BIM技術(shù)在道路工程設(shè)計中的應(yīng)用分析

葉國平

（蘭州新區(qū)市政投資管理集團(tuán)有限公司， 甘肅 蘭州 730314）

0 引言

當(dāng)前在建筑領(lǐng)域中應(yīng)用BIM技術(shù)，其信息建模技術(shù)提升了空間建筑的發(fā)展，為行業(yè)發(fā)展注入活力，也促進(jìn)了BIM技術(shù)的創(chuàng)新。在早期道路工程設(shè)計以CAD為主，2011年Shim等將BIM技術(shù)運用在橋梁設(shè)計中，建設(shè)3D橋梁模型，國內(nèi)也將BIM技術(shù)運用在高速公路隧道工程施工中，細(xì)化施工工序與步驟，根據(jù)參數(shù)等三維建模分析工程建設(shè)，提高了施工效率?，F(xiàn)階段運用在路橋施工設(shè)計中，初步取得理想效果，但在某種程度上具體施工過程中，還有待改進(jìn)和完善。

1 BIM技術(shù)的應(yīng)用概述

BIM技術(shù)主要是構(gòu)建建筑信息模型，將建筑設(shè)計從二維向三維方向轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)建筑信息化的立體應(yīng)用，包括幾何信息、現(xiàn)場動態(tài)信息、施工行為運動等，BIM技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛。我國從2001年引入該技術(shù)，受到政府、企業(yè)、行業(yè)協(xié)會等的重視。我國的城市更新、城鎮(zhèn)化、地下管廊等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，受到資源和環(huán)境的約束，對環(huán)保方面提出更高要求，所以應(yīng)該讓BIM技術(shù)的應(yīng)用發(fā)揮到最佳。

道路設(shè)計部分比較復(fù)雜，需要多個專業(yè)相互配合實現(xiàn)，具備系統(tǒng)性、復(fù)雜性、統(tǒng)籌性、交互性等特征。道路設(shè)計涉及到大量數(shù)據(jù)資料，在BIM設(shè)計中對道路設(shè)計，其設(shè)計流程和傳統(tǒng)設(shè)計形式并沒有較大差別，因此設(shè)計流程也很容易被人們接受。道路設(shè)計工作中，主要是基礎(chǔ)資料的收集與整理、分析，其中涉及到大量合同內(nèi)容、業(yè)主的需求、上位規(guī)劃分析、現(xiàn)場情況調(diào)查等。當(dāng)基礎(chǔ)資料整理完畢之后就可以進(jìn)行道路的平、縱、橫方案設(shè)計，設(shè)計主要目的是在控制各種因素的前提下選擇合理的平、中、縱面線形和橫斷面（形式）搭配。規(guī)避生產(chǎn)建設(shè)中的不利因素，保證規(guī)范合理，滿足質(zhì)量要求，保證工程施工安全。當(dāng)?shù)缆菲?、縱、橫方案初步確定之后，其他的專業(yè)設(shè)計則在這個基礎(chǔ)上完成，不同專業(yè)數(shù)據(jù)相互支撐矯正，不同專業(yè)交互設(shè)計之后設(shè)計成果即可匯總輸出，用來指導(dǎo)方案設(shè)計與施工（見圖1）。

圖1 BIM技術(shù)的全生命管理流程

BIM是一種新型生產(chǎn)理念，能將工程建設(shè)中各個工種與部門所掌握的信息高度集成在3D模型之內(nèi)，保證整體方案的設(shè)計、工程進(jìn)度、運營維護(hù)等[1]。

2 道路工程設(shè)計的實現(xiàn)

2.1 地質(zhì)勘察

道路的地質(zhì)勘察與建筑勘察不同，道路為條帶式，道路沿線所有要素均在工程設(shè)計考慮范圍之內(nèi)，方便后期進(jìn)行道路施工方案設(shè)計，以及動態(tài)調(diào)整施工。因此勘察工作主要是道路沿線地質(zhì)地貌，而3D建模需要與路橋?qū)I(yè)人員協(xié)同作業(yè)實現(xiàn)。電子3D建模可以動態(tài)反映施工現(xiàn)場實際情況，各種測繪數(shù)據(jù)綜合之后，結(jié)合軟件進(jìn)行3D建模，按照地形測繪數(shù)據(jù)創(chuàng)建出豐富的曲面表達(dá)形式，可以制定出最佳設(shè)計方案。

