基于BIM的道路規(guī)劃設(shè)計(jì)研究

劉占利

(天津市公路工程設(shè)計(jì)研究院 天津300170)

0 引 言

城市道路是現(xiàn)代化城市重要的組成部分之一，是現(xiàn)代化城市必備的基礎(chǔ)設(shè)施。近些年來(lái)，城市快速發(fā)展，人口急劇增長(zhǎng)，各種交通工具大量出現(xiàn)，導(dǎo)致交通堵塞日益嚴(yán)重，特別是國(guó)家大力發(fā)展智慧城市戰(zhàn)略的提出，這些都對(duì)城市道路前期規(guī)劃設(shè)計(jì)的科學(xué)性提出了更高的要求，如何做好城市道路的前期規(guī)劃設(shè)計(jì)已成為促進(jìn)城市發(fā)展的重要課題之一?，F(xiàn)在，城市道路的規(guī)劃設(shè)計(jì)通常采用的還是傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)方法，這種設(shè)計(jì)方法的局限性大、設(shè)計(jì)效率低、不直觀，難以滿(mǎn)足越來(lái)越復(fù)雜的城市道路規(guī)劃設(shè)計(jì)需要。

近年來(lái)，BIM(建筑信息模型)技術(shù)的發(fā)展引起了廣泛的關(guān)注，BIM 是一種全新的設(shè)計(jì)、建造及運(yùn)營(yíng)管理方法，將規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)營(yíng)等各階段的數(shù)據(jù)資料全部包含在3D 模型中，使工程項(xiàng)目整個(gè)生命周期中任何階段的工作人員在使用該模型時(shí)均能擁有精確、完整的數(shù)據(jù)，幫助項(xiàng)目設(shè)計(jì)者提升決策的效率與正確性[1]。

InfraWorks 作為BIM 的一款主流軟件，是歐特克公司推出的一款適用于基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目規(guī)劃和方案階段的全新設(shè)計(jì)工具[2]。InfraWorks 在BIM 技術(shù)中主要適用于建設(shè)工程前期方案研究和后期設(shè)計(jì)成果的整合與展示，核心功能主要體現(xiàn)在3 個(gè)方面：設(shè)計(jì)區(qū)域范圍內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施模型的創(chuàng)建；多方案設(shè)計(jì)與分析；最終設(shè)計(jì)效果展示。InfraWorks 突破以往技術(shù)限制，采用更加直觀的可視化三維建模技術(shù)，能夠更加快捷、高效率地管理大型基礎(chǔ)設(shè)施模型以及提高設(shè)計(jì)速率。InfraWorks 可以在一個(gè)模型下創(chuàng)建多個(gè)不同的方案，設(shè)計(jì)人員和其他利益相關(guān)方可以在同一個(gè)真實(shí)的場(chǎng)景下直觀地對(duì)比不同的方案選項(xiàng)，從而快速做出決策[3]。李慧等[4]在華為松山湖智慧園區(qū)有軌電車(chē)設(shè)計(jì)中，將多種新技術(shù)無(wú)縫融合，在InfraWorks 平臺(tái)上，多專(zhuān)業(yè)進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，為設(shè)計(jì)人員帶來(lái)極大便利，設(shè)計(jì)周期從6 個(gè)月縮短至2 個(gè)月，成功節(jié)約設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)約30%的人力。利用InfraWorks 軟件，可以在很短時(shí)間內(nèi)完成規(guī)劃方案的必選和報(bào)告，利于后期深化設(shè)計(jì)[5]。InfraWorks 可以在路線初步設(shè)計(jì)階段進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的不足，并且可以實(shí)時(shí)進(jìn)行道路優(yōu)化，減少了后續(xù)設(shè)計(jì)變更，提高了設(shè)計(jì)效率。InfraWorks 建立的直觀真實(shí)模型，讓項(xiàng)目各方都能清楚地知道自己的關(guān)注點(diǎn)，了解設(shè)計(jì)的沖突點(diǎn)，找出解決辦法，讓彼此的交流更為流暢，改善了二維環(huán)境下信息傳遞不完整的弊端。InfraWorks 中所產(chǎn)生的基礎(chǔ)模型數(shù)據(jù)可以傳遞給Civil 3D 進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，使整個(gè)設(shè)計(jì)流程保持連續(xù)，保證了設(shè)計(jì)質(zhì)量。InfraWorks 所具有的這些優(yōu)勢(shì)可以有效地為工程設(shè)計(jì)、方案比選提供技術(shù)支持，節(jié)約工程成本，提高設(shè)計(jì)效率等。

