基于3DE協(xié)同平臺的路橋隧道工程BIM設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究

王 新，田鴻程，陳泰中

（中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072）

0 前 言

BIM即Building Information Model，相對于傳統(tǒng)的二維工程制圖設(shè)計具有先天的可視化優(yōu)勢，是一種能夠從處理工程項(xiàng)目可行性研究、設(shè)計、施工到運(yùn)營維護(hù)階段數(shù)據(jù)和信息的理念和方法，強(qiáng)調(diào)將各階段涉及到的數(shù)據(jù)進(jìn)行交互和融合，力爭達(dá)到最優(yōu)的工程管理和生產(chǎn)效率［1-2］。

目前，我國交通運(yùn)輸部已經(jīng)頒布JTG／T2421—2021《公路工程設(shè)計信息模型應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》、JTG／T 2422—2021《公路工程施工信息模型應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》、JTG／T2420—2021《公路工程信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》等一系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范以推動BIM技術(shù)在公路工程行業(yè)的規(guī)范化、快速化落實(shí)與發(fā)展。但是，自BIM技術(shù)從本世紀(jì)初引入以來，在我國道路工程行業(yè)的發(fā)展主要用于“翻?！焙洼o助二維設(shè)計［3］，并且目前研究對三維可視化的關(guān)注較多，缺少對BIM核心的協(xié)同與數(shù)據(jù)交互方面的相關(guān)研究。

為了兼顧三維協(xié)同和可視化的研究思路，選取了Dassault System公司旗下的3DExperience平臺（簡稱“3DE”）。3DE平臺可以多賬戶同時在線，實(shí)現(xiàn)模型參數(shù)的關(guān)聯(lián)化，動態(tài)對同一模型進(jìn)行修改和發(fā)布，達(dá)到真正意義上的各專業(yè)協(xié)同設(shè)計。此外，在項(xiàng)目前期便可搭建好項(xiàng)目框架，便于“設(shè)校審”人員的全過程設(shè)計與管理。

雖然3DE平臺具有上述建模、協(xié)同和管理方面的優(yōu)勢，但是目前道路工程模塊方面的功能還不完善，不能完全滿足公路工程三維設(shè)計的需求。因此，本研究基于3DE平臺的CAA（Component Application Architecture）工具和內(nèi)部EKL語言，開發(fā)完善其在BIM路橋隧協(xié)同設(shè)計方面的功能，包括路線、路基、橋涵、隧道、交通工程各方面，尋找和開拓出適用于公路的BIM設(shè)計技術(shù)。

1 工程概況

某公路工程地處岷江下游，線路全長約10km，路基寬度10.5m，采用場內(nèi)一級公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。該項(xiàng)目周邊居民點(diǎn)較多，區(qū)內(nèi)有高鐵、高速公路、自然保護(hù)區(qū)，邊界條件復(fù)雜。由于該項(xiàng)目沿江建設(shè)，地質(zhì)水文條件也相對復(fù)雜。

研究目的是在此平臺基礎(chǔ)上，設(shè)計人員可基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)源開展多專業(yè)三維協(xié)同設(shè)計，更準(zhǔn)確地查看并模擬項(xiàng)目真實(shí)的外觀、性能和成本，還可以創(chuàng)建出更準(zhǔn)確的施工圖紙；三維設(shè)計的應(yīng)用，能有效減少傳統(tǒng)二維圖紙的錯漏碰缺問題及后期返工造成的成本增加，以達(dá)到節(jié)約工期，從而實(shí)現(xiàn)更多的經(jīng)濟(jì)效益；同時提高成本控制中工程量計算環(huán)節(jié)的工作效率和精度，為工程的智慧運(yùn)營管理創(chuàng)造條件。

2 協(xié)同設(shè)計管理環(huán)境的搭建

2.1 協(xié)同管理系統(tǒng)WBS架構(gòu)搭建

項(xiàng)目WBS的建立與架構(gòu)，用于制定項(xiàng)目計劃和確保實(shí)施。3DE平臺中，WBS即WorkBreakdown Structure，是對項(xiàng)目的時間進(jìn)行分解和任務(wù)劃分［4］。

