與梁體碰撞問題。此外，諸如雨水、污水、電力管溝等錯綜復雜的管線設計，人為的理解和計算容易出現錯誤，設計人員間的交流常存在偏差，二維圖紙難以反映構件在空間的復雜性、更加難以從中驗證空間是否重疊，平立剖等不同圖紙表達間互相矛盾，都常常導致傳統二維設計的碰撞沖突問題。而本項目設計中通過采用BIM技術將隱藏于二維設計中的沖突問題暴露，設計人員能夠快速檢測出三維模型中的碰撞點，將碰撞的位置、對象以及更改建議等信息匯總成碰撞檢查與校審報告，及時修改和優化設計，提高設計質量和效率，避免了施工時遇到沖突導致返工和工期延長的問題。

 

 

 

　　由于地理空間規劃受限，市政路橋隧工程中，橋梁、隧道常常出現上跨、下穿既有橋隧和河流等工況，常導致復雜的多路橋隧交叉點，甚至涉及到與凈距要求嚴格的既有或規劃地鐵線路的空間交匯，使得設計必須滿足凈高、凈距要求?；诙S設計圖紙的傳統平縱橫設計，難以直觀地反映空間位置關系，往往不能全面、有效地分析出復雜空間交匯時的凈高凈距。而基于BIM技術，可以依托BIM虛擬建造得到的項目三維模型，有效、精確地開展凈空分析。如圖5，依據規范及業主對凈空的要求，確定各路段道路建筑限界，如掉頭匝道限界取3.5m，圖中立交段限界取4.5m，將道路建筑限界在道路路面上按實際尺寸實體化建模，以此實體化的建筑限界與橋梁進行沖突檢測，從而對設計凈空要求完成全方位地檢查驗證，對不滿足凈空要求的構件可以快速精準定位并標記，整理形成凈空分析報告，進而優化設計成果，防止因凈空富余量過大而導致工程浪費，也避免出現凈空不足的困境。

 

 

 

　　本項目中存在大量鋼箱梁橋梁，鋼箱梁用鋼量大，而近年鋼材等材料價格持續上揚且波動大，使得業主極其關注項目的工程量，尤其鋼材用量。但本項目中變高變寬的連續鋼箱梁占大部分，同時又存在多個復雜的交叉口銜接段，采用傳統的Excel表格統計其工程量是繁瑣、復雜而費時的，且容易出現人為的統計錯誤[8]。所以本項目采用BIM技術進行工程量統計與校核，即采用傳統的Excel表格統計方法與BIM工程量統計方法兩種手段并舉，二者得到的結果互為對比、相互校核，確保工程量統計的準確。通過二者對比，發現多處傳統工程量統計結果的問題。例如，橋臺的傳統方法統計量與BIM工程統計量相差50.43%，通過核對傳統方法中的橋臺統計量計算式發現，工程量表橋臺統計數量存在錯誤，僅統計了雙橋臺中的單個橋臺且未計算橋臺擋塊的量；C50、C40混凝土算量分別相差20.28%、39.90%，經復查是因為傳統工程量計算時，誤將小箱梁橋面調平層混凝土歸為C50，實際設計的橋面調平層材料為C40。通過復核、更正，二者各項工程量均相符。如表1所示是本項目中鋼箱梁主要鋼材Q370qC的工程量校核表，兩種方法計算值相差最大百分比僅1.28%。兩種方法的應用，保證了工程量統計的可靠性，為工程的成本控制與結算提供了數據支撐。同時通過對比發現，BIM工程量統計有效減少統計工作的復雜性，避免人為統計的漏算錯算問題，并且設計更改時可以隨BIM模型修改而同步更新統計量，因此更加高效、準確。

 

　表1 鋼箱梁Q370qC鋼材BIM工程量校核
 

 

 

 

　　通過在車陂路～新滘東路隧道二期工程設計階段中應用BIM技術，針對性地解決工程設計中的復雜問題，優化傳統二維設計工作成果，提升了項目設計的質量與效率，為BIM技術在項目全生命周期的拓展應用積累實踐經驗與數據基礎，對市政路橋隧項目BIM技術的應用研究具有實際參考價值。

 

　　同時需要注意到的是，目前BIM軟件功能均很難滿足復雜的路橋隧項目的正向設計需求，尤其是二維出圖功能仍然不足，而當下唯一具有法律效應的設計交付成果便是二維設計藍圖。因此，BIM技術更為可觀的巨大價值有待通過不斷地人力投入和技術研發，在未來數字化的工程設計中更耀眼地綻放。

 

　　參考文獻

 

　　[1]劉智敏,王英,孫靜,賈英杰,高日.BIM技術在橋梁工程設計階段的應用研究[J].北京交通大學學報,2015,39(06):80-84.

 

　　[2]張斌.基于Bentley市政快速路BIM正向設計應用研究[D].青島理工大學,2018.

 

　　[3]何則干，黃福杰，張為民.BIM技術在大型立交工程的應用研究[J].公路，2019，（2）：174-179.

 

　　[4]周游,陳建豐,范宇豐,夏詩畫.BIM技術在市政立交設計階段的應用研究[J].重慶交通大學學報(自然科學版),2019,38(07):60-65.

 

　　[5]張呂偉，蔣立儉.中國市政設計行業BIM指南[M].北京：中國建筑工業出版社，2017.

 

　　[6]黃福杰,何則干,張為民,劉珊珊.BIM技術在沉管隧道工程設計中的應用研究[J].現代隧道技術,2020,57(03):43-48.

 

　　[7]王達.BIM技術在橋梁全生命周期中的應用研究[D].吉林大學,2018.

 

　　[8]劉均利,張聰,薛飛宇,劉亢,歐陽平.BIM技術在重慶曾家巖嘉陵江大橋設計中的應用[J].世界橋梁,2020,48(02):71-76.