1 基于BIM應(yīng)用技術(shù)路線分析

在InfraWorks 中可以提供基于真實(shí)環(huán)境的三維地形模型，并極其方便地進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施要素建模，在這種三維環(huán)境下，能夠快速地創(chuàng)建逼真的城市道路三維模型，最后完成整個(gè)項(xiàng)目的三維數(shù)字模型的創(chuàng)建。InfraWorks 可以利用CAD 地形圖、GIS 數(shù)據(jù)等建立三維地形模型，也可以從Map 3D、Civil 3D、Revit、3dsMax 等軟件中導(dǎo)入設(shè)計(jì)模型，最后將以數(shù)據(jù)庫(kù)形式保存，同時(shí)也支持 Oracle 等數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)入。在InfraWorks 中可以創(chuàng)建概念設(shè)計(jì)要素，繪制概念道路、道路隔離帶、建筑、景觀、河流等其他基礎(chǔ)設(shè)施模型，并且可以評(píng)估初步工程數(shù)量、分析區(qū)域用途、進(jìn)行高程分析等。有了真實(shí)的設(shè)計(jì)場(chǎng)景之后，可以利用InfraWorks 的相關(guān)路線可視化設(shè)計(jì)功能，使設(shè)計(jì)師在三維環(huán)境中直接進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)城市道路，并且可以在同一模型中創(chuàng)建多種路線規(guī)劃設(shè)計(jì)方案，使用可視化展示其設(shè)計(jì)方案。InfraWorks 的設(shè)計(jì)分析功能，還可以在方案設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行各種分析，如交通模擬、移動(dòng)模擬等，以驗(yàn)證其可行性，并修改缺陷，進(jìn)行道路設(shè)計(jì)優(yōu)化。InfraWorks 可以有效地整合Revit 軟件和Civil 3D 軟件中的模型，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和整合，從而讓城市道路整體規(guī)劃設(shè)計(jì)更為精確。橋梁、隧道等結(jié)構(gòu)物可在InfraWorks 中直接草繪，也可在 Revit 軟件中進(jìn)行精細(xì)設(shè)計(jì)，最后以 FBX 格式導(dǎo)入到InfraWorks 中整合設(shè)計(jì)。

InfraWorks 可以分析道路設(shè)計(jì)成果中不合理以及需要調(diào)整的地方，再導(dǎo)出到Civil 3D 軟件中修改，以此反復(fù)設(shè)計(jì)，直到設(shè)計(jì)成果符合設(shè)計(jì)要求，最后導(dǎo)入Civil 3D 中進(jìn)行施工圖深化設(shè)計(jì)。InfraWorks 提供的漫游瀏覽及展示功能，能提供交互式漫游，實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)。同時(shí)快速切換不同方案，進(jìn)行方案比選，并進(jìn)行效果展示。使用超鏈接和工具提示，快捷地了解建設(shè)信息，后期可以輕松制作經(jīng)過(guò)渲染的圖片和動(dòng)畫(huà)，見(jiàn)圖1。

圖1 基于InfraWorks的設(shè)計(jì)流程Fig.1 Design flow based on InfraWorks

2 城市道路場(chǎng)地建模

2.1 城市道路地形曲面建模方法

軟件所有操作都是基于曲面基礎(chǔ)上進(jìn)行的[2]，InfraWorks 支持整個(gè)規(guī)劃區(qū)域的大范圍的三維場(chǎng)地建模，保證了設(shè)計(jì)的真實(shí)性和有效性，根據(jù)規(guī)劃設(shè)計(jì)階段前期所掌握的地形資料不同，可以采用以下3 種方法布置前期地形。