2.2 方案選擇

道路項目建設(shè)大部分是由政府投資建設(shè)實現(xiàn)的項目，立項之前需要分析道路建設(shè)的可行性，可行性文件內(nèi)要包含道路建設(shè)區(qū)域內(nèi)所有設(shè)計要素，同時預(yù)測交通狀態(tài)，結(jié)合技術(shù)指標(biāo)擬定方案，綜合這些內(nèi)容確定概算與預(yù)算，制定出不同方案。政府需要聯(lián)合多個部門商討方案的可行性最終作出決策。BIM技術(shù)提供的多因素虛擬可以靈活調(diào)整其中的各項要素，可以實現(xiàn)可視化對比，和常規(guī)的文字方案相比，這種方案更可以提高交流對比效果。

2.3 3D可視化

Revit軟件中將導(dǎo)入數(shù)據(jù)建模，能直觀表現(xiàn)出道路施工各方面需求，業(yè)主也可以根據(jù)3D可視化設(shè)計提出自己的專業(yè)要求，降低設(shè)計人員和施工人員的壓力。也可以通過3D的渲染軟件來展示立體化效果，在道路設(shè)計中可以高效建立起道路交叉路口、匝道出入口、橋梁墩臺等實現(xiàn)個性化更新，通過簡單參數(shù)設(shè)計就可以實現(xiàn)模型變動。在設(shè)計的時候通過3D可視化矯正可以提高設(shè)計效率。在Revit軟件設(shè)計中自行計算碰撞沖擊檢測、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗證（見圖2）。

圖2 可視化橋梁墩臺

2.4 協(xié)同設(shè)計

BIM技術(shù)在項目設(shè)計中能實現(xiàn)協(xié)同設(shè)計，信息交流暢快，解決了以往信息閉塞的問題，BIM技術(shù)平臺搭建的共享新模型實現(xiàn)了多方參與。借助信息模型平臺，直觀展示整個設(shè)計中的內(nèi)容，實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源共享和信息共享，討論分析速度加快，將數(shù)據(jù)信息與道路的基本情況都直接傳遞給施工各個部門，方便施工單位造價核對精準(zhǔn)、管理科學(xué)合理。BIM技術(shù)構(gòu)建的協(xié)同平臺能實現(xiàn)信息的綜合性碰撞，以及促進(jìn)信息傳播速度加快，快速計算出地形曲面、路線平面、縱橫斷面設(shè)計的可執(zhí)行性[2]。

2.5 工程量造價計算

常規(guī)道路工程設(shè)計是人工計算方式得到項目的工程量與工程造價，因此投入大量成本與精力，其中大量數(shù)據(jù)資料很難快速分析出來，大量資料需要閱讀、處理。在以往技術(shù)并不發(fā)達(dá)，設(shè)計圖紙表現(xiàn)并不直觀，導(dǎo)致計算造價存在誤差，工程量的校審、審核工作開展困難。3D數(shù)據(jù)模型可以將整個路面所有情況展示出來，如路基、基層、面層等，能在軟件內(nèi)集合左右信息實現(xiàn)高精準(zhǔn)計算，精簡人力構(gòu)成。如果在傳統(tǒng)施工中發(fā)現(xiàn)計算錯誤，中途更改會消耗大量成本，但是結(jié)合3D模型，更改內(nèi)容均在計算機軟件中完成，借助BIM技術(shù)將動態(tài)展示工程量造價結(jié)果。

道路工程設(shè)計方案都是以圖紙的形式來交付，BIM技術(shù)設(shè)計成果形式是通過信息建模，傳統(tǒng)的2D圖紙使用中出現(xiàn)解讀不充分或者過度解讀的情況，當(dāng)圖紙存在變更的時候，常常要核對大量工作，對設(shè)計圖紙進(jìn)行變更。BIM技術(shù)應(yīng)用，可以借助信息化實現(xiàn)集成，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的精細(xì)化管理，通過軟件調(diào)整分析，在計算機上分析與輸出最終結(jié)果，結(jié)合造價與工程量來分析方案設(shè)計等是否合理，如果要變更圖紙等，只需要在建模的基礎(chǔ)上調(diào)整數(shù)據(jù)即可[3]。

