BIM在公路設(shè)計中的應(yīng)用研究

吳欣剛，黃立虎

(1.江西省現(xiàn)代路橋集團(tuán)，江西 上饒 334000；2.江西省公路工程監(jiān)理有限公司，江西 南昌 330002)

0 引 言

BIM技術(shù)即建筑信息化模型的簡稱，是一種新興工程化數(shù)字方式，應(yīng)用于建設(shè)工程的整個周期，對建筑模型進(jìn)行虛擬，將其物理特性與功能等用數(shù)字化方式進(jìn)行表達(dá)，并依此完成建筑設(shè)計、施工組織、運營全部過程。BIM技術(shù)能夠建筑工程項目建設(shè)全過程的不同階段工程信息與資源，集成于一個信息化模型中，以便工程各參與方能夠在項目監(jiān)管中使用同一模型進(jìn)行信息傳遞與共享，進(jìn)而確保工程的整體施工效益，降低公路在后續(xù)施工中的成本，提高整體建設(shè)管理水平。BIM技術(shù)在我國應(yīng)用發(fā)展較晚，應(yīng)用于公路設(shè)計行業(yè)更是起步階段，因此加強對BIM在公路設(shè)計行業(yè)的應(yīng)用研究是十分重要的。

1 公路BIM模型設(shè)計技術(shù)路線

1.1 建立公路構(gòu)件結(jié)構(gòu)樹

公路構(gòu)建的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)當(dāng)以結(jié)構(gòu)樹方式進(jìn)行，其屬于保障整個公路BIM模型的有效途徑，其不僅可以實現(xiàn)借助BIM的模型輕量化設(shè)計，還可以通過模型的建設(shè)實現(xiàn)對項目中不同項目、不同過程的精確化尋找，同時應(yīng)用信息化方式進(jìn)行管理。借助細(xì)化對象的分類形式，可以按照結(jié)構(gòu)樹當(dāng)中的構(gòu)建實現(xiàn)相應(yīng)的分析。結(jié)構(gòu)樹主要可以劃分為四個層次，第一個層次是以地形地貌為主，第二個層次則是以施工過程中的縫隙為界限對功能組合體進(jìn)行細(xì)化，第三個層次是按照工程量統(tǒng)計的要求，構(gòu)建功能組合體，第四層次是為了利于建模將構(gòu)件細(xì)化至單元，并完成結(jié)構(gòu)樹建立。

1.2 公路BIM設(shè)計技術(shù)路線

采用BIM技術(shù)進(jìn)行支持，可以在設(shè)計過程中完成三維的公路信息模型的建設(shè)以及三維公路信息模型的應(yīng)用。構(gòu)建完善的三維公路信息模型可以通過BIM技術(shù)實現(xiàn)公路設(shè)計，通過公路建設(shè)期間的多線點同時需要落實地形數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性與全面性分析。對此，BIM軟件的應(yīng)用過程中，需要先采用直尺不同格式的測量數(shù)據(jù)，例如可以借助GPS數(shù)據(jù)與航空攝影數(shù)據(jù)的結(jié)合方式進(jìn)行處理，依據(jù)這些數(shù)據(jù)創(chuàng)建地面模型(DTM)，此外，BIM軟件的應(yīng)用還可以實現(xiàn)對地面模型的分析，例如高程分析與匯水分析，可以以不同的形式展現(xiàn)三維的模型。當(dāng)前，實景建模技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)可以有效應(yīng)用于三維地面模型的生長分析方面，它能夠生成地面物體的幾何特征、物體側(cè)面輪廓以及詳細(xì)的紋理信息等，最大程度的還原真實世界。

