基于BIM技術(shù)的三維公路模型設(shè)計(jì)探討

孫建誠(chéng)， 蔣浩鵬， 朱雙晗

(河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津 300400)

隨著建筑信息化模型技術(shù)(BIM技術(shù)，building information modeling)在巖土及結(jié)構(gòu)工程中不斷應(yīng)用，BIM技術(shù)已日趨成熟。建筑信息模型是對(duì)工程對(duì)象的完整描述，可被建筑項(xiàng)目各參與方普遍使用，達(dá)到幫助項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)提升決策效率與正確性[1-2]。BIM技術(shù)能將建設(shè)項(xiàng)目全壽命期內(nèi)各個(gè)階段所有信息進(jìn)行電子化集成應(yīng)用與管理[3]。目前BIM研究和應(yīng)用處于爆發(fā)式增長(zhǎng)期，總體而言其研究對(duì)象主要為建筑物，且主要集中于從2D設(shè)計(jì)過(guò)渡到3D設(shè)計(jì)階段[4-5]。在使用BIM技術(shù)過(guò)程之中，不僅要求各個(gè)軟件相互配合，其數(shù)據(jù)文件可交互使用，同時(shí)信息技術(shù)集成和共享更需要標(biāo)準(zhǔn)來(lái)規(guī)范操作并進(jìn)行明確界定。由于BIM技術(shù)在我國(guó)公路行業(yè)發(fā)展和應(yīng)用較晚，因此研究如何在公路設(shè)計(jì)階段解決3D模型標(biāo)準(zhǔn)化建立和應(yīng)用很有必要。

1 BIM標(biāo)準(zhǔn)

1.1 IFC標(biāo)準(zhǔn)

IFC(industry foundation class)標(biāo)準(zhǔn)即工業(yè)基礎(chǔ)類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)[6]。IFC提供了建筑工程實(shí)施過(guò)程所處理的各種信息描述和定義規(guī)范，可以是一個(gè)構(gòu)件實(shí)體也可用于抽象概念。IFC標(biāo)準(zhǔn)總共由4個(gè)層次構(gòu)建，分別為資源層、核心層、共享層和領(lǐng)域?qū)印９饭こ添?xiàng)目類(lèi)型較多，同時(shí)運(yùn)行多個(gè)軟件或程序可能存在數(shù)據(jù)無(wú)法完全兼容，導(dǎo)致數(shù)據(jù)無(wú)法交換等問(wèn)題，而IFC標(biāo)準(zhǔn)極大程度上解決了數(shù)據(jù)交換和共享問(wèn)題，節(jié)約了時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本。

1.2 IDM標(biāo)準(zhǔn)

IDM(information delivery manual)標(biāo)準(zhǔn)即信息交付手冊(cè)標(biāo)準(zhǔn)[7]。IDM中描述信息是項(xiàng)目指定時(shí)間和地點(diǎn)基于特定目的的信息集合。在公路工程項(xiàng)目中，如路基工程、路面工程、交通附屬工程等都可定義為特定信息，并應(yīng)用于工程特定階段上。IDM旨在將公路工程項(xiàng)目中的信息整理并經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后交給工程人員，最終與IFC標(biāo)準(zhǔn)形成映射。由于公路工程項(xiàng)目中所包含信息較多，IDM可降低信息傳遞過(guò)程中的丟失量，提高傳遞效率。

1.3 IFD標(biāo)準(zhǔn)

IFD(international framework for dictionaries)即國(guó)際字典框架標(biāo)準(zhǔn)。IFC和IDM標(biāo)準(zhǔn)只是給工程人員提供一個(gè)信息交互平臺(tái)，缺少信息交換過(guò)程中編碼標(biāo)準(zhǔn)。IFD采用GUID(global unique identifier)的方式可準(zhǔn)確解決全球語(yǔ)言差異帶來(lái)的編碼不統(tǒng)一等問(wèn)題。對(duì)公路工程而言，各類(lèi)BIM軟件及編碼參差不齊，利用IFD能保證每個(gè)工程人員通過(guò)交換所得到的信息可以共享。

