基于BIM的道路勘測(cè)設(shè)計(jì)實(shí)習(xí)改革探索研究

沈照慶，江昱山，段鑫鵬

（1.長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安 710064；2.西安市交通基礎(chǔ)設(shè)施智能化管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710000；3.陜西省交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與管理數(shù)字化工程研究中心，陜西 西安 710000）

當(dāng)前，我國高校的道路勘測(cè)實(shí)習(xí)主要分為室內(nèi)作業(yè)和室外作業(yè)兩個(gè)部分。室內(nèi)作業(yè)主要是利用CAD 及其衍生的二維道路設(shè)計(jì)軟件，如緯地、鴻業(yè)等專業(yè)軟件進(jìn)行道路設(shè)計(jì)，之后在野外實(shí)地采用全站儀、水準(zhǔn)儀、GPS-RTK 等設(shè)備進(jìn)行實(shí)地放樣等工作。隨著信息化時(shí)代的到來，道路勘測(cè)的三維可視化、信息化、智能化[1-2]將成為未來道路勘測(cè)發(fā)展的主流。BIM 技術(shù)將傳統(tǒng)土木行業(yè)的二維平面設(shè)計(jì)推向了可視化三維設(shè)計(jì)[3]，通過BIM 技術(shù)得到的三維模型所包含的信息將遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于傳統(tǒng)的二維圖紙，有效提升效率。同時(shí)BIM 技術(shù)的應(yīng)用貫穿工程項(xiàng)目全生命周期，可系統(tǒng)地為施工、運(yùn)營、養(yǎng)護(hù)階段提供數(shù)字化管理平臺(tái)，大大節(jié)約了項(xiàng)目成本[4-5]。然而BIM 技術(shù)在道路勘測(cè)方面的運(yùn)用仍處于起步探索階段，為使高校道路橋梁專業(yè)學(xué)生接觸行業(yè)新技術(shù)并探索BIM 技術(shù)在道路勘測(cè)設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用，將BIM 技術(shù)融入道勘實(shí)習(xí)中具重要意義。

1 我國高校道路勘測(cè)實(shí)習(xí)的現(xiàn)狀及問題

現(xiàn)階段，我國各高校道路勘測(cè)實(shí)習(xí)所利用的設(shè)備及手段還未及時(shí)更新，尚保留傳統(tǒng)的方法技術(shù)，未充分利用新興技術(shù)手段。主要流程是對(duì)擬設(shè)計(jì)道路場(chǎng)地（實(shí)習(xí)地）進(jìn)行踏勘，熟悉地形地貌和地物分布，之后在電子地形圖上根據(jù)給定的路線起終點(diǎn)及技術(shù)指標(biāo)使用緯地、鴻業(yè)等道路設(shè)計(jì)輔助軟件進(jìn)行選線及定線過程。根據(jù)所定路線，采用GPS-RTK、全站儀、水準(zhǔn)儀等測(cè)設(shè)儀器進(jìn)行道路中樁及斷面的放樣。

在道路設(shè)計(jì)的過程中，采用傳統(tǒng)的二維道路設(shè)計(jì)軟件，以緯地為例，存在以下缺點(diǎn)：

1）傳統(tǒng)的數(shù)字地形圖主要以等高線的形式表示地形的起伏變化情況，位于等高線之間的點(diǎn)的高程主要是通過擬合獲得，無法精確獲取其實(shí)際高程，有可能造成與實(shí)際結(jié)果不符合的狀況，影響工程量的計(jì)算以及設(shè)計(jì)員對(duì)地形的把控。

2）由于傳統(tǒng)地形圖對(duì)實(shí)際地形的把控與真實(shí)情況存在差異，故需要設(shè)計(jì)人員進(jìn)行實(shí)地踏勘，以獲得真實(shí)的地形地物。對(duì)于學(xué)生野外實(shí)習(xí)，部分地形復(fù)雜地段可能存在危害人身安全的風(fēng)險(xiǎn)。

3）在縱斷面及橫斷面設(shè)計(jì)完成后，若需要對(duì)平面線形進(jìn)行調(diào)整變動(dòng)，縱斷面與橫斷面不會(huì)隨著平面線形的變動(dòng)調(diào)整而實(shí)時(shí)調(diào)整更新，需要對(duì)縱斷面及橫斷面進(jìn)行重新插值才可更新斷信息，有一定的滯后性，效率不高。

