基于BIM技術的公路工程信息模型參數(shù)化構建及應用

喻沐陽 斯文彬

(中交第二航務工程勘察設計院有限公司 武漢 430061)

近年來，隨著計算機和無線通信技術的迅猛發(fā)展，公路工程勘察設計正由傳統(tǒng)的二維平面設計不斷向可視化、精細化、信息化和智能化方向發(fā)展，建筑信息模型(building information model,BIM)技術也應運而生[1]。BIM技術涉及規(guī)劃、設計、施工、運營維護等工程技術行業(yè)全壽命周期的創(chuàng)新變革，是公路行業(yè)最前沿的發(fā)展趨勢?？蓪崿F(xiàn)各專業(yè)協(xié)同設計和項目數(shù)據(jù)的一體化管理，極大地提高了設計人員的生產(chǎn)力，使其可以有更多精力對設計方案進行優(yōu)化，而且便于決策者對項目多方位、多角度、多維度了解和控制，做出更為準確的決策[2]。

公路工程建設項目較其他工程項目有其獨特性，其囊括專業(yè)多，線路長，覆蓋空間大，與地質(zhì)地形條件聯(lián)系緊密，設計線路的合理性直接關系到群眾的出行安全和地區(qū)經(jīng)濟的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。但目前公路工程勘察設計BIM技術的應用還停留在三維模型展示的階段，主要表現(xiàn)為以下幾點：①未對模型編碼和參數(shù)化，難以將模型交付施工單位進一步實現(xiàn)；②模型應用不足，不能充分利用已有的道路信息模型開展進一步的分析研究，規(guī)避工程設計缺陷，提升設計質(zhì)量和效率；③校審困難，無法給各專業(yè)協(xié)同校審提供技術支撐；④無法批量生成施工圖表，模型和設計相分離，不僅不能達到事半功倍的效果，反而增加了較大的工作量[3]。針對模型參數(shù)化構建和應用的研究還鮮見報道。

綜上所述，傳統(tǒng)的BIM技術已無法適應公路工程勘察設計快速發(fā)展的要求，有著較強的局限性，難以實現(xiàn)項目總體空間信息管理和維護，因此，本研究擬開展基于BIM技術的公路工程信息模型參數(shù)化構建及應用研究。

1 技術路線規(guī)劃

本研究依托項目為G215線柳園至敦煌高速公路，該項目地形、數(shù)據(jù)源多，控制因素復雜，設計周期短，因此，采用BIM技術開展施工圖勘察設計。從三維設計理念出發(fā)，將BIM技術應用于項目實施策劃、設計深化和模型應用三大階段，實現(xiàn)項目模型的參數(shù)化，并建立資源整合數(shù)據(jù)庫，構建項目信息模型，最終針對模型開展分析研究和應用。技術路線圖見圖1。

圖1 技術路線圖

2 基于BIM技術的道路信息模型構建

2.1 項目背景和概況

G215線柳園至敦煌高速公路位于甘肅省酒泉市瓜州縣及敦煌市境內(nèi)，地處河西走廊西段。是“古絲綢之路”重要路線，也是西部大通道西寧至庫爾勒公路的重要組成部分，主線采用雙向4車道戈壁、沙漠高速公路標準，設計車速為80 km/h，整體式路基寬度24.50 m、分離式路基寬度12.25 m。設計技術標準見表1。