項(xiàng)目基本的流程為：創(chuàng)建項(xiàng)目→組建團(tuán)隊(duì)→WBS調(diào)整→工作分配→交付標(biāo)準(zhǔn)建立→項(xiàng)目啟動。

該WBS架構(gòu)平臺支持用戶在網(wǎng)頁端分配工作任務(wù)給不同設(shè)計人員開展工作，隨時瀏覽查看項(xiàng)目進(jìn)度，包括項(xiàng)目的活動狀態(tài)、任務(wù)整體進(jìn)度、甘特圖表、燃盡圖等；實(shí)時完成和監(jiān)控三維設(shè)計、校核、審查工作。

本項(xiàng)目WBS拆解為項(xiàng)目策劃書、資料收集、現(xiàn)場勘查、總體設(shè)計、道路工程、巖土工程、造價工程共7個部分。每一部分工作均可指定所有者具有最高權(quán)限，所有者將每一項(xiàng)任務(wù)分派給團(tuán)隊(duì)成員，并可對項(xiàng)目的進(jìn)度進(jìn)行監(jiān)控和管理。

通過對本項(xiàng)目的任務(wù)劃分與分派，搭建了統(tǒng)一信息管理系統(tǒng)，相比于傳統(tǒng)設(shè)計中點(diǎn)對點(diǎn)的聯(lián)系，本項(xiàng)目編織起了設(shè)計人員與管理人員的信息溝通網(wǎng)絡(luò)，可提高項(xiàng)目的水平和管理精度。

2.2 項(xiàng)目BIM設(shè)計結(jié)構(gòu)樹搭建

3DE平臺的數(shù)據(jù)管理與交互是基于操作界面上的結(jié)構(gòu)樹來完成的，該結(jié)構(gòu)樹可以詳細(xì)地保存設(shè)計過程中的點(diǎn)線面等數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)之間具有很強(qiáng)的邏輯聯(lián)系和父子集關(guān)系，節(jié)點(diǎn)之間可以相互引用數(shù)據(jù)。所以項(xiàng)目任務(wù)劃分完成后，接下來便是在3DE平臺上提前搭建好每一部分工作的文件放置區(qū)域，即結(jié)構(gòu)樹節(jié)點(diǎn)的搭建。

本項(xiàng)目要點(diǎn)細(xì)分為地形、地質(zhì)、線路、路基、擋墻、橋梁、隧道6個1級子點(diǎn)，每一個1級子節(jié)點(diǎn)下還包含組成該部分內(nèi)容的多個子節(jié)點(diǎn)（見圖1）。1級子節(jié)點(diǎn)可以指派所有權(quán)屬性，如地形屬于user06用戶，該用戶對此節(jié)點(diǎn)下的數(shù)據(jù)具有修改保存的權(quán)限，其余用戶則不可更改，只有該用戶將此節(jié)點(diǎn)下的數(shù)據(jù)發(fā)布出來后才能引用，避免了多用戶同時在線操作情況下造成的數(shù)據(jù)混亂。

圖1 結(jié)構(gòu)樹構(gòu)造

3 基礎(chǔ)三維環(huán)境的建立

3.1 三維地形地質(zhì)

傳統(tǒng)公路設(shè)計流程中，首先是測設(shè)項(xiàng)目所在地的地形地貌，以便全面了解線路周邊情況［5］。同樣，在3DE平臺環(huán)境下的BIM設(shè)計［6］，在搭建好三維平臺后便是建立實(shí)體三維地形。在3DE平臺中建立三維地形的方式有多種，包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、CAD等高線轉(zhuǎn)換、激光雷達(dá)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等。介于長期以來測量單位提供的地形數(shù)據(jù)大部分以CAD等高線數(shù)據(jù)為主，因此在項(xiàng)目研究過程中采用等高線數(shù)據(jù)進(jìn)行三維地形的生成。

