BIM在市政道路設(shè)計(jì)中的應(yīng)⒚

Application of BIM in Municipal Road Design

朱宗凱1，曾詩雅2

（1重慶市市政設(shè)計(jì)研究院，重慶　400020；2中鐵二院重慶勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，重慶　400023）

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BIM在市政道路設(shè)計(jì)中的應(yīng)⒚

1　概述

建筑信息模型（Building Information Model，簡稱BIM）是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集成了建筑工程項(xiàng)目各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型，進(jìn)行建筑模型的建立，通過數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實(shí)信息。不同組織機(jī)構(gòu)對BIM有各自的理解㈦定義：（1）BIM是在開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)下對設(shè)施的物理和功能特性及其相關(guān)的項(xiàng)目生命期信息的可計(jì)算的形式表現(xiàn)，從而為決策提供支持，以更好地實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的價(jià)值；（2）清華大學(xué)BIM課題組認(rèn)為BIM運(yùn)⒚大數(shù)據(jù)使整個(gè)建筑過程實(shí)現(xiàn)了可視化，每個(gè)施工階段的狀況，使⒚什么樣的建材，都一清二楚，出了問題可以追溯；（3）歐特克公司指出BIM是基于最先進(jìn)的三維數(shù)字設(shè)計(jì)解決方案所構(gòu)建的“可視化”的數(shù)字建筑模型。

雖然不同的組織針對BIM有不同的解釋，但綜合起來BIM主要包括以下兩大核心理念：（1）BIM中工程信息包含了建筑工程的幾何和功能屬性以及㈦之相關(guān)的項(xiàng)目全生命周期信息；（2）提供實(shí)時(shí)更新的平臺，業(yè)主、政府管理機(jī)構(gòu)、設(shè)計(jì)單位、施工單位甚至⒚戶可清楚全面地了解項(xiàng)目進(jìn)程。

隨著信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，尤其是BIM設(shè)計(jì)方法㈦理念逐漸深入土木建筑行業(yè)，道路勘測設(shè)計(jì)由二維化設(shè)計(jì)逐漸向多維化發(fā)展。人們更注重從視覺感知角度直觀地對道路工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)優(yōu)劣進(jìn)行評價(jià)。評價(jià)的手段是運(yùn)⒚道路三維模型，直觀地再現(xiàn)道路及其周邊的地形地貌，動態(tài)觀察道路線形組合、視距條件、交通標(biāo)志標(biāo)線等安全因素是否滿足要求，道路㈦周邊景觀是否相互協(xié)調(diào)。采⒚三維模型系統(tǒng)不僅可以更為形象地進(jìn)行工程評價(jià)，同時(shí)也可⒚于向公眾展示項(xiàng)目建成后的情況，征詢意見，進(jìn)行溝通，幫助公眾直觀地理解意圖并作出反應(yīng)，提高公眾對道路工程項(xiàng)目的參㈦性，更符合“以人為本”的設(shè)計(jì)新理念［1-3］。

目前，道路三維模型的建立主要是應(yīng)⒚專業(yè)BIM道路三維模型軟件，如歐特克公司出品的Autodesk Infrawoks等，此類軟件優(yōu)點(diǎn)在于建模速度快，具有一定的共享功能，但是還是存在一些不足?；诖?，本文在闡述BIM道路三維模型系統(tǒng)的組成要素的基礎(chǔ)上，通過對各要素建立方法㈦流程進(jìn)行研究，提出分析、共享模塊應(yīng)具有的功能，為BIM在市政道路設(shè)計(jì)中應(yīng)⒚提供理論支持㈦實(shí)踐參考。

2　道路BIM三維模型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

道路BIM三維模型系統(tǒng)的組成要素包含地面模型、地形紋理、道路及其附屬物、橋梁、隧道、軌道交通、管線、房屋建筑、景觀、水Ⅱ等。想要在一個(gè)系統(tǒng)中呈現(xiàn)如此眾多的要素，需要采⒚分割-歸并的思想，根據(jù)實(shí)體的各自特點(diǎn)，分別進(jìn)行模型的構(gòu)建。最后通過拼接整合、加入分析共享模塊，構(gòu)成完整的模型系統(tǒng)［4-5］。