表1 G215線柳園至敦煌段主線和連接線設計標準

本工程具有“大、精、嚴、控”4大特點?！按蟆斌w現(xiàn)在：道路主線全長46 km，輔道長29 km?？偼顿Y27億元，年平均日交通量為25 902 veh；“精”體現(xiàn)在：BIM模型精度整體達到LOD300，能夠詳細地展現(xiàn)模型構建的相關參數(shù)，為后期的施工管控和運維管理提供數(shù)據(jù)支持；“嚴”體現(xiàn)在：沿線自然保護區(qū)眾多，歷史文化遺址密集，高壓線分布情況復雜，對項目的選線和施工要求嚴格；“控”體現(xiàn)在：基于公司二次開發(fā)的協(xié)同設計云平臺和鴻城設計管理平臺進行管控，規(guī)范化模型設計及專業(yè)校審流程，使項目BIM應用真正上升到企業(yè)級水平。采用BIM技術實現(xiàn)各專業(yè)間高效的協(xié)同設計，大幅度提高了設計效率，方便了項目各參建方之間的交流和管控。具體路面結構參數(shù)見表2。

表2 G215線柳園至敦煌段瀝青路面

2.2 高精度三維地面模型構建

重復映射現(xiàn)象示意圖見圖2。針對無人機傾斜攝影畫面可能存在的重復映射現(xiàn)象[4]，本研究使用真正射影像生成技術對航拍底圖進行處理，拓撲結構更加合理。首先對初始DEM數(shù)據(jù)進行分類、修測與編輯，然后對生成的初始點云數(shù)據(jù)進行編輯，濾掉遮蓋地物及游離點，對于邊界模糊、歸類不明的建筑物，必須對其頂層邊界進行分類與修測，針對建筑物周圍存在的大量低矮地物導致的拉花與遮蓋現(xiàn)象，采用硬性重新插值的方法進行處理，將地面平均高程計算為統(tǒng)一值插入其中，以避免畸變與不連續(xù)情況的出現(xiàn)，便于后續(xù)正射影像的制作使用，真正射影像糾偏方法示意圖見圖3。

圖2 重復映射現(xiàn)象示意圖

圖3 真正射影像糾正方法示意圖

利用InfraWorks軟件將經(jīng)過真正射影像糾偏后的航拍底圖及Civil 3D地形曲面進行整合，創(chuàng)建高精度三維數(shù)字地形沙盤，實現(xiàn)項目所在區(qū)域地形、水系、建筑物等信息的可視化表達，精確反映項目各影響因素的尺寸和地理位置信息，便于設計人員整體把控，為公路工程平、縱、橫協(xié)同設計提供有力支撐。

2.3 公路平、縱、橫協(xié)同設計

傳統(tǒng)公路工程設計方案優(yōu)化流程是：路線平面設計→建立數(shù)字地面模型→獲取縱橫地面線→縱斷面設計→超高加寬設計→橫斷面設計→土石方計算和調(diào)配。當發(fā)現(xiàn)填挖方放坡受限、土石方

數(shù)量較大，不良地質(zhì)條件制約等現(xiàn)象時，需重新回到第一步調(diào)整優(yōu)化路線平面設計，依次循環(huán)直到找到經(jīng)濟合理路線方案為止。

本研究利用Infraworks軟件強大的平、縱、橫協(xié)同設計功能，并結合所在區(qū)域地形控制因素，對路線方案進行比選和優(yōu)化，在調(diào)整路線平面的同時實時剖切縱橫地面線，并能夠?qū)崿F(xiàn)縱斷面和橫斷面實時動態(tài)修改，實時瀏覽橫斷面及與原始地形的填挖切割情況，協(xié)同設計界面見圖4。在一些控制因素較多、地形復雜的區(qū)域及位置，通過平、縱、橫三維立體定線的方式進一步開展專項比選論證，確保路線方案可行、合理、經(jīng)濟。為下一步項目的施工圖勘察設計提供有利條件，有效避免了設計過程中因影響因素考慮不全而導致的設計反復。

圖4 平縱橫協(xié)同設計界面

2.4 道路模型編碼及精細化建模

根據(jù)上一階段平、縱、橫協(xié)同設計成果，尤其是在一些控制因素復雜段落的優(yōu)化成果，利用鴻業(yè)科技路易2018系列軟件對道路信息模型構件進行統(tǒng)一編碼和參數(shù)化，編輯界面見圖5。