4）設(shè)計(jì)圖形實(shí)體不帶有反映設(shè)計(jì)對(duì)象特征的屬性信息[6]。

2 在道路勘測(cè)實(shí)習(xí)中應(yīng)用BIM技術(shù)的實(shí)習(xí)模式

2.1 BIM 技術(shù)結(jié)合道勘實(shí)習(xí)理念

引進(jìn)GPS、無人機(jī)、傾斜攝影等先進(jìn)的測(cè)設(shè)技術(shù)建立太白實(shí)習(xí)基地實(shí)景模型，研究BIM 技術(shù)在道路勘測(cè)實(shí)習(xí)中的應(yīng)用，改進(jìn)當(dāng)前的實(shí)習(xí)內(nèi)容和實(shí)習(xí)模式。學(xué)生利用BIM 道路設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行道路設(shè)計(jì)，采用虛擬仿真軟件于其所設(shè)計(jì)道路上進(jìn)行漫游瀏覽，從視距、線形等方面評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)結(jié)果，體驗(yàn)一個(gè)公路項(xiàng)目從設(shè)計(jì)到開放運(yùn)行，并能從漫游瀏覽中發(fā)現(xiàn)道路設(shè)計(jì)所存在的問題和需要注意的要點(diǎn)。實(shí)習(xí)內(nèi)容主要由以下部分組成：

1）無人機(jī)傾斜攝影地形實(shí)景建模。

2）利用PowerCivil 等BIM 軟件的進(jìn)行道路三維設(shè)計(jì)，構(gòu)建設(shè)計(jì)成果模型。

3）利用GPS-RTK、全站儀等測(cè)設(shè)設(shè)備，按照設(shè)計(jì)成果于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地放線。

4）收集現(xiàn)場(chǎng)放線的問題，對(duì)路線進(jìn)行改正和調(diào)整。

5）最后導(dǎo)出可視化設(shè)計(jì)成果，與UC-win/Road結(jié)合，利用駕駛艙進(jìn)行模擬駕駛。

在應(yīng)用BIM 技術(shù)及傾斜攝影技術(shù)的實(shí)習(xí)模式下，可以提高道路勘測(cè)設(shè)計(jì)實(shí)習(xí)高科技含量，使學(xué)生更好地理解道路勘測(cè)設(shè)計(jì)的理論方法和掌握道路勘測(cè)的前沿技術(shù)，同時(shí)增加設(shè)計(jì)的趣味性，提高教學(xué)質(zhì)量和效果。

2.2 實(shí)習(xí)前的準(zhǔn)備與動(dòng)員

實(shí)習(xí)前的動(dòng)員，應(yīng)讓學(xué)生了解實(shí)習(xí)主要流程、所應(yīng)用的方法原理、所使用儀器設(shè)備的操作方法、實(shí)習(xí)考核管理機(jī)制以及最后的成果評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)等[7]，并做好實(shí)習(xí)前安全教育工作。通過對(duì)往屆優(yōu)秀成果及其他相關(guān)成果的展示，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。

2.3 利用傾斜攝影構(gòu)建太白實(shí)習(xí)基地實(shí)景模型

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平地不斷提高，信息技術(shù)發(fā)展迅速，地理信息技術(shù)也隨之不斷進(jìn)步。傾斜攝影測(cè)量技術(shù)作為一種新的地理信息獲取技術(shù)，成為地理信息采集與三維實(shí)景建模的重要手段[8]。傳統(tǒng)的航拍影像采用垂直拍攝方式，無法系統(tǒng)地獲取拍測(cè)物側(cè)面信息及一些細(xì)節(jié)信息，具有一定的局限性。與傳統(tǒng)的垂直拍攝方式相比，傾斜攝影通過在飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，從不同角度拍攝影像，利用GPS、姿態(tài)定位系統(tǒng)獲取飛行平臺(tái)拍攝時(shí)的姿態(tài)信息，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后生成三維模型。生成的三維模型能從多角度以高分辨率還原地物真實(shí)紋理，且嵌入了姿態(tài)位置信息使目標(biāo)地物擁有更多位置信息，具有廣泛的應(yīng)用前景[9]。

圖1 TIN 模型匹配影像要素

利用無人機(jī)于實(shí)習(xí)區(qū)域內(nèi)采集覆蓋面足夠廣的、數(shù)量足夠充分的傾斜影像，將采集到的影像導(dǎo)入ContextCapture 處理軟件中，軟件通過對(duì)所采集的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正、多視角聯(lián)合平差等流程后生成高密度點(diǎn)云，通過點(diǎn)云構(gòu)建具有高程信息的三維TIN 地形模型，再將不同角度的影像按最佳貼合度自動(dòng)匹配貼入TIN 模型中，最終生成實(shí)景模型（如圖1）。建成模型的精細(xì)程度取決于航拍影像的分辨率、重疊度和軟件計(jì)算算法[10]。

2.4 使用PowerCivil 進(jìn)行道路幾何設(shè)計(jì)