3 可視化建模分析

3.1 線路設(shè)計

通過搭建BIM信息模型來確定坐標(biāo)，輸入在軟件內(nèi)定義地形，也可以在軟件中繪制下層土體情況DMT，這是基礎(chǔ)性工作。通過DMT建立直觀展示地下土層實際情況，為道路設(shè)計工程的開展提供數(shù)據(jù)支持?，F(xiàn)階段常用軟件為Power Civil，可以提供Terrain獨立文件，該軟件在地形建模方面具備非常顯著的功能，編輯、分析、運算功能強大。系統(tǒng)內(nèi)生成xml、tin格式，線路設(shè)計方便快捷，可隨身更改數(shù)據(jù)與更新，使用AutoCAD進(jìn)行二次開發(fā)，即可生成3DBIM地形模型[4]。

3.2 平縱設(shè)計

Power Civil是通過導(dǎo)線法來設(shè)計道路主線，根據(jù)勘測資料所得到地形地貌與坐標(biāo)點設(shè)置地形導(dǎo)向，根據(jù)交點找到曲線，將其連接成一條路線，在地形曲面基礎(chǔ)上形成縱段面地面線，同時附加道路、排水等要求，設(shè)計縱坡豎缺陷，設(shè)計結(jié)果如圖3所示。

圖3 平縱設(shè)計圖

3.3 路基設(shè)計

Power Civil的路基建模，創(chuàng)建橫斷面方面考慮特征點、組件、末端這三個基礎(chǔ)部分。以施工中常見的瀝青路面為例，有土路肩邊緣、道路中心等，各個節(jié)點之后通過斜率、直線距離來對其進(jìn)行定義，通過各種約束標(biāo)簽描述具體位置，對該位置進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計就是特征點。在軟件對路基建模的過程中，組件是一個點組，可規(guī)定開口類型、表征人行道與基層材質(zhì)等。末端就是邊坡的設(shè)計，軟件邏輯分支來確定邊坡末端，自動化搭建模型[5]。

3.4 快速建模

Power Civil軟件內(nèi)基于2D模型建立的3D模型在輸入數(shù)據(jù)之后就可完成初步設(shè)計，當(dāng)平面、縱面、斷面設(shè)計內(nèi)容借助之后，將道路設(shè)計橫斷面按照路線設(shè)計方向拉伸模型，就可以快速建立道路3D模型。部分道路工程設(shè)計方案在橫斷面的設(shè)計方面存在差異，因此需要使用多個橫斷面模塊來完成。Power Civil軟件系統(tǒng)可以借助先進(jìn)的計算能力得到最佳方案，反映到道路整體模型中（圖4）。

圖4 過渡方案設(shè)置

BIM技術(shù)在三維建模設(shè)計、道路中心線設(shè)計之后，可以借助系統(tǒng)進(jìn)行全面分析、優(yōu)化設(shè)計。在這個過程中技術(shù)人員和設(shè)計最終效果之間有直接關(guān)聯(lián)，因此需要保證建模人員的專業(yè)素質(zhì)，才可以提高BIM技術(shù)整體使用效率。道路工程設(shè)計具有復(fù)雜性、綜合性等特征，施工影響因素較多。BIM技術(shù)模擬施工活動可以為道路工程施工的順利開展提供保證。在建模完成之后，依托BIM軟件平臺做好防護(hù)工作，進(jìn)入到虛擬漫游模塊中，構(gòu)建熟悉的信息化情景，充分感知道路施工中的高風(fēng)險區(qū)域，結(jié)合建模制定事故應(yīng)急預(yù)案，完善施工管理策略。

4 結(jié)束語

BIM技術(shù)能促進(jìn)道路設(shè)計活動的合理開展，憑借BIM技術(shù)應(yīng)用的典型特征，通過地質(zhì)勘察準(zhǔn)備，選擇施工方案，搭建BIM信息模型，進(jìn)行3D可視化建模之后完成道路工程設(shè)計。借助BIM技術(shù)和現(xiàn)代信息化軟件完善道路工程設(shè)計，改善以往施工設(shè)計存在的弊端，有利于提高道路工程設(shè)計質(zhì)量和施工質(zhì)量。