圖5 構建編碼和參數(shù)化編輯界面

構件庫包括路面結構層、邊坡防護形式、標志標牌和護欄等項目模型BIM構件，可對其材料組成、性能參數(shù)、技術要求及施工工藝等信息進行詳細交底。以構件為核心，通過構件ID編碼與模型關聯(lián)，實現(xiàn)實體與參數(shù)化數(shù)據(jù)的相互關聯(lián)，便于設計和施工人員及時查看相關構件詳細參數(shù)，使得編碼數(shù)據(jù)庫更加完整、清晰，從而為模型的管理和下一階段交付工作提供有利條件[5]。

作為公路工程項目的重要組成部分，標志標線、互通立交、停車區(qū)和服務區(qū)等交通工程及沿線設施，需要按照“保障安全、提供服務、利于管理”的原則，從總體角度考慮其布局合理性和協(xié)調(diào)性，確保駕駛員可以在正確的引導下順利抵達目的地。交通安全設施設置合理與否，直接關系到公路工程的服務水平和通行能力[6]，本研究在參數(shù)化編碼建模的基礎上，對項目全線的附屬設施進行精細化建模。圖6為孔家莊互通模型，圖7為石槽子停車服務區(qū)三維實景模型。

圖6 孔家莊互通模型

圖7 停車服務區(qū)三維模型

3 道路信息模型應用

3.1 建筑界限分析

公路建筑界限范圍內(nèi)不得有任何障礙物侵入。公路標志、護欄、照明燈柱、電桿、管線、綠化、行道樹、擋土墻，以及跨線橋的梁底、橋臺、橋墩等的任何部分也不得侵入公路建筑界限。否則會對駕駛員的心理產(chǎn)生不良影響，使其試圖避開路側邊緣障礙物，導致靠近毗鄰車道上行駛車輛，嚴重影響駕駛員行車安全，并降低道路通行能力和服務水平。

傳統(tǒng)設計過程并未在設計完成后針對公路建筑界限進行系統(tǒng)全面檢查。本研究采用三維手段對建立的BIM模型進行建筑限界分析，建筑界限檢查過程見圖8。按照規(guī)范要求自定義建筑限界尺寸和形狀，即可對設計成果進行快速檢查分析，以規(guī)避設計中的存在的問題，對提高公路工程勘察設計質(zhì)量具有重要意義。

圖8 道路信息模型建筑界限檢查

3.2 行車視距分析

行車視距是保障公路工程行車安全的一項關鍵指標，也是國家規(guī)范規(guī)定的強制性設計指標之一。作為三維立體的空間實體工程，公路視距受平、縱、橫等幾何指標、參數(shù)和平縱組合等的影響外，還可能受到路側填挖方邊坡、護欄、路側構筑物等的遮擋影響[7]。通過對我國部分山區(qū)高速公路進行視距檢驗評價發(fā)現(xiàn)：在平、縱等主要幾何指標滿足對應標準、規(guī)范指標要求的情況下，仍可能存在視距不良的特殊路段，還存在著較大的安全隱患。

針對傳統(tǒng)視距檢查方式難以考慮標志標牌、護欄、行道樹等因素對駕駛員視距影響的弊端，本研究采用BIM技術對項目開展駕駛視距檢查和分析是十分必要的[8]，視距檢查過程見圖9。

圖9 駕駛員視距檢查

本研究采用鴻業(yè)軟件施工圖BIM設計模塊對項目進行駕駛員視距檢查分析，通過定義駕駛員視線高度、行駛方向、視距要求等技術參數(shù)(見表3)，可快速檢查出視距不良路段并進行標記，檢查過程簡潔直觀，便于及時采取相應技術措施進行改善，可有效降低路段的事故發(fā)生率。