PowerCivil 是奔特利（Bentley）公司旗下一款面向道路等基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)的專業(yè)軟件[11]，其應(yīng)用Openroads技術(shù)，兼容dwg、dgn、3dm 等主流格式，輸出成果可與GIS 工具、地圖工具及CAD 工具等兼容，為土木工程和交通運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目的整個(gè)生命周期提供支持。

使用PowerCivil 進(jìn)行道路幾何設(shè)計(jì)的流程如圖2所示，具體操作步驟如下。在進(jìn)行道路設(shè)計(jì)前，需要建立地形模型，PowerCivil 支持按文件（DEM、Tin、點(diǎn)云、文本文件、ASCII 文件等）、圖形過濾器、元素等多種方法創(chuàng)建地形模型，本文選用從已有的數(shù)字地形圖按圖形過濾器創(chuàng)建DTM（如圖3）。

圖2 PowerCivil 建?；静襟E

圖3 DTM 地形模型（三角網(wǎng)（左），光滑模型（右））

PowerCivil 提供了多種方法進(jìn)行道路平面線形設(shè)計(jì)。積木法可將直線、緩和曲線、圓曲線組合在一起，是一種靈活的線形設(shè)計(jì)方式，尤其適用于地形復(fù)雜、曲線較多的路段。

在設(shè)計(jì)完平面線設(shè)計(jì)后，將參考的地面模型激活，進(jìn)行縱斷面設(shè)計(jì)。PowerCivil 的縱斷面設(shè)計(jì)功能同樣提供了多種設(shè)計(jì)方式，包括按豎曲線單元?jiǎng)?chuàng)建、按交點(diǎn)創(chuàng)建和按最佳擬合定義縱斷面。按豎曲線單元?jiǎng)?chuàng)建縱斷面與平面線形設(shè)計(jì)中的積木法類似，也是將多種曲線要素靈活組合以適應(yīng)地形變化。同時(shí)，PowerCivil支持在一個(gè)設(shè)計(jì)文件內(nèi)，一條平面線形擁有多種縱斷面設(shè)計(jì)方案。只需激活指定縱斷面，便可在三維視圖中得到道路平縱面三維線形，在生成道路廊道后還可直觀地顯示出道路填挖方邊坡，學(xué)生可根據(jù)需要快速便捷地進(jìn)行縱斷面方案比選。平面線形以及縱斷面線形設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行橫斷面設(shè)計(jì)。進(jìn)行橫斷面設(shè)計(jì)時(shí)，先要準(zhǔn)備一個(gè)橫斷面模板。PowerCivil 的模板庫中自帶各種公路、市政道路、橋梁斷面以及隧道斷面模板，用戶也可以根據(jù)自身需求，自行創(chuàng)建橫斷面模板，定義各個(gè)結(jié)構(gòu)層材料特征以及幾何屬性。創(chuàng)建橫斷面模板后，選擇平面線及激活的縱斷面線生成道路廊道，廊道生成后即可根據(jù)橫斷面模板建立三維路面模型。最后，將生成的模型導(dǎo)入LumenRT 軟件生成三維漫游展示，增加成果的生動(dòng)性和趣味性，如圖4 所示。

圖4 簡單的道路三維模型

在完成平縱橫設(shè)計(jì)后，可以很清晰地看到道路三維幾何情況，更好地發(fā)現(xiàn)道路設(shè)計(jì)中存在的一些問題。若需要對(duì)線形進(jìn)行調(diào)整，可直接在三維視圖下對(duì)道路線形進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后的線形會(huì)立即同步到三維模型中，無需像傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)軟件一樣重新進(jìn)行斷面插值。

2.5 在野外進(jìn)行GPS-RTK+全站儀進(jìn)行路線放樣

GPS-RTK 技術(shù)事宜載波相位為根據(jù)的實(shí)時(shí)差分定位技術(shù)[12]，以其高精度、實(shí)時(shí)性、快捷性及易用性等優(yōu)勢(shì)[13]已在工程測(cè)量中得到廣泛的應(yīng)用。利用GPSRTK 進(jìn)行道路放樣，觀測(cè)點(diǎn)之間是否通視不再是制約因素，可有效解決因地形、地物遮擋而導(dǎo)致的通視不良問題。但其使用條件也存在一定限制性，如周圍障礙物多、信號(hào)干擾強(qiáng)，都會(huì)對(duì)其定位精度產(chǎn)生影響。全站儀的局限性在于其對(duì)與點(diǎn)之間的通視要求高，在地形復(fù)雜地段，易被遮擋視線，無法放樣。若野外實(shí)地放樣采用GPS-RTK 結(jié)合全站儀一體化的模式，充分發(fā)揮GPS-RTK 與全站儀的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，彌補(bǔ)各自不足之處，使路線放樣的效率與精度都得到提升。實(shí)習(xí)時(shí)，配備專職教師全程跟隨輔導(dǎo)，對(duì)學(xué)生在儀器的使用方面及測(cè)設(shè)方法上進(jìn)行指導(dǎo)的同時(shí)，確保學(xué)生的人身安全并考核學(xué)生出勤狀況。