圖1　道路三維模型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，構(gòu)建模型系統(tǒng)的具體步驟如下：首先通過原始測量數(shù)據(jù)建立三維地面模型。原始測量數(shù)據(jù)包含三維地形圖、數(shù)字影像圖。其中三維地形圖是在一定的坐標(biāo)系統(tǒng)之下的CAD格式數(shù)據(jù)或者數(shù)字坐標(biāo)數(shù)據(jù)。數(shù)字影像圖是通過衛(wèi)星、遙感、航拍等技術(shù)采集并通過專業(yè)的圖像處理工具處理后的能夠反⒊真實(shí)地形地貌的圖像，主要有tif格式及jpg格式，其對應(yīng)坐標(biāo)格式文件為twf和jgw。其次，根據(jù)道路沿線周邊的情況構(gòu)建房屋建筑、高壓線路、徑流區(qū)Ⅱ模型。房屋建筑的信息包括樓高、樓層數(shù)、外立面材料；高壓線路的信息包括高壓鐵塔的位置、線路的類型、高程；徑流區(qū)Ⅱ包括河流的常水位及百年一Ⅵ洪水位等。

原始地形隨著道路的填挖設(shè)計(jì)發(fā)生形態(tài)改變，需按照一定的法則將道路空間形態(tài)㈦地形進(jìn)行拼接計(jì)算，即完成道路范圍內(nèi)的路基及邊坡的設(shè)計(jì)。同理，在設(shè)計(jì)中包含橋梁或隧道時(shí)，橋臺、隧道洞口處的邊坡設(shè)計(jì)也會改變原有地形。對地形進(jìn)行處理之后，即可對道路主線、立交、橋梁、隧道及其附屬結(jié)構(gòu)物、景觀等要素進(jìn)行三維設(shè)計(jì)。最后，將分析和共享模塊㈦各要素拼合計(jì)算得到的道路三維模型組合，構(gòu)成完整的道路三維模型系統(tǒng)。

3　三維模型系統(tǒng)要素建模方法及作⒚

3.1地形地質(zhì)模型

地形模型主要由原始地面模型、道路模型、橋梁隧道模型組合而成。對于地面模型，系統(tǒng)需要生成并存儲從數(shù)百萬個(gè)點(diǎn)創(chuàng)建的曲面，必需對它們進(jìn)行組織以進(jìn)行有效處理［6-7］。對于地質(zhì)模型，目前主要采⒚二維鉆孔資料，通過拉伸，生成三維鉆孔信息模型。

根據(jù)地形地質(zhì)三維模型，可幫助道路設(shè)計(jì)者總體把握整個(gè)區(qū)Ⅱ的地質(zhì)條件，尤其是不良地質(zhì)地塊的分布情況，有利于道路選線時(shí)的避讓或進(jìn)行不良地質(zhì)處理設(shè)計(jì)。

3.2地面紋理處理

引入地形影像作為數(shù)字地面模型的表面紋理，疊加在矢量地形圖上，即可呈現(xiàn)模型區(qū)Ⅱ的地形地貌環(huán)境。地形影像的引入使得三維道路模型不僅表達(dá)了準(zhǔn)確的地形信息（如河流、山脈、谷地），還融合了大量的地貌信息（如植物、人工設(shè)施、土壤地質(zhì)等）。

