BIM技術(shù)在市政道路設計中的應用研究

肖愛民

(中建五局第三建設有限公司，湖南長沙410006)

0 引言

自BIM 技術(shù)問世以來，已經(jīng)在很多領域得到應用，尤其在基礎建設領域，相關從業(yè)者為應對知識經(jīng)濟的挑戰(zhàn)，提高行業(yè)的競爭力，正快速向BIM 領域轉(zhuǎn)型。隨著信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展以及建筑領域中BIM技術(shù)的成熟，在市政道路領域，傳統(tǒng)的CAD（計算機輔助設計）技術(shù)將在不久的將來被信息智能BIM 技術(shù)所取代，建筑信息模型相關技術(shù)的應用也越來越多，以期解決在道路設計過程中獲取數(shù)字化、自動化信息等相關問題[1]。這是目前基礎設施建設領域中被廣泛討論的熱點話題之一，也被認為是推動整個土木工程領域數(shù)字化發(fā)展的重要推動因素之一[2]。

1 BIM 的起源及概念

1.1 BIM 的起源

BIM 是英文Building Information Modeling 的縮寫，在建筑中直譯為建筑信息模型。該概念起源于30年前，由美國Georgia wave-tech College 的教授Chuck Eastman 提出。通過一段時間的信息技術(shù)發(fā)展，1982年，圖形公司開發(fā)了基于BIM 概念的ArchiCAD 軟件，但當時BIM 并非現(xiàn)在的BIM，而被稱為“虛擬建筑”。1984年，圖形化軟件引入了虛擬建筑模型的技術(shù)概念，用于ArchiCAD 軟件的架構(gòu)設計。但由于技術(shù)的限制，當時BIM 技術(shù)并沒有得到廣泛的推廣，3D 技術(shù)也沒有得到廣泛的應用，在土木工程領域的表現(xiàn)并不突出。直至近年來信息技術(shù)壁壘的打破，以及計算機硬件、軟件功能的提升，BIM 技術(shù)才真正開始引起人們的注意，并于2002年正式推出，相關功能也在近年來得到大幅度提升。由此，BIM 技術(shù)才得以實現(xiàn)它的真正價值。

1.2 BIM 的概念

BIM 是在三維數(shù)據(jù)模型中收集不同類型的工作部門之間的項目信息。在整個項目的生命周期中，BIM不僅僅是作為一個項目的三維體現(xiàn)，更能夠?qū)崿F(xiàn)項目的數(shù)字化呈現(xiàn)，提高項目的設計效率，并可在項目進行的任何階段對設計方案以及設計細節(jié)進行調(diào)整，以保持設計思路和設計過程的完美結(jié)合。

2 道路設計中應用BIM 技術(shù)的優(yōu)點

如在道路設計中，以建筑信息模型構(gòu)建的材料代表的不僅是虛擬物品，還能切實反應道路構(gòu)建真實狀態(tài)的三維數(shù)據(jù)屬性，除視覺構(gòu)建之外，它還可以是道路設計中的線型、道路瀝青的材料性能、道路路基的寬度等重要因素。在設計之初，通過BIM 技術(shù)還能夠?qū)⒌匦蔚孛布霸O計單元等重要參數(shù)快速呈現(xiàn)給設計人員。

同時，BIM 在輸出信息時，能盡可能反映BIM 的優(yōu)點：如可視化、協(xié)同作業(yè)、高維仿真等。具體表現(xiàn)在BIM 技術(shù)可以輸出各個不同角度的視圖，如道路的橫縱斷面圖、橫縱斷面剖面視圖等，同時還可以展現(xiàn)其他數(shù)據(jù)形式。除此之外BIM 最大的特點便是BIM 技術(shù)的高維模擬功能以及信息技術(shù)共享功能，高維模擬能夠使道路設計者直觀地了解設計中的道路參數(shù)及由設計或其他因素引發(fā)的問題。信息技術(shù)共享功能為傳統(tǒng)建筑工程領域的各個專業(yè)提供了良好的技術(shù)合作平臺。

3 BIM 技術(shù)在道路設計中的具體應用

3.1 地勘資料的收集

對比房屋建筑工程領域，道路工程的分布形式不一樣，基本為條狀分布；分布地區(qū)也與房屋建筑工程領域不同，道路工程多穿越區(qū)域河流、房屋建筑等，且路線距離較長，短則幾公里，長則上百公里；所處的地理、地質(zhì)環(huán)境也不同，房屋建筑領域工程概況較為單一，多為單一形地質(zhì)，而道路工程由于其跨度較長，穿越的工程地質(zhì)也更多更復雜，因此，在進行設計中，面臨的困難也越多，其建設活動的進展也將與該地區(qū)的原始地質(zhì)條件密切相關。BIM 技術(shù)在這一環(huán)節(jié)中的應用，主要是建立一個區(qū)域地質(zhì)模型，以顯示區(qū)域地形、土層變化等內(nèi)容。這也為后續(xù)發(fā)展的協(xié)作工作提供了參考條件。

