BIM技術(shù)在城鎮(zhèn)公路勘察設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

□ 何永志

21世紀(jì)以來，我國(guó)公路建設(shè)發(fā)展迅猛，城鎮(zhèn)公路勘察設(shè)計(jì)三維模型的標(biāo)準(zhǔn)化是把BIM技術(shù)和城市道路征集設(shè)計(jì)結(jié)合起來，以達(dá)到共同發(fā)展的目的。

工程信息模型（BIM）在國(guó)內(nèi)外建筑業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，具體表現(xiàn)在工程規(guī)劃、測(cè)量和施工、施工和監(jiān)測(cè)、運(yùn)行和維護(hù)等工程全過程的運(yùn)用，大大提升了整個(gè)工程行業(yè)的工作效率和質(zhì)量。

在我國(guó)公路勘察設(shè)計(jì)行業(yè)中，對(duì)BIM的研究與應(yīng)用尚處于起步階段。BIM是基于數(shù)據(jù)互操作的，在不同的技術(shù)任務(wù)下，如何實(shí)現(xiàn)公路三維模型的標(biāo)準(zhǔn)化和信息交換，并最終實(shí)現(xiàn)BIM技術(shù)與城市公路勘察設(shè)計(jì)的協(xié)同配合，是公路勘察設(shè)計(jì)領(lǐng)域的核心技術(shù)問題。

1 概念淺析

1.1 BIM技術(shù)與公路工程勘察設(shè)計(jì)

BIM技術(shù)經(jīng)常被用于分析、操作和提供設(shè)計(jì)和建造資源，同樣可以應(yīng)用到公路工程勘察設(shè)計(jì)中，可提高設(shè)計(jì)和施工效率，避免實(shí)際施工中不必要的安全隱患和風(fēng)險(xiǎn)。BIM建筑信息模型技術(shù)的特點(diǎn)十分突出，可概括為整體性、相關(guān)性、一致性、可視化、設(shè)置性、模擬性、優(yōu)化性、致盲性。

1.2 公路勘測(cè)施工

公路運(yùn)輸技術(shù)領(lǐng)域的主要工作是地質(zhì)勘探和制圖、遙感圖像分析、物探、地質(zhì)土質(zhì)提取和城鎮(zhèn)公路試驗(yàn)。根據(jù)一系列的前期研究工作進(jìn)行分析、總結(jié)，并完成最后的研究和計(jì)劃，獲得道路交通技術(shù)研究報(bào)告。

2 城鎮(zhèn)公路BIM三維模型建模分析

2.1 城鎮(zhèn)公路三維模型的建模

城鎮(zhèn)公路目前在設(shè)計(jì)階段很難建立一個(gè)三維的模型來完成其整個(gè)生命周期的各種任務(wù)，但是，層次建模方法如LOD（詳細(xì)層次）可被用來完成盡可能多的任務(wù)。按照BIM模型的應(yīng)用任務(wù)，可利用模型的幾何信息和屬性信息，建立相應(yīng)的城鎮(zhèn)公路設(shè)計(jì)空間分布圖。

DEM-TIN模型主要關(guān)注自然條件，例如地形、地質(zhì)、地貌、生態(tài)；生成三維城市道路模型，強(qiáng)調(diào)對(duì)設(shè)計(jì)路徑的概念和管理，例如道路、橋梁、隧道、服務(wù)設(shè)施等；用四維（時(shí)間維）表示建筑水平管理，改變模型顏色或其他功能。路線規(guī)劃完成后，各個(gè)部件的三維模型可以根據(jù)設(shè)計(jì)方案快速重構(gòu)[1]。

2.2 數(shù)據(jù)建模方法

城鎮(zhèn)公路技術(shù)勘察設(shè)計(jì)項(xiàng)目主要分為新建、改建兩類?？睖y(cè)范圍通常包括改擴(kuò)建工程現(xiàn)場(chǎng)和現(xiàn)有的主要建筑物，如道路、橋梁、隧道等。當(dāng)前我國(guó)公路勘察設(shè)計(jì)階段雖然可以建立三維模型，但后期對(duì)層次LOD建模要求很高。在BIM咨詢的整個(gè)生命周期中，模型的豐富性和細(xì)節(jié)性是其設(shè)計(jì)的主旋律，所以要盡量避免重復(fù)建模和模型信息沖突。