①在InfraWorks 的模型生成器中，可以免費(fèi)下載低精度的地形數(shù)據(jù)和地面圖像，其精度取決于模型生成器的精度。這種模型中包含三維地形曲面、地面圖像、重要構(gòu)造物、道路等模型元素。滿(mǎn)足要求不高的情況，方便、快捷，但模型精度較低。

②可在免費(fèi)的地圖下載器中下載地形數(shù)據(jù)和地面圖片。例如在LocaSpaceViewer 下載交通道路項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)的地形，再選擇范圍內(nèi)的圖片，生成地形文件。最后以Raster 格式導(dǎo)入InfraWorks 中，疊合生成地形模型。以這種方式生成的模型精度較高，圖片清晰度高，但路網(wǎng)、建筑模型等無(wú)法生成，需要在InfraWorks 中創(chuàng)建。

③以上兩種講的是，在既無(wú)地形數(shù)據(jù)又無(wú)地形圖片情況下創(chuàng)建地形模型的方法。在做項(xiàng)目時(shí)，通常會(huì)收到具有高程點(diǎn)和等高線等的地形數(shù)據(jù)。在這種情況下，需要在Civil 3D 中，根據(jù)已有的地形數(shù)據(jù)，創(chuàng)建地形曲面，并做適當(dāng)?shù)奶幚?，剔除其中不合理的?shù)據(jù)，然后給曲面指定一個(gè)坐標(biāo)系。把從地圖下載器中下載的，或者由勘測(cè)單位提供的曲面范圍內(nèi)的地形圖片，通過(guò)Raster Tools 插件導(dǎo)入到Civil 3D 中，先把它與地形曲面完全疊合在一起，再調(diào)整圖片的坐標(biāo)，使曲面與圖片坐標(biāo)一致，最后把定位好的曲面和圖片分別導(dǎo)入InfraWorks 中，生成地形模型。這種方法生成的地形最精確，擬合度高，適合大部分項(xiàng)目要求。InfraWorks 中生成的三維場(chǎng)地如圖2 和圖3 所示。

圖2 原始地形曲面Fig.2 Original terrain surface

圖3 加上地面圖像的地形曲面Fig.3 Terrain surface with ground image

2.2 城市道路場(chǎng)地環(huán)境布置

城市道路路線規(guī)劃設(shè)計(jì)需要真實(shí)的基礎(chǔ)環(huán)境，快速創(chuàng)建高度真實(shí)的環(huán)境是十分重要的，可以提高整個(gè)流程的設(shè)計(jì)效率。如果僅僅利用InfraWorks 進(jìn)行所有房屋、草木的制作，工程量會(huì)十分龐大，同時(shí)軟件中道路、河流的對(duì)象庫(kù)較為單一，可利用Civil 3D 在規(guī)劃圖的基礎(chǔ)上提前對(duì)周邊道路進(jìn)行設(shè)計(jì)再導(dǎo)入InfraWorks 中效果會(huì)更佳[6]。規(guī)劃CAD 矢量圖與光柵圖通過(guò)Autodesk Raster Design 軟件進(jìn)行匹配，匹配之后通過(guò)生成的.jgw 坐標(biāo)文件，為建筑物及道路指定坐標(biāo)，然后導(dǎo)入InfraWorks 中。這種方法可以大范圍快速地創(chuàng)建簡(jiǎn)單模型，節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間，效果如圖4所示。