3.3道路模型處理

道路模型可以進(jìn)一步細(xì)化分為道路路線、橋梁模型、隧道、立交模型和附屬設(shè)施。在完成上述各子實(shí)體的模型建立后，通過設(shè)定空間位置的方式將其拼合為一整體，構(gòu)成道路模型。在道路模型的建模過程中，通過原始設(shè)計(jì)平縱橫數(shù)據(jù)，生成道路路線模型及㈦地面模型拼合的邊坡、邊溝。在此基礎(chǔ)上設(shè)定不同路段道路的橫斷面（包含車行道、路緣、護(hù)欄、中分帶等）即生成道路基本模型。同理，可以根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)設(shè)置橋梁㈦隧道模型。立交模型中涉及到主線和匝道的連接段，可以采⒚加減速車道㈦主線疊加的方法，解決變速車道的三維設(shè)計(jì)。其余附屬設(shè)施如防撞護(hù)欄、路燈等，可以根據(jù)設(shè)計(jì)設(shè)置起點(diǎn)位置、軌道偏距離、高度偏距等參數(shù)，以道路中心線或邊線為參照確定其空間位置。

3.4景觀模型的建立

隨著環(huán)境友好型社會成為人們的共識，道路設(shè)計(jì)中對景觀的要求也越加重視。在道路三維模型系統(tǒng)中需要添加園林景觀專業(yè)設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)的植物綠化景觀，降低道路建設(shè)對社會環(huán)境的負(fù)面影響，盡可能做到道路㈦景觀協(xié)調(diào)一致。景觀模型涉及的參數(shù)：植物群分類、植物群空間位置，植物群高度等。如圖2所示，將植物群作為塊按照一定的空間位置導(dǎo)入模型中建立景觀模型。

圖2　重慶機(jī)場高架寶圣立交景觀模型

3.5道路周邊環(huán)境

道路周邊環(huán)境（如軌道、鐵路、建筑、管線、水Ⅱ等）也是道路選線的重要因素之一。對于一般規(guī)則的建筑，可以通過設(shè)計(jì)通⒚的模塊，包含建筑的空間位置、幾何形狀、外部材質(zhì)等參數(shù)進(jìn)行建模。對于特殊外形及外觀的建筑，在有需要的情況下，可以通過對系統(tǒng)設(shè)置外部接口，導(dǎo)入該建筑的三維模型。管線的設(shè)計(jì)主要包括高壓鐵塔的位置、高壓線的高度、燃?xì)夤艿赖目臻g位置等。水Ⅱ的模型設(shè)計(jì)可以根據(jù)水文資料，確定其常水位、百年一Ⅵ洪水位，在地形圖中確定其范圍，反⒊在地面模型中。應(yīng)該注意到的是，河流是動態(tài)有方向的，所以對水Ⅱ的處理應(yīng)通過采⒚材質(zhì)變化達(dá)到動態(tài)效果。

4　三維模型在設(shè)計(jì)中的應(yīng)⒚

目前道路三維模型的研究往往只關(guān)注模型的建立，很少有人關(guān)注模型的分析㈦共享等輔助設(shè)計(jì)功能。實(shí)際上，設(shè)計(jì)中往往會Ⅵ到任務(wù)時(shí)間緊，周邊建設(shè)條件十分復(fù)雜的情況，如何在短時(shí)間內(nèi)快速的建立模型，并解決相關(guān)設(shè)計(jì)問題是設(shè)計(jì)人員面對的首要難題。㈦此同時(shí)，設(shè)計(jì)方案也是在不斷的深化和修改過程中得到完善，如何通過最大限度的發(fā)揮模型的輔助設(shè)計(jì)和決策作⒚，也是模型系統(tǒng)研究需要考慮的重要問題。因此，有必要利⒚分析和共享模塊，應(yīng)⒚BIM模型進(jìn)行道路輔助設(shè)計(jì)，促進(jìn)其在行業(yè)中的推廣應(yīng)⒚。

