BIM技術(shù)在城市道路建設(shè)中的應(yīng)用研究★

沙 莎

(三江學(xué)院土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210012)

0 引言

隨著城市建設(shè)進(jìn)程的不斷加快，道路工程建設(shè)也在不斷發(fā)展。在實(shí)際工作當(dāng)中，城市道路建設(shè)管理中存在著眾多的制約因素，限制了城市道路建設(shè)的發(fā)展。主要表現(xiàn)在以下方面：

1)道路工程建設(shè)涉及項(xiàng)目多且復(fù)雜，其信息傳遞過程較為復(fù)雜，傳播效率低下，對(duì)于決策的發(fā)布具有不利影響；2)信息化建設(shè)及管理體系程度低下，不利于后期道路運(yùn)行維護(hù)管理的效率。多個(gè)因素綜合影響，制約了“智慧交通”體系的建設(shè)和發(fā)展。目前，隨著BIM技術(shù)的發(fā)展以及GIS技術(shù)的不斷成熟，兩種技術(shù)相結(jié)合使得城市道路建設(shè)實(shí)現(xiàn)信息化、可視化管理成為可能[1-3]。以某城市道路建設(shè)為研究對(duì)象，對(duì)BIM+GIS技術(shù)在城市道路建設(shè)中的應(yīng)用進(jìn)行研究。

1 工程概況

選取項(xiàng)目為某城市在建道路，該道路建設(shè)可溝通城市各區(qū)縣之間的聯(lián)系，對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展具有十分重要的意義。但同時(shí)，道路路線長(zhǎng)、涉及范圍廣，工程建設(shè)以及后期管理難度較高，前期建設(shè)信息化系統(tǒng)十分重要。因此，在工程設(shè)計(jì)階段充分利用了BIM技術(shù)，構(gòu)建項(xiàng)目所在區(qū)域三維地形、橋梁模型，同時(shí)結(jié)合GIS技術(shù)，搭建城市道路信息化管理系統(tǒng)。從而建立基于BIM模型的多源數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)對(duì)道路工程的信息化管理。

2 構(gòu)建BIM模型

2.1 構(gòu)建三維地形曲面模型

目前，Givil3D軟件是三維地形構(gòu)件過程中極為常用的軟件，具有建模效率高等優(yōu)勢(shì)。構(gòu)建三維地形曲面是實(shí)現(xiàn)道路建模的關(guān)鍵步驟，通過該模型，有利于計(jì)算道路建設(shè)過程中涉及到的土石方量。同時(shí)，模型的精細(xì)程度對(duì)后續(xù)道路運(yùn)行、管理以及維護(hù)也具有重要的影響。因此，為了提高模型精度，在現(xiàn)場(chǎng)使用三維激光掃描獲取激光點(diǎn)云文件，該文件地形精度高，作為建模的初始數(shù)據(jù)可提高模型精度，以滿足后期使用的要求[4]。

2.2 構(gòu)建道路模型

道路模型構(gòu)建與地形模型構(gòu)建一樣，也采用Givil3D軟件完成。道路模型構(gòu)建流程如下：道路平面設(shè)計(jì)→道路縱斷面設(shè)計(jì)→超高編輯→裝配數(shù)據(jù)創(chuàng)建→道路模型生成。道路模型創(chuàng)建過程中需要注意如下要點(diǎn)：針對(duì)地形起伏較大、主干道與支干道銜接部位，需要進(jìn)行細(xì)化處理，提高模型與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的切合程度，從而提高模型在實(shí)際工程當(dāng)中的實(shí)用性。道路模型建設(shè)時(shí)，需要充分融入工程的實(shí)際數(shù)據(jù)。

2.3 構(gòu)建橋梁模型

橋梁模型建設(shè)過程中，主要采用Revit軟件，該軟件在橋梁模型建設(shè)中較為常用，利用Revit軟件中的Dynamo模塊以及Pvthon模塊可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)化構(gòu)建橋梁模型，大大提高模型構(gòu)建的效率，同時(shí)也有利于技術(shù)人員對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修改，避免了后期的重復(fù)建模，對(duì)工作效率的提升有重要的促進(jìn)作用。橋梁是道路工程建設(shè)的重要組成部分，本工程橋梁數(shù)量較多，特征明顯，結(jié)合相關(guān)橋梁對(duì)橋梁建模進(jìn)行分析。

2.3.1 常規(guī)橋梁結(jié)構(gòu)拆分

進(jìn)行常規(guī)橋梁模型建模的過程中，首先需要計(jì)算工作階段的差異性，在獲取差異性的基礎(chǔ)上，計(jì)算常規(guī)橋梁模型的精細(xì)程度，從而可以精細(xì)化拆分橋梁的各個(gè)構(gòu)建，常規(guī)橋梁結(jié)構(gòu)拆分流程如圖1所示。