所有獲得的測量數(shù)據(jù)，如區(qū)域地形、建筑、管道數(shù)據(jù)，將匯總到數(shù)字平臺上進行處理。以地形三維建模為例，利用軟件中的三角剖分網(wǎng)和等高線等有限的條件，可以整理出區(qū)域地形的坡度、相鄰山坡的分布及方向等，得到圖1所示的虛擬圖像。隨后，利用三維平傾斜進行細化，獲得可靠的分析結(jié)果。

圖1 道路所在區(qū)域BIM 三維地質(zhì)虛擬構(gòu)造示意圖

3.2 設計方案比選

在進行道路工程設計時，以進行最優(yōu)化方案選擇，為后續(xù)道路相關建設活動奠定基礎。而BIM 技術(shù)將充分結(jié)合它的優(yōu)勢，即道路設計過程中的數(shù)據(jù)可視化展現(xiàn)功能，建立一個虛擬的信息模型。主要內(nèi)容包括參與設計計劃、地理位置條件、社會經(jīng)濟發(fā)展等。在程序選擇過程中，它將調(diào)整其他開發(fā)因素來仿真過程中的視覺內(nèi)容，并根據(jù)仿真結(jié)果評估程序的可行性，進而進行最佳線路擇選。

3.3 設計建模

在進行設計建模時，首先進行數(shù)字建模。根據(jù)收集的地質(zhì)資料，進行測量點數(shù)計算，并由此完成三維模型的計算。在數(shù)字建模完成后，再進行相關路基路面建模，BIM 技術(shù)將利用現(xiàn)有的程序在道路建模處理中進行三維分析。在市政道路項目的水平、垂直設計完成后，路線內(nèi)容將在三維模型中進行拉伸，利用它可以實現(xiàn)各種點結(jié)構(gòu)的平滑連接，并規(guī)避相關建筑物的特點，通過構(gòu)建一個三維分析網(wǎng)絡實現(xiàn)立體建模。建模示意圖如圖2所示。由于BIM 技術(shù)道路設計應用的特殊性，在路基和路面建模的過程中，還應注意以下幾點：

圖2 三維模型示意圖

3.3.1 合理選擇特征點。主要特征點包括道路工程的邊緣點、道路工程的中心點、城市建筑等。此外，還需要對約束關系和特征點進行排序，為后續(xù)建模提供方便的條件。

3.3.2 組件結(jié)構(gòu)的選擇。在特征點選取完畢之后，為達到預期目標，宜對主要構(gòu)建進行選擇，這也是后期建模和分析的重要參考因素之一。

3.3.3 結(jié)束條件。它是一種用于解決路基限制條件的憑證，以獲得可靠的數(shù)據(jù)分析模型。

3.4 工程數(shù)量及成本計算

市政道路工程的設計施工過程包含的內(nèi)容眾多，其主要成本包含了占地費、設計費、人工費以及材料費。為明確工程成本，設計時，應將相關參數(shù)進行導入，包括基層作業(yè)、底層作業(yè)、土方開挖作業(yè)、路緣分布、地面作業(yè)等。在這些內(nèi)容的實際應用中，計算機也被用于完成數(shù)據(jù)集成，并使用云計算平臺進行計算。同時，BIM 技術(shù)還將在應用過程中建立虛擬模型，幫助計算機完成不同施工階段的成本核算，降低人工計算中的容錯率，并提高精度。此外，在工程量分析過程中建立的模型可以實現(xiàn)1∶1 的減少。

3.5 設計圖紙輸出

在道路工程同行業(yè)的設計中，一般由CAD 進行圖紙輸出，輸出圖形也多為低維空間模型，在進行輸出之后再將圖紙送審。但在此過程中，需耗費較大的人力、物力，造成不必要的經(jīng)濟財產(chǎn)損失。但在BIM 技術(shù)中，由于圖形的高維，BIM 的設計方案無須出具具體圖紙，便可以以虛擬模型進行高維視覺產(chǎn)出，這樣不僅有利于圖紙審核，也方便針對審核意見進行修改。由此，不僅可以給設計單位帶來經(jīng)濟效益，也利于業(yè)主單位參與整個設計過程，提高項目滿意度、可靠度，也使得整個過程具有較強的自動化特性，有助于降低時間成本。

4 結(jié)語

綜上所述，在道路設計過程中應用BIM 技術(shù)，一方面可以提高道路設計過程中的可靠性與合理性，另一方面也可以降低設計人員的工作量、有效提高設計人員的設計效率和提高工程作業(yè)的質(zhì)量，為工程創(chuàng)造價值。