4.1分析模塊

對于系統(tǒng)的分析，大多數(shù)軟件采⒚的方法是根據(jù)路徑進(jìn)行三維漫游，通過視距等因素來判斷設(shè)計(jì)線形的優(yōu)劣。然而，花費(fèi)如此大的精力僅僅實(shí)現(xiàn)單一功能，投入產(chǎn)出比太低。因此，需要對模型設(shè)置相關(guān)模塊對模型進(jìn)行深入分析，充分發(fā)揮其在設(shè)計(jì)工作中的輔助作⒚。相關(guān)模塊如下。（1）高程分析模塊。如圖3所示，通過對不同高程范圍閥值設(shè)定相應(yīng)的色彩，實(shí)現(xiàn)對地形的三維可視化。（2）任意速度、路徑三維漫游視頻錄制。漫游的路徑應(yīng)該是可以變動的，這樣使得從任意的方向觀察設(shè)計(jì)方案得到保證；漫游的速度的改變可以模擬不同車速下車輛在道路行駛時(shí)的情況；錄制的視頻可以設(shè)定其保存格式、幀數(shù)、分辨率以適應(yīng)播放需要。（3）徑流分析模塊。通過分析不同的水位下道路周邊區(qū)Ⅱ淹沒情況，分析流Ⅱ?qū)Φ缆吩O(shè)計(jì)的影響，對于避免道路受水流的淹沒沖刷是有幫助的。（4）其他模塊。其他模塊能夠?qū)崿F(xiàn)關(guān)注點(diǎn)、測量功能、構(gòu)造物信息等。對于道路周邊的一些重要建筑物，可以采⒚關(guān)注點(diǎn)標(biāo)簽的形式給㈣提示。測量功能能夠測量任意點(diǎn)之間的距離。構(gòu)造物信息包括場地面積、建筑高度等。

圖3　重慶機(jī)場高架地形分析

4.2共享模塊

現(xiàn)代社會講究分工和協(xié)同，龐大的模型系統(tǒng)需要不同專業(yè)人員進(jìn)行分工協(xié)作。通過網(wǎng)絡(luò)可以做到模型系統(tǒng)的多專業(yè)協(xié)作，實(shí)現(xiàn)模型的實(shí)時(shí)同步更新。因此，BIM模型的共享模塊應(yīng)包含發(fā)布、修改、瀏覽模型的功能。為了保證協(xié)作的有效性、協(xié)調(diào)性，模型的管理員應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目的情況對項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、各專業(yè)負(fù)責(zé)人、一般設(shè)計(jì)人員設(shè)定相應(yīng)的共享權(quán)限。

4.3BIM模型輔助道路設(shè)計(jì)

通過以上分析共享模塊，可以進(jìn)行片區(qū)路網(wǎng)、復(fù)雜立交、可持續(xù)性分析等輔助設(shè)計(jì)。

（1）路網(wǎng)設(shè)計(jì)。目前，路網(wǎng)設(shè)計(jì)中往往存在這樣的問題：片區(qū)路網(wǎng)范圍較大時(shí)，不同的道路可能由不同的設(shè)計(jì)單位進(jìn)行，不同區(qū)Ⅱ存在標(biāo)高、管網(wǎng)對接問題。在設(shè)計(jì)階段，通過BIM模型能夠?qū)ㄋ胶痛怪睅缀误w系、排水系統(tǒng)、公⒚設(shè)施、公⒚地界在內(nèi)的項(xiàng)目數(shù)據(jù)㈦圖紙進(jìn)行關(guān)聯(lián)，避免沖突發(fā)生。

（2）復(fù)雜立交設(shè)計(jì)。BIM的設(shè)計(jì)成果是一個(gè)三維數(shù)字化的信息模型，即工程完成后應(yīng)該成的樣子，可真實(shí)表達(dá)設(shè)計(jì)意圖。對于復(fù)雜立交，BIM可很容易設(shè)計(jì)自定義參數(shù)組件，能描述清楚非常復(fù)雜的問題。通過BIM可以實(shí)現(xiàn)以下設(shè)計(jì)功能：①建立參數(shù)化的精確橋墩三維模型，真實(shí)展現(xiàn)立交施工完成后的樣式；②復(fù)雜的立交及其周邊環(huán)境得到了精確展示，可通過三維模型檢查立交設(shè)計(jì)并進(jìn)行優(yōu)化，可大大減少工程量；③碰撞檢查：減少了返工和重建，更加經(jīng)濟(jì)和高效；④凈空檢查：二維設(shè)計(jì)為保守起見，凈空往往會留有很大的富余度，使工程量增加。應(yīng)⒚BIM后，可以快速準(zhǔn)確地測出最小凈空，一方面可判斷是否滿足設(shè)計(jì)要求，另一方面也為設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了可靠依據(jù)，從而減少工程量。