2.3.2 橋梁族構(gòu)建

在橋梁族構(gòu)建的過程中，首先需要選取滿足工程實(shí)際要求的樣板，之后方可進(jìn)行橋梁實(shí)體的搭建。在Revit軟件中，空心形狀和實(shí)心形狀在模型創(chuàng)建中的算法不盡相同，因此，選取合適的命令是Revit軟件橋梁建模的關(guān)鍵步驟。不論是實(shí)心模型還是空心模型，均具備多種建模方法，建模過程中只需要選取合適的命令，即可實(shí)現(xiàn)快速建模。

橋梁結(jié)構(gòu)的變化主要體現(xiàn)在標(biāo)注尺寸的變化，可通過標(biāo)注尺寸改變橋梁結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)快速改變橋梁斜交角、縱坡等橋梁建模過程中較為繁雜的工作內(nèi)容。

2.3.3 橋梁結(jié)構(gòu)拼裝

在完成橋梁拼接的工作時(shí)，需要充分考慮到道路建設(shè)場(chǎng)地的實(shí)際情況。由于，本項(xiàng)目場(chǎng)地主要為狹長(zhǎng)場(chǎng)地，因此，在建模時(shí)采用大地坐標(biāo)體系構(gòu)建橋梁曲線線性，在施工過程中，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整坐標(biāo)、高程等內(nèi)容。同時(shí)，在橋梁拼裝過程中需要結(jié)合GIS技術(shù)，橋梁模型節(jié)點(diǎn)主要由坐標(biāo)信息控制。由于模型搭建時(shí)需要控制縱、橫坡結(jié)構(gòu)線型變化，為了提高工作效率使用Dynamo模塊完成該項(xiàng)工作，通過利用參數(shù)變化滿足空間曲線要求，從而完成橋梁模型的拼接工作。

Dynamo模塊在模型構(gòu)建過程中的方法較為繁瑣，同時(shí)也有可能產(chǎn)生人為原因造成的錯(cuò)誤。因此，在建模過程中結(jié)合Pvthon模塊，兩個(gè)模塊相結(jié)合從而實(shí)現(xiàn)橋梁模型的快速拼接。橋梁模型構(gòu)建成果如圖2所示。

3 基于BIM技術(shù)的公路建設(shè)管理平臺(tái)構(gòu)建

為了提高道路的信息化管理程度，以GIS技術(shù)為基礎(chǔ)，以BIM技術(shù)為核心構(gòu)建城市道路建設(shè)、管理的信息化平臺(tái)。

3.1 構(gòu)建模型管理模塊

模型管理模塊開發(fā)設(shè)計(jì)過程中可利用管理系統(tǒng)的WBS目錄結(jié)構(gòu)列表、搜索引擎等方法快速打開模型管理模塊，積極搜集模型建立所需要的數(shù)據(jù)。目前，模型管理模塊可以完成以下幾種功能：

1)根據(jù)施工進(jìn)度完成模塊劃分工作，以構(gòu)建模型所需要的最小構(gòu)件作為基礎(chǔ)，通過精確分類從而實(shí)現(xiàn)工程精細(xì)化管理工作；

2)將模型與WBS列表相互關(guān)聯(lián)，使用者可通過搜索命令快速查找所需要的信息；

3)建立可通過樁號(hào)搜索的功能，從而快速查找模型。

3.2 構(gòu)建施工過程管理模塊

施工過程管理模塊是道路工程建設(shè)管理信息化建設(shè)的重要工作內(nèi)容。施工過程管理的主要工作內(nèi)容包括：施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控、道路攤鋪管理等相關(guān)信息。通過建設(shè)信息化管理系統(tǒng)，可提高管理者監(jiān)督、管理的工作效率。

1)在道路工程壓路作業(yè)中，利用該系統(tǒng)的通訊模塊可實(shí)現(xiàn)與壓路機(jī)之間的溝通、對(duì)接，收集路基壓實(shí)過程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，利用通訊設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳與傳輸。通過系統(tǒng)自帶的數(shù)據(jù)處理功能，對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而計(jì)算路基壓實(shí)程度是否滿足相關(guān)規(guī)范、設(shè)計(jì)要求，有利于控制人工施工作業(yè)導(dǎo)致路基填筑厚度過大，從而造成費(fèi)用增加等現(xiàn)象。