BIM模型建立的一個關(guān)鍵便是參數(shù)化設(shè)計，分為參數(shù)化構(gòu)件與參數(shù)化修改。因為BIM技術(shù)的模型支持，可以以面對對象的設(shè)計方式進(jìn)行構(gòu)建，例如可以通過國參數(shù)實現(xiàn)對象的反應(yīng)，參數(shù)化的修改涉及到對象之間的結(jié)構(gòu)約束和尺寸約束等方面。結(jié)構(gòu)約束主要是指結(jié)合元素的關(guān)聯(lián)性，尺寸的約束則是借助尺寸的約束，一般是以對尺寸變量的定義控制或者是以尺寸數(shù)值、邏輯關(guān)系的方式進(jìn)行展現(xiàn)。在公路建設(shè)項目的設(shè)計期間，對于不同的設(shè)計元素、構(gòu)建之間都存在約束，例如幾何、邏輯等方面的約束。在公路建設(shè)項目的設(shè)計期間，這一些約束都可以通過三維模型進(jìn)行展現(xiàn)，這也是三維模型相對于二維模型的主要優(yōu)勢，但在BIM模型中，通過參數(shù)化設(shè)計，便能夠進(jìn)行自動化設(shè)計，在設(shè)計期間可以實現(xiàn)動態(tài)化的修改與關(guān)聯(lián)，例如在公路橫斷面設(shè)計期間，可以借助邊坡和路基的約束關(guān)系實現(xiàn)比例的控制。在BIM技術(shù)應(yīng)用過程中，信息屬于最為核心的內(nèi)容，其主要涉及到幾何與非幾何信息，其中非幾何的信息主要是以材料和成本為主。在設(shè)計期間以及項目建設(shè)期間都可以圍繞著信息進(jìn)行分析，BIM軟件在構(gòu)建三維模型方面，可以實現(xiàn)對信息的集成化管理。以路徑的施工設(shè)計為例，在路基設(shè)計階段，模型主要涉及到地基處理、填料以及邊坡的坡率計算等方面，這一些都是三維公路信息模型的重要構(gòu)成因素。在公路設(shè)計期間，BIM技術(shù)的應(yīng)用主要涉及到工程量的統(tǒng)計、可視化的展現(xiàn)以及施工圖紙的設(shè)計、施工內(nèi)容的報表等。

2 建立參數(shù)化公路BIM模型

2.1 軟件平臺的選擇

BIM技術(shù)在公路設(shè)計當(dāng)中的應(yīng)用不僅在于設(shè)計方案，同時還可以應(yīng)用在工程信息的模擬分析方面，以便于后續(xù)工程施工、管理等方面的應(yīng)用。在BIM公路設(shè)計中，一款軟件是不能滿足所有要求的，因此需要多款軟件協(xié)同應(yīng)用，這些軟件能夠支持模型與信息在其中進(jìn)行無縫交換。通過對國內(nèi)外的軟件分析，認(rèn)為Bentley公司的軟件屬于項目的核心技術(shù)支持，其中主要涉及到PowerCivil For China、MicroStation、ProjectWise，其中PowerCivil For China屬于對平縱橫等公路進(jìn)行整體設(shè)計的方式，而MicroStation則是公路中不同構(gòu)建的三維模型，ProjectWise屬于項目協(xié)作和信息化管理的主要途徑，可有效應(yīng)用在公路建設(shè)項目的信息數(shù)據(jù)處理與管理方面。

2.2 項目概況

選取我國西北地區(qū)某二級公路作為建設(shè)工程項目，根據(jù)公路的交通量，將線路設(shè)計為60 km/h的二級公路，雙向雙車道。筆者選取了該項目的部分路段，路線總長3 520 m。

2.3 地質(zhì)模型

筆者依據(jù)二維地形圖，將其生成三維的三角網(wǎng)模型，然后對三角網(wǎng)中的出差點進(jìn)行修正和補充完整，最終生成了三維數(shù)字地面模型。之后就圍繞三維地面模型進(jìn)行道路要素的設(shè)計，使得設(shè)計更加高效率與立體化。

2.4 主體模型

(1)平縱曲線設(shè)計

筆者先根據(jù)原二維公路設(shè)計文件，將其中的平面線提取出來，利用powercivil軟件進(jìn)行平曲線設(shè)計，這是在三維地面模型中完成參數(shù)化建模的第一步工作。然后在縱斷面設(shè)計中，視圖中主要顯示地面線與設(shè)計線這兩條線。三維數(shù)字地面模型中的地面線，能夠精確反映出地面的高低起伏變化。通過精準(zhǔn)繪圖功能，根據(jù)從二維公路設(shè)計圖提取的豎曲線進(jìn)行設(shè)計，最后對平曲線與縱曲面進(jìn)行擬合，形成完整的空間曲線。在這個幾何布置過程中，利用設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)工具進(jìn)行檢驗，確保了本模型中復(fù)雜圖元的適用性。