結(jié)合現(xiàn)有的道路測(cè)量技術(shù)和CAD技術(shù)，通常從道路現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和三維模型庫(kù)中提取道路BIM模型，構(gòu)建現(xiàn)有道路和道路走廊的三維模型。建設(shè)信息模型幾何信息和紋理特征可用于現(xiàn)有地形和道路模型。

（1）衛(wèi)星測(cè)量系統(tǒng)。在立體測(cè)繪中，采用0.5m以上分辨率的衛(wèi)星圖對(duì)其進(jìn)行加工，然后在此基礎(chǔ)上利用衛(wèi)星影像生成地表構(gòu)造，建立3D模型，進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害遙感解析，該方法在初步設(shè)計(jì)或者方案比選中應(yīng)用性較強(qiáng)[2]。

（2）航空攝影測(cè)量。采用超過1∶2000比例尺的數(shù)字地形圖，以滿足公路建設(shè)需要。

（3）三維激光測(cè)量。三維激光技術(shù)有如下特點(diǎn)，有較強(qiáng)的植物穿透能力、有采集點(diǎn)三維坐標(biāo)的能力、速度快、精度高。該方法運(yùn)用靈活，數(shù)據(jù)處理周期短，非常適合城市道路的三維建模。

以城鎮(zhèn)道路為對(duì)象的三維建模中，地面測(cè)量和無人機(jī)測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)各異。在地形、互通立交、路基、路面、橋梁等環(huán)節(jié)的測(cè)量中，可以采用直升機(jī)、無人機(jī)以及小型運(yùn)輸機(jī)的測(cè)量方法。其采集結(jié)果用DOM或三維激光點(diǎn)云呈現(xiàn)，能夠滿足公路設(shè)計(jì)和現(xiàn)有路面的探測(cè)要求。機(jī)載激光測(cè)量技術(shù)為1772cm能夠符合城鎮(zhèn)公路改建要求。在無遮擋的道路基礎(chǔ)設(shè)施如護(hù)欄、路面、標(biāo)線和隧道內(nèi)部橫斷面的測(cè)量上，可以以汽車為載體進(jìn)行測(cè)量，數(shù)據(jù)成果以全景彩色數(shù)字鏡像和三維激光點(diǎn)云進(jìn)行展示。然后，利用地勘鉆孔數(shù)據(jù)，運(yùn)用 AutoCAD技術(shù)、自動(dòng)三維建模技術(shù)，對(duì)線路廊道隧道周圍的巖體進(jìn)行三維建模[3]。利用激光測(cè)量、高分辨率衛(wèi)星測(cè)量和航空攝影測(cè)量等方法，獲得地表特征的三維信息。

3 勘察設(shè)計(jì)階段BIM協(xié)同設(shè)計(jì)

（1）模型坐標(biāo)單位。DEM提出了道路設(shè)計(jì)的三維模型和交通輔助設(shè)備的三維模型，用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的飛機(jī)坐標(biāo)系和高度坐標(biāo)系，既符合我國(guó)公路現(xiàn)有的設(shè)計(jì)習(xí)慣，又能滿足我國(guó)道路發(fā)展的需要，便于模型的碰撞檢測(cè)與分析和后續(xù)工程的設(shè)計(jì)與運(yùn)行[4]。

（2）現(xiàn)有公路一級(jí)模型的精確度。針對(duì)城鎮(zhèn)公路改擴(kuò)建工程計(jì)量要求的精確度和我國(guó)公路工程建設(shè)與養(yǎng)護(hù)管理的要求，提出了符合設(shè)計(jì)圖紙的精度要求，即高精度。就現(xiàn)階段來說，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度公路測(cè)量施工的只有三維激光技術(shù)，其在我國(guó)城鎮(zhèn)公路改建中有著重要作用。