Infraworks 軟件自帶的材質(zhì)庫(kù)和模型庫(kù)有許多不同的材質(zhì)、配景以及建筑立面風(fēng)格可直接套用[7]，可以手動(dòng)放置內(nèi)置的各種建筑模型，建模速度也比較快。如果使建筑物更加逼真，可使用Revit 平臺(tái)進(jìn)行精細(xì)化建筑物，添加各種材質(zhì)和裝飾，做出來(lái)的效果也最好，還可以為一些重要建筑物添加超鏈接，直接點(diǎn)取建筑物的重要信息，儲(chǔ)存并分析信息。為了使模型更加完整和美觀，可以再設(shè)置添加上警示牌、樹(shù)木、路燈等其他附屬設(shè)施，最后完成符合現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)環(huán)境如圖5 所示。

圖4 快速創(chuàng)建建筑模型Fig.4 Building model created quickly

圖5 三維真實(shí)場(chǎng)景效果圖Fig.5 3D real scene rendering

3 基于InfraWorks 的城市道路的路線規(guī)劃設(shè)計(jì)方法

InfraWorks 可以在已經(jīng)確定的道路規(guī)劃條件下，科學(xué)地研究和設(shè)計(jì)某條路線的具體幾何線形和結(jié)構(gòu)構(gòu)造，包括路線的起始方案、管網(wǎng)及附屬設(shè)施布設(shè)等。在 InfraWorks 中建立三維真實(shí)場(chǎng)地之后，就可以基于三維場(chǎng)地模型中的路線控制點(diǎn)及周邊條件，高效率宏觀地進(jìn)行城市道路路線規(guī)劃設(shè)計(jì)。

3.1 路線平面設(shè)計(jì)

在InfraWorks 中，可以根據(jù)已有設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行實(shí)體路線設(shè)計(jì)，確保設(shè)計(jì)出來(lái)的線路符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求，道路模型精度及可行性較高，這是InfraWorks 優(yōu)勢(shì)之一。在三維場(chǎng)地中，利用道路設(shè)計(jì)命令，基于路線控制點(diǎn)及真實(shí)的周邊環(huán)境，可以直接在三維場(chǎng)地中進(jìn)行平面幾何線形設(shè)計(jì)，確定路線基本起始走向，并且通過(guò)直接拖拽，進(jìn)行細(xì)部微調(diào)，確保設(shè)計(jì)符合規(guī)劃要求，與地形地物相適應(yīng)，從而獲得初步路線方案設(shè)計(jì)。城市道路的平面幾何線形由直線、圓曲線和緩和曲線等組成，并在InfraWorks 中設(shè)置它們的規(guī)范長(zhǎng)度，確保設(shè)計(jì)的可實(shí)施性；如果有不合理的地方，可以直接在軟件中拖動(dòng)設(shè)計(jì)中心線，不斷地調(diào)整路線空間位置，觀察不同的路線路由方案對(duì)周?chē)h(huán)境的影響，以及是否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，如圖6 所示。

圖6 路線平面線形設(shè)計(jì)及動(dòng)態(tài)調(diào)整Fig.6 Horizontal alignment design and dynamic adjustment

3.2 路線縱斷面初步設(shè)計(jì)

根據(jù)建立的路線方案，可自動(dòng)提取路線中心線對(duì)應(yīng)原始地面線，利用InfraWorks 的縱斷面視圖，進(jìn)行方案初步的縱斷面設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖7。使用豎曲線創(chuàng)建工具，結(jié)合最大坡度、坡長(zhǎng)限制，根據(jù)大致確定的路線高程，確定道路的坡度、豎曲線長(zhǎng)度，并通過(guò)平縱聯(lián)動(dòng)，動(dòng)態(tài)觀察各斷面填挖方情況。經(jīng)對(duì)比分析，實(shí)時(shí)調(diào)整坡度坡長(zhǎng)，最終確定合理的縱斷面[8]。InfraWorks初步設(shè)計(jì)完成后，再導(dǎo)入到 Civil 3D 軟件中進(jìn)行深化設(shè)計(jì)。

圖7 路線縱斷面初步設(shè)計(jì)Fig.7 Preliminary design of route profile

3.3 道路橫斷面精細(xì)化設(shè)計(jì)

