基于BIM技術的浸水路基參數(shù)化設計應用研究

崔 強 鐘 杰 肖 彬 張炳楠 梁賢煒

(林同棪國際工程咨詢(中國)有限公司，重慶 401121)

引言

近年來，BIM技術在我國基礎設施建設領域得到了大量應用。道路、橋梁、隧道等專業(yè)對BIM技術的應用深度逐漸得到了提高，應用范圍涵蓋了工程項目設計、建造、運維等多個階段[1]。

在公路及城市道路設計行業(yè)，已有眾多采用BIM技術開展設計的項目案例。三維場景建模、三維地質(zhì)建模等技術保證了基礎數(shù)據(jù)的采集效率與精度[2-3]； 主流軟件平臺成熟的廊道建模解決方案均已能滿足常規(guī)的設計生產(chǎn)需求[4-5]； 專業(yè)協(xié)同、碰撞檢查、工程可視化等方面的應用降低了溝通協(xié)調(diào)難度，提高了設計成果品質(zhì)[6-8]。但在當前，從業(yè)人員在利用BIM技術進行道路設計時，主要精力仍然聚焦于如何利用現(xiàn)有的軟件功能來完成高精度的廊道模型建立，路基設計方面仍然采用傳統(tǒng)的粗放式設計和算量方法。三維正向設計理念在路基設計方面并未得到有效的落地應用。

Dynamo是Autodesk針對旗下Revit、Civil 3D等軟件進行高效參數(shù)化設計而開發(fā)的一款可視化編程工具。在橋梁及隧道工程設計中已經(jīng)能夠顯著提升建模效率，實現(xiàn)復雜異形結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設計[9-10]； 在道路設計方面，利用Dynamo for Civil 3D針對軟土路基的參數(shù)化設計方法進行了研究，研究成果表明，Dynamo在空間不規(guī)則分布的復雜路基設計中亦有較好的適用性[11]。本文將以重慶兩江協(xié)同創(chuàng)新區(qū)環(huán)湖路二期項目為例，基于Dynamo for Civil 3D對浸水路基的參數(shù)化設計技術展開研究。

1 工程概況

重慶兩江協(xié)同創(chuàng)新區(qū)位于兩江新區(qū)龍興組團，規(guī)劃范圍6.8km2，片區(qū)內(nèi)六條次干路組成了本片區(qū)“三縱三橫”的骨架路網(wǎng)。環(huán)湖路位于協(xié)同創(chuàng)新區(qū)中心(如圖1所示)，環(huán)明月湖布置，是一條沿湖觀光的城市支路。

圖1 項目區(qū)位圖

本文以環(huán)湖路二期(K0-005.779～K2+897.222)為研究對象，道路全長2.9km，設計時速為30km/h，為城市支路； 標準路幅寬度為16m，雙向兩車道設計。環(huán)湖路二期根據(jù)周邊山體形態(tài)，走向依山就勢。道路東側(cè)的明月湖為新建水庫，設計蓄水標高為206m，環(huán)湖路二期局部路段位于水庫水位影響范圍內(nèi)。為保證路堤在庫水作用下仍具有良好的整體強度和邊坡穩(wěn)定性，需對浸水路基進行特殊設計。

2 浸水路基常規(guī)設計方法

2.1 基本設計原則

針對浸水路基段落(如圖2所示)，本項目在設計水位(蓄水標高)以下部分(浸水區(qū)域)采用填石路堤的方式進行處理； 考慮庫水浸泡、滲透、水位降升、波浪侵襲、水流沖刷和地下水壅升等情況，設計水位以上一定高度范圍內(nèi)(壅水區(qū)域，本項目取值0.5m)采用水穩(wěn)性好的填料(砂巖、砂礫土等)進行填筑； 浸水坡面采用漿砌片石護坡，護坡基礎為漿砌片石鎮(zhèn)腳。

圖2 浸水路基設計示意

2.2 常規(guī)設計方法缺點

1)設計精細化程度低

常規(guī)設計方法只能通過查看逐樁橫斷面圖，根據(jù)坡腳標高與設計水位的高差關系，來判斷該斷面是否存在浸水情況，從而確定浸水路基的大致范圍，樁號范圍精度取決于橫斷面圖采樣步長； 修建浸水路基所需材料只能通過逐樁橫斷面圖確定浸水材料的填筑面積，利用平均斷面法來粗略計算工程量。傳統(tǒng)方法已經(jīng)無法滿足日益增長的精細化設計及算量需求。