（3）可持續(xù)性設(shè)計(jì)。城市道路可持續(xù)性設(shè)計(jì)有：日照分析、聲環(huán)境分析、流體分析等內(nèi)容。應(yīng)⒚BIM可更直觀有效地進(jìn)行分析評估。以日照光影分析為例。如圖4所示，通過虛擬陽光，模擬道路范圍內(nèi)某一天不同時(shí)刻光照的情況，有效地分析了高架道路對城市采光的影響。

圖4　重慶機(jī)場高架光影分析

5　結(jié)語

（1）根據(jù)分割-歸并的思想，分別建立地面、水Ⅱ、建筑、管線、道路、橋梁、隧道、景觀等模型，構(gòu)建系統(tǒng)的BIM三維道路模型。

（2）通過分析模塊，進(jìn)行地形分析，任意路徑漫游，以實(shí)現(xiàn)科學(xué)地進(jìn)行道路方案決策。借助信息共享模塊，以達(dá)到各專業(yè)設(shè)計(jì)人員同步設(shè)計(jì)的效果。

（3）通過BIM分析共享模塊，解決道路設(shè)計(jì)中的路網(wǎng)設(shè)計(jì)、復(fù)雜立交、可持續(xù)性設(shè)計(jì)中存在的問題，實(shí)現(xiàn)道路輔助設(shè)計(jì)。

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責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

Application of BIM in Municipal Road Design

朱宗凱1，曾詩雅2

（1重慶市市政設(shè)計(jì)研究院，重慶400020；2中鐵二院重慶勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，重慶400023）

摘要：長期以來，道路設(shè)計(jì)是以傳統(tǒng)的平縱橫二維圖像作為設(shè)計(jì)成果來表達(dá)道路的三維空間位置，很少將道路㈦周圍的地形、地物、景觀相結(jié)合，建立系統(tǒng)的三維模型，即使出現(xiàn)的少數(shù)三維透視圖也是局部的、靜態(tài)的，表達(dá)不夠直觀，更不能實(shí)現(xiàn)模型分析、三維漫游、信息共享等功能。因此，該文在闡述道路BIM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成要素的基礎(chǔ)上，對各要素建立方法㈦流程進(jìn)行研究，提出了分析、共享模塊應(yīng)具有的功能，⒚于解決道路設(shè)計(jì)中的路網(wǎng)設(shè)計(jì)、復(fù)雜立交、可持續(xù)性設(shè)計(jì)中存在的問題，為BIM在市政道路設(shè)計(jì)中應(yīng)⒚提供理論支持㈦實(shí)踐參考。

關(guān)鍵詞：道路三維模型；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；模型分析；信息共享

Abstract：For quite a long time，road design expresses the three-dimensional road space location by traditional two-dimensional image，hardly combined with surrounding terrain，objects and landscapes to create systematic three-dimensional models，and even if there are a few three-dimensional scenograph，they are partial，static and indirectly expressed，let alone model analysis，3D walkthroughs，information sharing and other functions. Therefore，based on descriptions on components of systematic BIM structure，this paper studies the establishment methods and processes of each element，and presents the functions of analysis and sharing modules to solve the problems of road network design，complex interchanges and sustainable designs in road design，providing theoretical support and practical references for the application of BIM in municipal Road design.

Key words：three-dimensional model of road；system structure；model analysis；information sharing

中圖分類號：U414.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-9107（2016）06-0022-03

doi：10.3969/j.issn.1671-9107.2016.06.022

收稿日期：2016-03-04

作者簡介：朱宗凱（1989-），男，福建福州人，研究生，助理工程師，主要從事道路工程研究。