（3）直觀管理模型。相較于CAD圖形，BIM模型的屬性信息和幾何信息更加豐富，如果使用Bentley和Revit軟件對(duì)BIM應(yīng)用進(jìn)行開發(fā)，應(yīng)該將包含屬性和幾何信息的對(duì)象信息打包成相應(yīng)的文件。BIM基于層次結(jié)構(gòu)LOD模型，針對(duì)工程信息不同任務(wù)的需求，提出了一種方便、高效、豐富的三維工程信息可視化方法。

（4）專業(yè)BIM協(xié)同設(shè)計(jì)。當(dāng)軟硬件水平相同時(shí)，BIM的應(yīng)用效果受到用戶使用BIM技術(shù)的能力限制。

4 勘察設(shè)計(jì)階段BIM應(yīng)用實(shí)踐

某城市公路改擴(kuò)建工程路線里程約191km，具有縱向分段、橫向分段的特點(diǎn)，施工形式多種多樣，路況復(fù)雜，運(yùn)輸量大，施工和技術(shù)難度較大，并且對(duì)于工期有著嚴(yán)苛的要求。在該項(xiàng)目中，為了獲取既有路面的地面信息，相關(guān)工作人員使用機(jī)載激光三維測(cè)量技術(shù)對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，并實(shí)現(xiàn)了公路 BIM可視化。

機(jī)載3D激光測(cè)量技術(shù)能夠?qū)返乇淼娜S數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)獲取，同時(shí)還能嚴(yán)格控制數(shù)據(jù)測(cè)量精度，使其符合相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。另外，由于不同路段的實(shí)際情況不同，也采用了車載設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，由此獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)為構(gòu)件BIM模型提供了有效依據(jù)[5]。

在該公路的勘察設(shè)計(jì)中，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理以及對(duì)所有DOM的處理均采用統(tǒng)一的平面坐標(biāo)系。在處理地面表密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)和正射影響之后，按照不同比例尺要求，根據(jù)所采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和DOM數(shù)據(jù)，構(gòu)件DEM多級(jí)分辨率模型，以此為不同設(shè)計(jì)方案的選擇和公路工程路線的選擇提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。另外，公路工程的路面以及相關(guān)橋梁的點(diǎn)云模型在BIM模型中也得以應(yīng)用。在Auto CAD條件下，設(shè)計(jì)人員可以將BIM模型和彩色分辨率為0.2m的DOM模型進(jìn)行共享，以實(shí)現(xiàn)其在模型中的有效集成。

此外，所有比例尺條件下的DEN模型也可以利用Bentley平臺(tái)進(jìn)行導(dǎo)入。使相關(guān)數(shù)據(jù)都能呈立體化展現(xiàn)狀態(tài)。在此背景下，設(shè)計(jì)人員就可以根據(jù)不同的路線樁號(hào)展開詳細(xì)設(shè)計(jì)，便捷地獲取原路面數(shù)據(jù)和相關(guān)地形，并自動(dòng)實(shí)現(xiàn)提取既有車道標(biāo)線。結(jié)合Bentley平臺(tái)和Highway、Las等設(shè)計(jì)軟件，以BIM精細(xì)模型為基礎(chǔ)，方便快捷地完成公路改建設(shè)計(jì)。BIM模型還可以成為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)成果展示平臺(tái)和共享平臺(tái)，通過與CAD軟件的聯(lián)合，將設(shè)計(jì)方案直接導(dǎo)入CAD中[6]。

5 結(jié)語

針對(duì)BIM三維建模圖像設(shè)計(jì)的核心特點(diǎn)及數(shù)據(jù)交互，對(duì)城鎮(zhèn)公路工程BIM設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步的探索和應(yīng)用。今后我國(guó)對(duì)公路信息商務(wù)軟件的整合、設(shè)計(jì)與施工管理、標(biāo)準(zhǔn)體系的建立、BIM設(shè)計(jì)的效率與質(zhì)量等方面的研究和發(fā)展還有待業(yè)界的共同推動(dòng)。

目前，BIM技術(shù)在城鎮(zhèn)道路工程中的應(yīng)用還處于起步階段。實(shí)現(xiàn)公路勘察設(shè)計(jì)信息流在公路生命周期BIM中的應(yīng)用，將成為現(xiàn)代公路建設(shè)的迫切需要，為公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)創(chuàng)造更多的技術(shù)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。