首先，將CAD圖紙中的等高線圖層和高程點(diǎn)圖層篩選出來，單獨(dú)導(dǎo)出.dwg格式文件；并采用Rhion軟件打開等高線高程點(diǎn)文件，通過曲線分段命令對等高線進(jìn)行離散，離散的間距可根據(jù)項(xiàng)目進(jìn)度需求選?。ū卷?xiàng)目取為2m），得到較為精確的地形點(diǎn)云數(shù)據(jù)，共計約1199620個點(diǎn)云；最后將點(diǎn)云空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)（x，y，z）導(dǎo)出為.txt格式，再重命名為.acs格式（見圖2）。

圖2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成

在3DE地形模塊下，導(dǎo)入上述.acs格式點(diǎn)云即可建立三維地形，最終建成的三維地形如圖3所示。

圖3 建成后的三維地形

本項(xiàng)目由于地處岷江邊，水文條件較為復(fù)雜，為了線路設(shè)計中有更多的參考，結(jié)合3DE靈活的建模方法，創(chuàng)造性地將地質(zhì)水位面也進(jìn)行了三維建模。大致流程為：提取CAD中水位線圖層曲線→曲線導(dǎo)入3DE環(huán)境→水位線垂直投影到三維地形線→封閉投影線→得到水位面。這些水位面在后期線路選擇和路基設(shè)計中有較為關(guān)鍵作用。

3.2 地物和衛(wèi)星圖片參考

為了更加直觀體現(xiàn)三維實(shí)景，下載了該地區(qū)衛(wèi)星圖片，通過ARCGIS軟件對衛(wèi)星圖片和地形進(jìn)行地理配準(zhǔn)操作，保證坐標(biāo)系一致，得到精確的地物展示效果，如圖4所示。

圖4 衛(wèi)星配準(zhǔn)操作

傳統(tǒng)設(shè)計中有很多需要參考的地物圖層，如河流、房屋、農(nóng)田等。但目前很多地物均為二維線框，不具有三維屬性，建成三維實(shí)體大多為示意性質(zhì)。本次研究以房屋為例，進(jìn)行三維實(shí)體建筑物的構(gòu)建。具體流程為：①從CAD導(dǎo)入房屋圖層→②將二維線框投影到地形中→③采用自編EKL語言程序，以線框和地形作為輸入條件，并生成設(shè)定范圍內(nèi)的隨機(jī)拉伸高度→④生成建筑物實(shí)體模型。此外，還可以直接導(dǎo)入CAD中需要用到的參考圖層，直接作為設(shè)計中的參考要素。

4 線路設(shè)計

當(dāng)三維環(huán)境節(jié)點(diǎn)地形、地質(zhì)完成好之后，便可將結(jié)果發(fā)布，由線路專業(yè)設(shè)計人員在地形中開始進(jìn)行線路的設(shè)計工作。由于3DE平臺有原生的道路設(shè)計模塊，功能較為單一，且沒有交點(diǎn)樁號的顯示和出圖設(shè)置，不能滿足設(shè)計要求，所以本研究基于C＋＋語言開發(fā)了新的“道路中心線快速設(shè)計”模塊。該模塊具有以下功能。

（1）道路中心線設(shè)計界面：支持用戶選擇現(xiàn)有的設(shè)計規(guī)范規(guī)則并在超標(biāo)時警告，在三維地形界面設(shè)定交點(diǎn)并自動編號，顯示交點(diǎn)地理坐標(biāo)，設(shè)計交點(diǎn)圓曲線半徑，緩和曲線長度及半徑，設(shè)置虛交，設(shè)置交點(diǎn)的前后相切，最終計算緩和曲線長度。

（2）“顯示參數(shù)”按鈕：方便用戶查看交點(diǎn)處的曲線元素參數(shù)、交點(diǎn)參數(shù)、樁號參數(shù)3個部分，包括切線長、高程、要素點(diǎn)的樁號等；“詳細(xì)設(shè)置”按鈕，主要用于設(shè)置線路起點(diǎn)樁號和線路名稱，控制平曲線出圖時出圖元素的設(shè)置。

（3）設(shè)置設(shè)計參數(shù)界面：可以指定道路中不同樁號段的地質(zhì)、橋梁、隧道、涵洞等名稱和概況，用于后續(xù)的設(shè)計和出圖。