2)設計效率低

常規(guī)的路基設計方法只能通過讀取逐樁橫斷圖來開展相關的細部設計和工程量統(tǒng)計，橫斷面圖的精細化表達也只能通過設計人員手工進行逐樁繪制和標注。采用常規(guī)設計方法進行長距離的道路設計時，設計人員將會把大量工作時間耗費在簡單重復的制圖和統(tǒng)計工作上，嚴重降低了設計效率。

基于以上因素，本項目在設計階段采用基于BIM技術的參數(shù)化設計方法對沿線浸水路基進行設計。

3 浸水路基參數(shù)化設計技術

3.1 參數(shù)化設計總體工作流

本項目基于道路三維設計軟件Civil 3D及內(nèi)嵌Dynamo工具，對環(huán)湖路二期所有浸水路基段落進行參數(shù)化設計，并通過Civil 3D和Excel分別以圖形和表格形式輸出設計成果?？傮w工作流如圖3所示：

圖3 浸水路基參數(shù)化設計總體工作流

1)通過Civil 3D建立項目場地模型及道路三維模型；

2)運用Dynamo完成數(shù)據(jù)輸入、設計水位模擬、浸水段落確定、工程量計算等工作；

3)根據(jù)設計成果文件需求，將平面分布圖及路基橫斷面圖自動輸出至Civil 3D，將設計數(shù)據(jù)輸出至Excel形成浸水路基處理工程量清單。

3.2 參數(shù)化設計過程

3.2.1 基本模型建立

利用現(xiàn)有基礎資料，在Civil 3D中創(chuàng)建地形曲面，搭建三維場地模型； 根據(jù)相關控制條件和規(guī)范要求，經(jīng)過多次推敲調(diào)整后完成環(huán)湖路二期路線平縱設計； 通過部件編輯器編寫常用道路部件，根據(jù)已定的標準橫斷面圖創(chuàng)建橫斷面裝配，靈活選用裝配對道路全線進行橫斷面戴帽設計，最終完成三維道路模型的建立。三維場地模型及三維道路模型共同組成了項目基本模型(如圖4所示)。

圖4 場地及道路基本模型

Dynamo對CAD三維實體對象(solid)具有極強的創(chuàng)建及編輯能力。通過三維道路模型創(chuàng)建道路設計曲面，并通過道路設計曲面與三維地形曲面提取三維路基實體，Dynamo即以此作為浸水路基參數(shù)化設計的執(zhí)行對象。

3.2.2 浸水路基參數(shù)化設計

在Dynamo的可視化的編程環(huán)境下，靈活利用相關原生節(jié)點，以模塊化的編程思路，編寫了浸水路基參數(shù)化設計程序，程序主要由基本數(shù)據(jù)輸入、設計水位模擬、浸水區(qū)域路基實體切分、浸水范圍確定、主要工程量計算等五部分組成：

1)基本數(shù)據(jù)輸入

根據(jù)Civil 3D對象的數(shù)據(jù)類型特點和浸水路基設計的基本原則要求，輸入Dynamo的基本數(shù)據(jù)由模型基本數(shù)據(jù)和設計控制參數(shù)兩大類組成(如圖5所示)。模型基本數(shù)據(jù)包含路線樁號數(shù)據(jù)、廊道模型數(shù)據(jù)、路基實體數(shù)據(jù)等，Dynamo通過對象名稱或?qū)ο笏趫D層實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取和輸入； 設計控制參數(shù)包含設計水位標高、壅水高度、樁號計算精度等，通過Number Slider及Number等節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入和參數(shù)化控制。

圖5 基本數(shù)據(jù)輸入

2)設計水位模擬

一般認為水庫水面是在任意點處標高均等于設計水位的平面。在Dynamo中模擬設計水位，即是創(chuàng)建相應標高的平面對象(Plane)。以路基實體包圍盒底面為基準創(chuàng)建路基最低點平面，根據(jù)常水位及壅水位標高與該平面的相對高差，在Z方向?qū)ψ畹忘c平面進行偏移變換即得到常水位及壅水位平面，完成對水庫設計水位的模擬(如圖6所示)。

圖6 設計水位模擬

3)浸水區(qū)域路基實體切分

利用Geometry.Split節(jié)點，先后通過常水位平面和壅水位平面將填方實體切分成三個區(qū)域，從上至下分別為常規(guī)區(qū)域、壅水區(qū)域和浸水區(qū)域。為各個區(qū)域賦予不同顏色，動態(tài)、直觀地展示水位與路基的位置關系(如圖7所示)。