2 基于BIM的公路標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

2.1 建模方式

對(duì)公路工程建設(shè)而言，建立3D地質(zhì)和地形數(shù)據(jù)尤其重要。由于公路建設(shè)距離長(zhǎng)、時(shí)間久等特點(diǎn)，因此其對(duì)于地形數(shù)據(jù)和選線設(shè)計(jì)要求較高。公路勘測(cè)設(shè)計(jì)階段所建立的DEM/DTM模型能支持多種數(shù)據(jù)傳輸模式，可同時(shí)適用于選線、平面設(shè)計(jì)、縱斷面設(shè)計(jì)、橫斷面設(shè)計(jì)、施工組織設(shè)計(jì)等要求。常規(guī)測(cè)繪方式包括外業(yè)測(cè)量、GPS測(cè)量、衛(wèi)星遙感等方式，這些方式不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且需要的天氣條件、地形條件較為苛刻。目前，傾斜攝影與實(shí)景建模技術(shù)結(jié)合的方式將大大減少工程人員工作量并提升效率。

傳統(tǒng)3D地形建模通常使用3D-Max、AutoCAD等建模軟件，以這種方式構(gòu)建的地形模型易出現(xiàn)少塊或丟失數(shù)據(jù)現(xiàn)象，而且其數(shù)據(jù)模型精度較低。其中傾斜攝影技術(shù)是國(guó)際測(cè)繪領(lǐng)域的一項(xiàng)高新技術(shù)，通過(guò)在無(wú)人機(jī)上搭載的多個(gè)傳感器，可同時(shí)從一個(gè)垂直、4個(gè)傾斜等5個(gè)不同角度進(jìn)行影像采集[8]。由于清晰攝影無(wú)人機(jī)配備有4個(gè)傾斜攝像頭，可以最大范圍、最大精度去感知復(fù)雜路段或交叉口等位置。而實(shí)景建模技術(shù)可有效提升模型利用率，降低時(shí)間成本和經(jīng)濟(jì)成本。最終通過(guò)傾斜攝影后利用實(shí)景建模技術(shù)將掃描的地形以3D方式展示出來(lái)。傾斜攝影無(wú)人機(jī)與實(shí)景建模技術(shù)如圖1。

圖1 傾斜攝影無(wú)人機(jī)與實(shí)景建模技術(shù)Fig. 1 Tilt photography UAV and virtual reality modeling

2.2 技術(shù)路線

公路工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，構(gòu)件與構(gòu)件、設(shè)計(jì)要素之間存在著幾何約束和邏輯約束[9]，需通過(guò)BIM技術(shù)在3D模型中定義參數(shù)關(guān)系。同時(shí)信息模型是BIM技術(shù)核心，公路工程項(xiàng)目全生命周期全部圍繞信息傳遞進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)和工作[10]。在公路設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)維階段，各類(lèi)報(bào)表的數(shù)據(jù)、施工圖信息、工程量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等都要與工程項(xiàng)目有關(guān)人員共享，但與此同時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生較多復(fù)雜數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)無(wú)法完全兼容的情況。筆者通過(guò)結(jié)合IFC標(biāo)準(zhǔn)，改進(jìn)和優(yōu)化了BIM公路設(shè)計(jì)技術(shù)路線，如圖2。

圖2 BIM公路設(shè)計(jì)技術(shù)路線Fig. 2 BIM highway design technology route

目前公路工程施工和運(yùn)營(yíng)問(wèn)題比較嚴(yán)重，經(jīng)常因質(zhì)量管理不當(dāng)，導(dǎo)致工程反復(fù)進(jìn)行從而延誤工期。BIM技術(shù)施工應(yīng)用主要包括：3D可視化施工、工程量統(tǒng)計(jì)報(bào)表的輸出、施工詳圖及物料實(shí)時(shí)管理等；運(yùn)維應(yīng)用包括：VR/AR交付手段、建立公路BIM信息庫(kù)等。在公路項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)維階段使用BIM技術(shù)可提高工程信息傳遞效率，降低風(fēng)險(xiǎn)。筆者通過(guò)結(jié)合IFC標(biāo)準(zhǔn)的層次性，構(gòu)建了BIM公路施工及運(yùn)營(yíng)管理技術(shù)路線，如圖3。