(2)參數(shù)化橫斷面設(shè)計

利用PowerCivil軟件可以實現(xiàn)對橫斷面的設(shè)計，在設(shè)計期間可以對路面的尺寸、結(jié)構(gòu)以及護(hù)欄、邊坡、擋土墻等不同的結(jié)構(gòu)和要素進(jìn)行整合，并對所有的構(gòu)建和要素實現(xiàn)參數(shù)化的設(shè)計，在構(gòu)建方面可以對材料的性能與名稱進(jìn)行定義，將各種構(gòu)件與要素都進(jìn)行了整合，對所有構(gòu)建和相關(guān)的要素進(jìn)行設(shè)計。在橫斷面設(shè)計期間，可以通過不同點構(gòu)成一個構(gòu)建，不同構(gòu)建也可以存在多個約束點，不同的點位可以自定義的方式進(jìn)行設(shè)置，并以不同的參數(shù)進(jìn)行關(guān)系計算。在參數(shù)橫斷面設(shè)計期間，橫斷面圓點和路面中線點中，可以通過“父約束”的方式完成參數(shù)關(guān)系的分析，橫斷面當(dāng)中不同構(gòu)建都有具體的材料性能與名稱。在參數(shù)橫斷面模板設(shè)計完成之后，按照路面的地形底膜啊以及交通環(huán)境等因素，可以實現(xiàn)最終BIM模型的建設(shè)。

3 BIM模型在設(shè)計階段的具體應(yīng)用

3.1 信息管理與二維出圖

本項目在模型構(gòu)建過程中對各構(gòu)件與元素的信息進(jìn)行了附加，以便后期能夠精確查詢到模型信息。例如，根據(jù)公路點多線長的特點，可設(shè)置樁號，根據(jù)樁號可查看橫斷面屬性，從而實現(xiàn)菜單式的信息管理，同時可以通過多視圖動態(tài)聯(lián)動同時顯示出不同屬性信息。BIM的重要價值之一便是能夠快速繪制施工圖紙，由于施工圖紙與模型之間具有動態(tài)關(guān)聯(lián)性，因此對模型進(jìn)行修改后，施工圖紙也能得到及時更新，并得到二維圖紙。本項目利用軟件定制出了平縱橫等施工圖模板，在模板基礎(chǔ)上形成施工圖，能準(zhǔn)確反映工程信息。

3.2 工程量統(tǒng)計

三維地面模型建立完成后，按照樁號5 m為間隔自動進(jìn)行填挖方、構(gòu)件數(shù)量等統(tǒng)計報表的生成，報表格式輸出可為不同文件類型(PDF/DOC/XLS)，從而提高設(shè)計的效率與質(zhì)量。在計算填挖方土量時，分別應(yīng)用BIM軟件和傳統(tǒng)的計算方法進(jìn)行計算，計算結(jié)果如表1。從表中可看出，兩種計算結(jié)果相差較大，傳統(tǒng)方法算出的結(jié)果粗略，而BIM軟件算出的結(jié)果更加準(zhǔn)確。

表1 土方量報

4 結(jié) 語

根據(jù)對我國西北地區(qū)某二級公路利用BIM進(jìn)行設(shè)計，利用Bentley 系列軟件完成公路設(shè)計，對公路平面、縱斷面、橫斷面等都建立了信息模型，公路BIM主體模型建立表明BIM應(yīng)用于公路設(shè)計的可行性，而基于BIM技術(shù)的信息管理與二維出圖以及工程量統(tǒng)計等都提高公路設(shè)計的效率與質(zhì)量。盡管該工程實例具有一定局限性，BIM在公路設(shè)計也處于初步應(yīng)用階段，但總的來說，將BIM應(yīng)用于公路設(shè)計具有重要的意義，如提高設(shè)計效率，降低工程成本，提高管理水平。