城市道路的橫斷面設(shè)計(jì)內(nèi)容包括路基、橋梁、隧道等。在 InfraWorks 中可以進(jìn)行路基橫斷面的精細(xì)化設(shè)計(jì)，根據(jù)不同的路段，確定設(shè)計(jì)出相應(yīng)的路基橫斷面尺寸和樣式，滿(mǎn)足特殊要求，如圖8 所示。根據(jù)地形地物及設(shè)計(jì)規(guī)范確定橋梁、隧道的里程位置，在InfraWorks 中，編輯橋梁、隧道的樣式，在模型中進(jìn)行繪制和調(diào)整。對(duì)于一些特殊重點(diǎn)的路段，如果InfraWorks 中橋梁、隧道的樣式不符合項(xiàng)目要求，還可以在Revit 平臺(tái)中進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，對(duì)于重點(diǎn)地段的梁體、橋墩、橋臺(tái)以及附屬設(shè)施模型參數(shù)化建模，精確拼裝，再導(dǎo)入InfraWorks 中，以確保城市道路設(shè)計(jì)符合要求，如圖9 所示。

圖8 道路橫斷面設(shè)計(jì)Fig.8 Design of road cross section

圖9 道路橫斷面類(lèi)型效果圖Fig.9 Effect drawing of road cross section type

3.4 道路交通優(yōu)化設(shè)計(jì)

在完成城市道路初步設(shè)計(jì)之后，可以進(jìn)一步對(duì)道路模型進(jìn)行視距分析、交通仿真模擬等方法檢驗(yàn)和修改，從而獲得一個(gè)更加科學(xué)可行的設(shè)計(jì)方案。進(jìn)行視距分析，這將有助于識(shí)別受遮擋物影響的視線盲點(diǎn)或視線障礙區(qū)，得到不同的視線區(qū)域。用不同顏色表示車(chē)道上的安全區(qū)域和視線受影響區(qū)域，淺藍(lán)色表示能見(jiàn)度良好的區(qū)域，黃色表示所需目標(biāo)點(diǎn)被遮擋的視線障礙區(qū)，深色區(qū)域表示視線問(wèn)題可能導(dǎo)致事故發(fā)生的潛在事故區(qū)。

InfraWorks 的交通仿真模擬包括交通模擬和移動(dòng)性模擬兩種。它們可以分析交叉口的交通流量，并使用不同的顏色呈現(xiàn)分析結(jié)果，并且輸出交通模擬動(dòng)畫(huà)，動(dòng)態(tài)觀察。使用“交通分析”面板指定高級(jí)需求矩陣、縱斷面、車(chē)輛類(lèi)型、驅(qū)動(dòng)程序類(lèi)型和其他變量，然后運(yùn)行程序得到結(jié)果，分析和判斷道路的服務(wù)水平和通行能力。移動(dòng)模擬是適用于InfraWorks 的集成多模態(tài)移動(dòng)性模擬引擎。使用移動(dòng)模擬可創(chuàng)建交通、停車(chē)場(chǎng)、行人等的動(dòng)畫(huà)模擬，直觀地判斷所設(shè)計(jì)道路的交通運(yùn)行情況。并能得到關(guān)鍵性能指標(biāo)報(bào)告(如行人所用時(shí)長(zhǎng)、行人所經(jīng)過(guò)的公里數(shù)以及經(jīng)濟(jì)和環(huán)境評(píng)估等)，以Excel 和PDF 導(dǎo)出，為綜合評(píng)價(jià)提供了參考指標(biāo)。通過(guò)以上分析方法，可以找出設(shè)計(jì)中不合理之處，分析問(wèn)題產(chǎn)生的原因，進(jìn)而做出改進(jìn)。與傳統(tǒng)的二維計(jì)算機(jī)輔助手段相比，這種優(yōu)化方法更直觀、更有效，節(jié)約時(shí)間，提高了工作效率和質(zhì)量，如圖10至圖14。