表3 視距分析參數(shù)取值

3.3 道路信息模型校審

本研究針對BIM模型校審流程復雜的問題，組織技術力量自主研發(fā)了BIM協(xié)同設計管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)公路工程勘察設計過程對圖紙校審的理念，針對經(jīng)過編碼和參數(shù)化模型的專業(yè)校審可使設計人員更容易發(fā)現(xiàn)設計成果的缺陷和不足，便于不斷優(yōu)化和改進設計，為模型的校審提供了有力的技術支撐[9]。其系統(tǒng)操作界面見圖10。

圖10 協(xié)同設計管理系統(tǒng)

在系統(tǒng)云端服務器上同時安裝相關BIM設計軟件和自主開發(fā)的希迪系列軟件，可將道路信息模型各專業(yè)協(xié)同設計成果上傳至系統(tǒng)，校審人員通過該管理系統(tǒng)對模型和圖紙進行校審，并可實時提出批注及修改意見，系統(tǒng)根據(jù)構件編碼和參數(shù)設置可自動生成模型校審意見清單，并及時反饋至各專業(yè)設計人員，模型專業(yè)校審界面見圖11。

圖11 模型專業(yè)校審界面

設計人員在接到校審意見單后會進行修改并重新提交校審，所有校審流程均可在本系統(tǒng)云端完成并在服務器上留痕，確保設計成果的準確性。

3.4 可視化交底及批量出圖

技術交底是指項目施工前或者工人進場作業(yè)前，由相關專業(yè)技術人員向作業(yè)人員進行的施工方案、工藝工法和操作步驟等的技術要求。傳統(tǒng)技術交底主要采用圖紙+文字說明的形式，難以使施工人員快速準確地領會設計人員意圖，交底效果較差。本研究通過可視化交底的方式，建立企業(yè)級工藝工法庫，輔助設計成果向施工環(huán)節(jié)移交。使得相關人員能夠更加深入了解設計意圖和設計信息，交底中可視化效果見圖12。該方法顯著提高了技術交底效果，利用鴻城云協(xié)同平臺可快速錄入上傳BIM模型、人員組織及安排、施工進度等項目信息，并以發(fā)送鏈接的方式告知業(yè)主或者施工單位等，使得BIM模型、圖紙等輕量化分享。

圖12 施工環(huán)節(jié)技術交底

目前，公路工程勘察設計成果的交付主要仍以圖紙為主，傳統(tǒng)公路工程BIM技術與平面設計往往需要重復工作，不能實現(xiàn)建筑信息模型向二維圖紙的快速轉(zhuǎn)化，本研究在建立參數(shù)化模型的基礎上，使得采用BIM技術實現(xiàn)設計成果的自動化出圖成為可能，本研究通過對CAD軟件進行二次開發(fā)，可實現(xiàn)道路平面圖、路線縱斷面圖、橫斷面圖、逐樁坐標表等自動化生成。生成的施工圖紙見圖13、14，大幅降低了設計人員機械化勞動量，效率提高30%。

圖13 逐樁坐標表

圖14 路線縱斷面圖

4 結論

1) 使用真正射影像生成技術，拓撲結構更加合理，本研究以真實地形環(huán)境屬性開展設計，采用總體-局部-總體的模式建立中心模型文件，建立各專業(yè)模型并匯總至中心文件，最終實現(xiàn)了道路信息模型編碼和參數(shù)化。

2) 本工程具有“大、精、嚴、控”四大特點，通過BIM協(xié)同設計，實現(xiàn)了LOD300級道路、橋梁和涵洞等精細化建模，設計成果批量出圖、精確算量，大大縮短設計周期，減少設計變更15%，效率提高30%。

3) 與常規(guī)BIM應用相比，本研究應用BIM設計云平臺，將其與企業(yè)生產(chǎn)管理及質(zhì)量體系相結合，實現(xiàn)了傳統(tǒng)設計軟件和國產(chǎn)BIM軟件綜合應用，BIM設計水平及成果質(zhì)量大幅提高，達到了BIM企業(yè)級應用水平。