縱斷面設(shè)計部分，采用3DE平臺原有的功能模塊，進(jìn)入之后與傳統(tǒng)設(shè)計思路一致，即在平面定完之后可以對地形進(jìn)行剖切，生成地形線，進(jìn)行縱斷面拉坡設(shè)計。

5 路基設(shè)計

5.1 路基橫斷面

橫斷面的設(shè)計基于建立好的空間線路和模板庫，空間線路包含了全線的超高、加寬數(shù)據(jù)、橋隧布置樁號范圍等信息。針對常用的橫斷面形式，研究建立了多種橫斷面模板，每一個模板里面提前預(yù)設(shè)了路基、路面、填挖坡比、路塹邊溝等參數(shù)，并支持參數(shù)化修改。這些模板都存放在統(tǒng)一的服務(wù)器上，有單獨(dú)的名稱和創(chuàng)建者信息，不同用戶需要使用時均可在3DE平臺客戶端直接搜索調(diào)用，避免了傳統(tǒng)項(xiàng)目中模板協(xié)調(diào)的問題，且便于維護(hù)更新。

在設(shè)計生成的過程中，這些橫斷面參數(shù)可自動識別為線路中設(shè)計好的路面寬度和超高加寬參數(shù)，針對不同情況修改默認(rèn)邊坡填挖坡比和路塹邊溝的參數(shù)，在布設(shè)橋梁和隧道樁號范圍內(nèi)不生成路基模型。選擇好橫斷面模板和線路中心線后，便可以實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體路基的生成。

生成道路路基填挖模型之后，通過3DE測量工具可以查看基于三維實(shí)體的填挖方量精確數(shù)量，本項(xiàng)目全線填方109382.966m3，挖方408557.349m3。相對于傳統(tǒng)的平均斷面法計算的填挖方量更加準(zhǔn)確。

5.2 路基排水設(shè)施

排水設(shè)施目前支持路塹邊溝與路堤邊溝2種形式，其中路塹邊溝設(shè)置在橫斷面模板內(nèi)，生成道路路基時自動生成，路堤邊溝則在路基模型建立之后添加。添加路堤邊溝的過程類似于線路設(shè)計，可在路堤坡腳線的基礎(chǔ)上對路堤邊溝進(jìn)行平縱設(shè)計，再調(diào)用服務(wù)器上設(shè)計好的路堤排水溝模板生成邊溝三維模型。

6 橋梁隧道的整體性布設(shè)

研究開發(fā)了橋梁自動化整體布置模塊和隧道整體布置模塊。程序的思路為提前設(shè)置好布設(shè)橋隧的填挖閾值，自動計算全線道路中心線距離地形面的填挖方高度，當(dāng)填挖值超過了設(shè)定閾值時，系統(tǒng)將自動調(diào)用模板庫中設(shè)計好的橋梁或隧道模板，結(jié)合道路寬度參數(shù)生成三維實(shí)體模型。該模塊功能可以輔助設(shè)計人員初步劃分關(guān)鍵橋隧段落，大大節(jié)省了傳統(tǒng)設(shè)計中人為判斷填挖高度以設(shè)置橋隧的過程。

以橋梁布置為例，界面需要以道路中心線、地形、道路左右側(cè)邊線作為必要的輸入條件；然后，設(shè)置好橋隧布置段的起始點(diǎn)樁號、橋梁結(jié)構(gòu)形式、斜交角度、橋臺類型等布設(shè)參數(shù)；最后，詳細(xì)設(shè)定填挖閾值、橋臺長度等信息即可生成橋隧表和橋梁的三維實(shí)體模型。

當(dāng)橋梁生成之后可以在模型上結(jié)合地形地物對橋墩布跨組成和橋墩長度進(jìn)行精細(xì)的調(diào)整，以滿足設(shè)計要求。

7 交安設(shè)施布設(shè)

由于公路工程是線性結(jié)構(gòu)，交安設(shè)施具有很強(qiáng)的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化特性，采用程序自動化布設(shè)可行性高，二次修改工作量小。