2.6 BIM+道路勘測(cè)實(shí)習(xí)模式的優(yōu)越性

1）利用傾斜攝影技術(shù)，采用軟件ContextCpture生成太白實(shí)習(xí)基地的實(shí)景模型，對(duì)野外部分危險(xiǎn)地形，利用傾斜攝影建模技術(shù)進(jìn)行展示，在室內(nèi)高效、安全地達(dá)到傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘得到的效果。

2）采用PowerCivil 設(shè)計(jì)軟件以及Openroads 技術(shù)，使道路平縱線形設(shè)計(jì)更加協(xié)調(diào)。支持在三維模式下修改道路幾何線形，路線設(shè)計(jì)考慮更加全面，調(diào)整更加便捷。

3）采用LumenRT 軟件進(jìn)行道路虛擬可視化，未來可以利用VR 設(shè)備使學(xué)生最大程度上在安全的環(huán)境下進(jìn)行道路漫游，體驗(yàn)設(shè)計(jì)成果。

4）采用室內(nèi)+室外+室內(nèi)的教學(xué)模式，充分利用場(chǎng)地資源和設(shè)備，在安全性可靠的前提下使教學(xué)成果最大化。

3 成果驗(yàn)收及考核方式

在教師指導(dǎo)軟件操作流程并分發(fā)指導(dǎo)手冊(cè)后，立即開展設(shè)計(jì)階段，將使學(xué)生的理論知識(shí)得到鞏固[14]。設(shè)計(jì)階段，每位學(xué)生獨(dú)立完成完整的道路設(shè)計(jì)，確保對(duì)道路設(shè)計(jì)流程及BIM 設(shè)計(jì)軟件的掌握。完成設(shè)計(jì)后每人利用基地多媒體設(shè)施進(jìn)行設(shè)計(jì)成果匯報(bào)及展示，一個(gè)班挑選出5 個(gè)優(yōu)秀設(shè)計(jì)，按照優(yōu)秀設(shè)計(jì)的方案分成對(duì)應(yīng)數(shù)量的小組。分組機(jī)制按照學(xué)生《道路勘測(cè)與設(shè)計(jì)》課程成績進(jìn)行，保證每個(gè)小組內(nèi)成績排名前20%、20%～80%及80%以后的學(xué)生按照1∶3∶1 的比例分布[15]。在野外實(shí)地放樣階段，以小組的形式分工配合，小組成員輪流熟悉儀器及放樣步驟，每個(gè)班配備2 到3 名教師進(jìn)行指導(dǎo)監(jiān)督，確保每個(gè)人都切實(shí)參與并考核個(gè)人貢獻(xiàn)度。根據(jù)道路設(shè)計(jì)及實(shí)地放樣成果撰寫實(shí)習(xí)報(bào)告，并附上體現(xiàn)個(gè)人貢獻(xiàn)度的照片或其他憑證作為考核依據(jù)。實(shí)習(xí)成績根據(jù)出勤情況、道路方案設(shè)計(jì)、個(gè)人貢獻(xiàn)度、實(shí)習(xí)報(bào)告的撰寫及其他成果綜合考慮，最后按20%優(yōu)秀、30%良好、30%中等、15%合格及5%不合格的比例標(biāo)準(zhǔn)來評(píng)定成績。

4 結(jié) 語

BIM 技術(shù)在我國道路勘測(cè)設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用才剛剛起步，積極探索BIM 技術(shù)在道路勘測(cè)方面的應(yīng)用，提出BIM 技術(shù)與道勘實(shí)習(xí)結(jié)合的模式。充分利用傾斜攝影、實(shí)景建模等新興勘測(cè)設(shè)計(jì)技術(shù)以及新的道路設(shè)計(jì)平臺(tái)，合理利用高校資源服務(wù)學(xué)生。將道路勘測(cè)設(shè)計(jì)前沿技術(shù)引入學(xué)生實(shí)踐教學(xué)中，引導(dǎo)路橋?qū)I(yè)學(xué)生探索BIM 技術(shù)在道路勘測(cè)方面的應(yīng)用，從實(shí)習(xí)中獲得啟發(fā)，對(duì)我國道路勘測(cè)實(shí)習(xí)的革新具有借鑒意義。