圖7 路基實體切分

4)浸水路基范圍確定

根據(jù)輸入的設計樁號計算精度要求，沿路線等步長創(chuàng)建空間直角坐標系并獲取Z-X坐標平面編組。如圖8所示，利用Geometry.DoesIntersect節(jié)點判斷坐標平面編組與壅水區(qū)域?qū)嶓w是否相交，若判斷結(jié)果為真(true)，則表示該樁號位于浸水路基處理范圍以內(nèi)。根據(jù)與壅水區(qū)域?qū)嶓w相交的全體Z-X平面和路線樁號的映射關系，即可得到浸水路基的設計樁號范圍。

圖8 浸水路基設計范圍確定過程

5)主要工程量計算

浸水路基主要構(gòu)成單元包括路基填筑體、護坡坡面及護坡基礎等，分別用三維實體、三維曲面及三維多段線在Dynamo中簡化表達。主要工程量統(tǒng)計可簡化為分別計算這三類空間幾何對象的體積、面積及長度，再根據(jù)設計大樣圖即可快速計算相關材料數(shù)量：

通過Solid.Volume節(jié)點直接獲取浸水區(qū)域及壅水區(qū)域的路基體積；

通過PolySurface.BySolid獲取護坡高度范圍內(nèi)路基實體的外表面并炸開成多個單元面；根據(jù)單元面的單位法向量Z坐標特征(如圖9所示)對單元面進行篩分，僅保留Z坐標在(0，1)區(qū)間內(nèi)的單元面，重新連接即得到護坡曲面，利用Surface.Area獲取護坡面積(如圖10所示)；

圖9 單元面單位法向量示意

圖10 護坡曲面篩分及面積計算

通過Surface.PerimeterCurves提取護坡曲面的邊緣曲線；通過Geometry.Intersect計算壅水平面與護坡曲面的布爾交集(坡頂線)。邊緣曲線與坡頂線的長度之差為護坡交地線長度(如圖11所示)，即護坡基礎長度。

圖11 護坡基礎長度計算

3.2.3 設計成果輸出

1)圖紙成果

設計水位平面與路基實體進行布爾交集計算得到的不規(guī)則空間曲面即為設計水位在路基內(nèi)的理論分布形態(tài)。將該曲面邊緣以三維多段線(Polyline3D)形式輸出至Civil 3D的模型空間內(nèi)，得到浸水路基平面分布圖； 再將三維多段線作為曲面特征線和曲面邊緣創(chuàng)建成Civil 3D的曲面對象，并作為采樣源添加進橫斷面圖，即可在逐樁橫斷面圖中自動、精確繪制浸水斷面(如圖12所示)。

圖12 路基逐樁橫斷面圖

2)工程量清單

根據(jù)設計文件編制要求，將浸水路基設計范圍、浸水及壅水區(qū)域填方體積、護坡面積、護坡基礎長度等數(shù)據(jù)通過Data.ExportExcel節(jié)點輸出至Excel，生成工程量清單(如圖13所示)。

圖13 浸水路基工程量清單

3.3 設計效果分析

本項目基于BIM正向設計理念，采用上述參數(shù)化設計方法對道路沿線涉及的三段浸水路基進行了自動判斷和設計。

參數(shù)化設計以路基三維實體為設計對象，真實模擬水庫水位與路基的相對位置關系，準確判斷和切分出浸水路基段落，精確統(tǒng)計相關工程數(shù)量。相對于傳統(tǒng)的基于橫斷面邊坡高度的人工設計方法和基于平均斷面法的工程量計算方法，參數(shù)化設計技術極大地提高了設計精細化程度。

參數(shù)化設計僅需設計人員建好相關基礎模型，輸入相關參數(shù)后即可通過運行Dynamo程序自動完成相關設計和算量工作，在道路方案反復調(diào)整和水位工況變化的條件下亦可以實現(xiàn)設計成果的聯(lián)動更新，顯著提高了浸水路基的設計效率。同時編寫的自動設計程序具有極強的復用性，適用于其他類似項目設計。

4 結(jié)語

本文結(jié)合重慶兩江協(xié)同創(chuàng)新區(qū)環(huán)湖路二期項目，提出了浸水路基的參數(shù)化設計技術路線和實現(xiàn)方法。BIM正向設計技術提高了本項目的設計成果質(zhì)量和設計工作效率。研究成果對于類似項目設計具有一定的參考價值。

道路工程BIM正向設計技術相對于二維設計方法具有顯著價值，以BIM模型為核心、Dynamo為工具的參數(shù)化設計方法能夠解決路基工程中的部分設計難點，能夠滿足日益提高的高品質(zhì)、高效率設計需求，對道路工程正向設計技術的推廣和應用具有重要意義。