針對不同道路等級和邊界條件具有不同的選擇要求，研究對于交安設(shè)施的布設(shè)做了初步工作，其整體思路為：建立各種類型的交安設(shè)施參數(shù)化模板，梳理各種交安設(shè)施設(shè)置的條件要求，編寫自動布設(shè)的規(guī)則程序。目前，項(xiàng)目完成了參數(shù)化的模板建立，如限速標(biāo)志，其包含距行車道距離、標(biāo)牌尺寸、設(shè)計時速、標(biāo)桿立柱大小、實(shí)體厚度等三維可編輯的參數(shù)化模型，并可根據(jù)輸入的定位參數(shù)和幾何參數(shù)放置。

8 二維出圖

三維BIM設(shè)計的出發(fā)點(diǎn)是提高管理和設(shè)計的效率。目前，施工交付仍然以二維圖紙為重要文件，所以BIM技術(shù)的研發(fā)中，二維施工圖紙的出圖是必不可少的模塊。本研究針對上述各個功能均開發(fā)了出圖模塊，目前的功能包括線路平面圖、縱斷面圖、路基橫斷面圖、擋墻平立面圖4種。

（1）平縱出圖。平面、縱斷面出圖的信息主要包含線路走向信息、交點(diǎn)元素信息、曲線要素信息和要素表、標(biāo)高里程信息、起終點(diǎn)信息、橋隧涵等構(gòu)造物標(biāo)注信息、地形地物的參考信息等（見圖5）。

圖5 平面出圖示意

（2）路基橫斷面出圖。路基橫斷面出圖信息包含橫斷面寬度、填挖面積、擋墻橫斷面、地面線、標(biāo)高里程等信息（見圖6）。

圖6 路基橫斷面示意

（3）擋墻平立面出圖。擋墻平立面出圖，可設(shè)置出圖范圍、起止點(diǎn)名稱、典型斷面、圖號、出圖格式等，圖紙信息包含了擋墻的平面、立面、樁號信息等（見圖7）。

圖7 擋墻平立面示意

9 結(jié)論與展望

（1）3DE平臺具有良好的協(xié)同管理和項(xiàng)目資料管理功能，可以在BIM設(shè)計中統(tǒng)一工作區(qū)，提升團(tuán)隊(duì)合作的效率。

（2）項(xiàng)目開發(fā)了基于3DE平臺的中心線設(shè)計工具，可以根據(jù)需求編輯控制參數(shù)，完善3DE平臺中原本道路設(shè)計工具的部分缺陷。

（3）通過定制和調(diào)用路基橫斷面模板生成路基的三維實(shí)體模型，將路基數(shù)據(jù)從傳統(tǒng)設(shè)計的樁號斷面離散數(shù)據(jù)升級到連續(xù)實(shí)體數(shù)據(jù)，對工程量的計算更加精確。排水設(shè)計中引入了線路中的平縱設(shè)計思路，對填挖交界段、水溝縱坡的處理可以更加精細(xì)。擋墻實(shí)現(xiàn)了自動化布設(shè)功能，并支持多種墻型。

（4）橋隧的布置采用程序自動計算填挖對比閾值判斷，提高了布設(shè)效率，并且可以單獨(dú)修改。交安設(shè)施因其規(guī)范化程度較高，程序編寫好后根據(jù)設(shè)置規(guī)則便可調(diào)用放置，說明3DE平臺賦予用戶二次開發(fā)的空間較大。

（5）建立的水面及其在擋墻布設(shè)中的應(yīng)用、三 維建筑模型、衛(wèi)星圖片等，使三維地形、地物和地質(zhì)建?？赏瑫r用于BIM設(shè)計與探索。這說明采用3DE平臺可以實(shí)現(xiàn)地形、地物、地質(zhì)的三維建模整合，對建立公路工程項(xiàng)目的全專業(yè)整體化信息模型具有良好指導(dǎo)性。

目前，線路在平縱橫界面的實(shí)時查看和交互功能方面，需在后續(xù)研究中進(jìn)一步探索。目前，路基模板還相對較少，生成過程的計算量較多，排水設(shè)施和交安設(shè)施的自動化布設(shè)還有待研究，并且需要進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化程序算法。