圖3 BIM公路施工及運(yùn)營(yíng)管理技術(shù)路線Fig. 3 BIM highway construction and operation managementtechnology route

3 基于BIM的公路3D模型建立

3.1 建模軟件

在設(shè)計(jì)階段使用BIM技術(shù)需考慮工程全生命周期信息，從而可將工程信息整合、歸類(lèi)及管理[11]。一個(gè)工程項(xiàng)目不單單是一款BIM軟件能夠完成的，往往需要多款軟件協(xié)同工作完成，同時(shí)要注意軟件之間數(shù)據(jù)交換無(wú)差別進(jìn)行。筆者通過(guò)分析工程項(xiàng)目及國(guó)內(nèi)外BIM軟件，首用Bentely公司系列軟件進(jìn)行公路主體設(shè)計(jì)，之后選用Autodesk公司系列軟件重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后將兩個(gè)系列軟件功能進(jìn)行綜合對(duì)比。

3.2 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目為我國(guó)西北某丘陵區(qū)二級(jí)公路建設(shè)工程。該條公路對(duì)沿線礦產(chǎn)資源及農(nóng)副產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與利用提供了便捷機(jī)會(huì)，對(duì)沿線各村莊經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有推動(dòng)作用。因此該條公路修建具有非常重要的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展意義。該二級(jí)公路設(shè)計(jì)速度為60 km/h，路線設(shè)計(jì)為雙向雙車(chē)道。筆者以其中3 km路段作為工程試驗(yàn)段，并進(jìn)行建模，采用參數(shù)化項(xiàng)目管理模式對(duì)數(shù)據(jù)文件格式和模型數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)化管理。

3.3 地形模型對(duì)比

筆者通過(guò)將2D地形圖生成3D模型，形成具體數(shù)字地面模型。與以往不同的是，本次分析采用兩款軟件對(duì)比的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中Civil-3D和Powercivil都可讀取2D平面的DEM文件，經(jīng)過(guò)消除粗差點(diǎn)處理之后，得到了各自地形圖，如圖4。

圖4 地形模型對(duì)比Fig. 4 Comparison of terrain models

3.4 平縱斷面設(shè)計(jì)對(duì)比

筆者以?xún)煽钴浖?duì)比方式對(duì)工程試驗(yàn)段進(jìn)行平、縱斷面設(shè)計(jì)，首先從原2D設(shè)計(jì)文件中提取平曲線，分別用Civil-3D和Powercivil完成平曲線設(shè)計(jì)(圖5)。在縱斷面設(shè)計(jì)階段，注意在3D地面模型當(dāng)中生成地面線高程。對(duì)Powercivil軟件，按照豎曲線要素設(shè)計(jì)即可；而對(duì)Civil-3D需先添加地形曲面，之后添加地面線高程和里程樁號(hào)后才能進(jìn)行縱斷面設(shè)計(jì)。最后通過(guò)平、縱曲線擬合，形成3D關(guān)聯(lián)空間曲線段。設(shè)計(jì)過(guò)程中，Civil-3D和Powercivil都有各自設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)模塊工具可檢查各個(gè)復(fù)雜構(gòu)件、圖元的可靠性和準(zhǔn)確性。

圖5 平曲線設(shè)計(jì)對(duì)比Fig. 5 Comparison of plane curve design

3.5 橫斷面設(shè)計(jì)對(duì)比

Powercivil橫斷面設(shè)計(jì)功能較為強(qiáng)大，整合了路面、路肩、護(hù)欄、緣石等構(gòu)件要素，也可對(duì)橫斷面各個(gè)構(gòu)件賦予信息要素且設(shè)計(jì)時(shí)較為方便。但筆者在設(shè)計(jì)后期發(fā)現(xiàn)：其輸出的橫斷面文件只能為Bentely公司軟件使用，與BIM技術(shù)特點(diǎn)——協(xié)同性不符，這就導(dǎo)致工程人員無(wú)法有效讀取項(xiàng)目數(shù)據(jù)文件，拖延工期。與Powercivil不同是，采用Civil-3D軟件進(jìn)行橫斷面設(shè)計(jì)時(shí)，其步驟較為復(fù)雜且不符合我國(guó)公路工程設(shè)計(jì)人員操作習(xí)慣，具體步驟需先進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)橫斷面設(shè)計(jì)并添加各個(gè)公制基本部件，例如：基本車(chē)道、鋪裝層結(jié)構(gòu)、基本路肩、路緣和邊溝、護(hù)欄、基本擋墻等。但Civil-3D是基于Autodesk公司的BIM軟件，故其后期信息處理和共享方面非常成熟，橫斷面設(shè)計(jì)完成之后即可對(duì)橫斷面模型信息實(shí)時(shí)查看、瀏覽。兩款軟件建立橫斷面模型對(duì)比如圖6。