2)道路工程路面攤鋪?zhàn)鳂I(yè)工程中，利用信息化管理系統(tǒng)與攤鋪機(jī)之間的聯(lián)系，通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)獲取設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況，在接收設(shè)備中的GNSS基站的差分信號(hào)結(jié)合激光設(shè)備信息反饋的高程信息，使用計(jì)算機(jī)軟件分析相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)GNSS系統(tǒng)的精準(zhǔn)定位，大可滿足平面厘米級(jí)精度，高程毫米級(jí)精度，從而控制路面攤鋪的平整程度，提高工程項(xiàng)目施工質(zhì)量。

3)道路工程樁基工程施工過程中，管理系統(tǒng)模塊可實(shí)現(xiàn)與鉆孔樁設(shè)備的聯(lián)系，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)樁基成孔的“厘米級(jí)”精度。同時(shí)，采用智能施工設(shè)備，可在施工過程中獲取樁基成孔的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過分析收集到的坐標(biāo)、垂直偏差、孔深等數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)分析，實(shí)現(xiàn)鉆孔作業(yè)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)、預(yù)警，若鉆孔超深則可自動(dòng)報(bào)警。該工作內(nèi)容可解決傳統(tǒng)工程施工過程中的偏差，有利于提升道路最終的施工質(zhì)量。

4)混凝土攪拌過程中，可利用該系統(tǒng)收集混凝土攪拌時(shí)的配合比、溫度、時(shí)間等數(shù)據(jù)，保證混凝土拌和質(zhì)量以滿足工程建設(shè)需求。

通過工程實(shí)例分析，采用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了道路建設(shè)過程中的施工進(jìn)度、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與反饋，可直觀獲知道路施工進(jìn)度，同時(shí)可及時(shí)反饋異常情況，可對(duì)工程施工全程進(jìn)行控制，工作效率較高。

3.3 構(gòu)建資料管理模塊

資料管理是工程建設(shè)施工中較為復(fù)雜但又極其重要的工作內(nèi)容。BIM技術(shù)中的多維數(shù)據(jù)庫(kù)是資料管理模塊建設(shè)的核心技術(shù)。Mysql關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)是資料管理模塊的基本組成部分，利用該數(shù)據(jù)庫(kù)可將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為表格型式輸入數(shù)據(jù)庫(kù)。同時(shí)，該數(shù)據(jù)庫(kù)還具備儲(chǔ)存文件、多媒體的功能。數(shù)據(jù)建立完成后，可利用搜索功能，快速查找內(nèi)容。為了保證工程數(shù)據(jù)的安全性，設(shè)置冗余備份模式。

3.4 協(xié)調(diào)性評(píng)價(jià)

協(xié)調(diào)性評(píng)價(jià)涉及內(nèi)容多、范圍廣，根據(jù)前人研究成果，可將協(xié)調(diào)性用Ci表示，若Ci為道路建設(shè)用地的協(xié)調(diào)性，則其中包含多個(gè)指標(biāo)Cij。假設(shè)道路工程協(xié)調(diào)性包括n個(gè)方面內(nèi)容，則其中的i個(gè)方面共計(jì)有mi個(gè)指標(biāo)。因此，道路工程所涉及的協(xié)調(diào)性指標(biāo)數(shù)量按下式計(jì)算:

(1)

在評(píng)價(jià)道路工程施工協(xié)調(diào)性的過程中，需要收集建設(shè)方案信息和地理信息，之后建立 BIM和GIS模型，將提取的數(shù)據(jù)收集后，輸入至BIM-GIS系統(tǒng)內(nèi)，之后在所建立的平臺(tái)中獲取道路的基本信息和地理信息。采用計(jì)算機(jī)軟件分析獲取指標(biāo)Cij，最后將Cij與要求指標(biāo)Rij對(duì)比，公式如下：

Cij∈Rij(i=1,2,3,…，n;j=1,2,3,…,n)

(2)

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)工程建設(shè)具有協(xié)調(diào)性。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合某城市道路工程建設(shè)，建立基于BIM+GIS的道路工程建設(shè)、管理信息化系統(tǒng)，利用不同的模塊可實(shí)現(xiàn)人員的后續(xù)修改與設(shè)計(jì)。同時(shí)，利用該管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)道路建設(shè)的可視化管理，實(shí)時(shí)收集和儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。同時(shí)，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)分析、處理收集到的數(shù)據(jù)信息，及時(shí)反饋，有利于提高道路工程施工質(zhì)量，提高工程管理效率。利用BIM+GIS相結(jié)合的技術(shù)，對(duì)道路工程設(shè)計(jì)、施工、管理具有重要的意義。