圖10 交通控制參數(shù)輸入Fig.10 Input of traffic control parameters

圖11 視距分析Fig.11 Line of sight analysis

圖12 交通模擬分析Fig.12 Traffic simulation analysis chart

圖13 移動(dòng)模擬分析Fig.13 Mobile simulation analysis

圖14 交通報(bào)告表格分析Fig.14 Traffic report form analysis

3.5 方案設(shè)計(jì)成果展示

為了進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)精度，可以將InfraWorks的設(shè)計(jì)成果導(dǎo)入到 Civil 3D 軟件中進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，如豎曲線設(shè)計(jì)、復(fù)雜多級(jí)邊坡設(shè)計(jì)等，再將完善后的設(shè)計(jì)成果以 IMX 文件重新導(dǎo)入 InfraWorks中，瀏覽和展示最新的設(shè)計(jì)成果。城市規(guī)劃所需的模型可以利用Revit 內(nèi)建族自建，路燈、管網(wǎng)、交通指示牌等常見(jiàn)設(shè)施，同樣可以通過(guò)不同專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)師的建立導(dǎo)入進(jìn)來(lái)[9]，這樣不但可以直觀清楚地展示設(shè)計(jì)成果，而且還可以在以后的施工圖設(shè)計(jì)階段，減少出錯(cuò)率。InfraWorks 一方面基于精確的地形模型實(shí)施規(guī)劃設(shè)計(jì)，另一方面考慮到各種規(guī)劃設(shè)計(jì)中所出現(xiàn)的問(wèn)題，道路、橋梁和隧道的布置與周邊建筑和交通的相融狀態(tài)直觀地呈現(xiàn)在模型中。Infraworks 軟件有較好的三維動(dòng)態(tài)交互操作功能[10]，同時(shí)通過(guò)分析生成各種報(bào)表和指標(biāo)，可為方案決策提供更直觀的依據(jù)。此外，Infraworks 軟件還搭載了云平臺(tái)，可以在手機(jī)和平板電腦等移動(dòng)終端上瀏覽已經(jīng)建立的三維模型，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工人員技術(shù)交底大有裨益[11]。

圖15 完成后的城市道路效果圖Fig.15 Effect drawing of urban road after completion

4 結(jié) 語(yǔ)

在本研究中，筆者介紹了一種全新的基于BIM的城市道路規(guī)劃設(shè)計(jì)方法，并對(duì)具體的設(shè)計(jì)方法做出了詳細(xì)介紹。以InfraWorks 為基礎(chǔ)，研究了利用BIM交互設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行城市道路項(xiàng)目的三維場(chǎng)地建模、路線平、縱、橫規(guī)劃設(shè)計(jì)、道路優(yōu)化設(shè)計(jì)、方案設(shè)計(jì)成果動(dòng)態(tài)展示等，在規(guī)劃和方案設(shè)計(jì)階段，實(shí)現(xiàn)了城市道路的BIM 解決方案。

本論文研究的設(shè)計(jì)方法以三維數(shù)據(jù)模型為最終設(shè)計(jì)成果，能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)修改設(shè)計(jì)和展示，并能提供數(shù)據(jù)進(jìn)行效果分析，可以獲得精準(zhǔn)可行的設(shè)計(jì)方案，而不是以往的空洞效果圖。BIM 模型設(shè)計(jì)比起單一的常規(guī)二維平面設(shè)計(jì)更直觀，更有說(shuō)服力，有利于讓項(xiàng)目各方清楚地了解城市道路項(xiàng)目設(shè)計(jì)成果，消除分歧。同時(shí)，利用InfraWorks 的多方案設(shè)計(jì)功能，實(shí)現(xiàn)了不同設(shè)計(jì)方案比選，有利于決策者最終確定設(shè)計(jì)方案。這種設(shè)計(jì)方法可以作為BIM 正向設(shè)計(jì)的一部分，為后續(xù)的城市道路BIM 深化設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。