圖6 橫斷面設(shè)計(jì)對(duì)比Fig. 6 Comparison of cross-sectional design

3.6 深化設(shè)計(jì)

橫斷面設(shè)計(jì)及布置后就可組裝完成公路的整體BIM模型。在信息處理方面，筆者以IFC標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)模型信息的共享。例如：Civil-3D輸出模型文件可動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)到Navisworks軟件中進(jìn)行施工組織深化設(shè)計(jì)，最終得到施工進(jìn)度圖。

Civil-3D和Powercivil軟件都可自動(dòng)產(chǎn)生填挖方、瀝青混凝土用量、構(gòu)件尺寸數(shù)量等報(bào)表，表1為土方量對(duì)比。根據(jù)表1可看出：基于BIM的Civil -3D和Powercivil的土方量計(jì)算相差不大；相對(duì)斷面法所算出的累計(jì)填挖方值差距較大，說(shuō)明傳統(tǒng)方法計(jì)算結(jié)果較為粗略；而經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)校核，這兩款軟件所得出的土方結(jié)果更為準(zhǔn)確。

表1 土方量對(duì)比Table 1 Earthwork volume contrast m3

4 結(jié) 語(yǔ)

筆者通過(guò)結(jié)合IFC標(biāo)準(zhǔn)將BIM公路設(shè)技術(shù)路線進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，同時(shí)將以可視化為基礎(chǔ)的BIM技術(shù)引入公路工程施工及運(yùn)營(yíng)管理技術(shù)路線中，完善了理論依據(jù)和基礎(chǔ)。同時(shí)基于某二級(jí)公路，對(duì)比分析了目前公路設(shè)計(jì)的兩款BIM軟件，完成了公路工程整體設(shè)計(jì)過(guò)程。對(duì)比發(fā)現(xiàn)了兩款軟件各有區(qū)別，具體結(jié)果如下：

1)在地形模型建立過(guò)程中，筆者發(fā)現(xiàn)Civil-3D軟件所構(gòu)造的模型不能添加高程對(duì)比顏色，相對(duì)于Powercivil不能直觀表達(dá)出各個(gè)具體高程點(diǎn)；

2)在縱斷面設(shè)計(jì)時(shí)，Civil-3D和Powercivil都可先輸入公路縱斷面參數(shù)之后進(jìn)行縱斷面設(shè)計(jì)，但Civil-3D比Powercivil輸出的縱斷圖參數(shù)要多，例如超高參數(shù)、曲率參數(shù)等，而這些參數(shù)意味著能提供更多的信息給工程人員，能提高工程設(shè)計(jì)、施工效率；

3)橫斷面設(shè)計(jì)時(shí)，Powercivil軟件相對(duì)于Civil-3D更符合我國(guó)公路設(shè)計(jì)人員操作習(xí)慣，但輸出文件格式并不能為其他公司人員使用。同時(shí)，基于Bentely平臺(tái)的ProjectWise軟件相對(duì)于Navisworks在深化設(shè)計(jì)和施工管理方面并不成熟和完善；

由于BIM軟件限制，BIM技術(shù)在公路工程上應(yīng)用較少，BIM技術(shù)在公路領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)并未完全發(fā)揮。需進(jìn)一步完善BIM技術(shù)在公路工程設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)技術(shù)路線的應(yīng)用，并應(yīng)大力開(kāi)發(fā)二次軟件使其更適合我國(guó)工程人員使用?？傊珺IM技術(shù)可極大提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，減少設(shè)計(jì)過(guò)程中信息不匹配和丟失等問(wèn)題，降低工程建造成本，進(jìn)而提升運(yùn)維管理水平。