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

錢(qián)定柱

（云南省曲靖市師宗縣地方公路管理段，云南 曲靖 655700）

0 引言

對(duì)公路工程而言，勘察設(shè)計(jì)作為質(zhì)量保證基礎(chǔ)工作之一，與公路質(zhì)量及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的行車(chē)安全息息相關(guān)。BIM 以工程的建設(shè)資料為依據(jù)，借助三維技術(shù)進(jìn)行建筑模型創(chuàng)建，使項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)可視化。通過(guò)對(duì)BIM模型的應(yīng)用，能為前期勘察設(shè)計(jì)、中期施工及管理、后期的運(yùn)營(yíng)與管理提供良好的輔助支撐。如通過(guò)對(duì)GIS 及BIM技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用可為公路工程建立數(shù)字化模型，以此對(duì)公路工程建設(shè)展開(kāi)數(shù)字化管理。

1 項(xiàng)目背景

以某城鎮(zhèn)公路項(xiàng)目為例對(duì)其勘察設(shè)計(jì)過(guò)程中的BIM技術(shù)具體應(yīng)用進(jìn)行分析。該公路建設(shè)區(qū)域的東西和南北走向長(zhǎng)度分別為4.12km,1.60km，主要對(duì)其橫、縱斷面設(shè)計(jì)及土石方量計(jì)算開(kāi)展分析，借助Civil 3D 完成模型建立。

2 勘察設(shè)計(jì)中BIM技術(shù)的具體應(yīng)用

2.1 在平面線路勘察設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

以平面線路上的交點(diǎn)坐標(biāo)為依據(jù)采用常規(guī)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行線路圖的初步繪制，然后結(jié)合確定的起終點(diǎn)得出線路最優(yōu)解。先適當(dāng)調(diào)整已確定的所有交點(diǎn)坐標(biāo)，生成線路時(shí)，借助Civil 3D 給出的各項(xiàng)參數(shù)設(shè)定線路基本屬性，并確定所有百米樁與要素樁，同時(shí)做好標(biāo)注。將線路構(gòu)建好后，使用專門(mén)的工具重新生成線路的各項(xiàng)基本屬性，得到屬性表，從這一屬性表中可得到數(shù)字高程及線路的具體邊界樣式[1]。

2.2 在縱斷面勘察設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

對(duì)已構(gòu)建完成的線路，以DTM 文件所提供的定位信息為依據(jù)，得到縱斷面圖形，再集合線路的以下參數(shù)完成縱斷面設(shè)計(jì)：曲線的具體樣式、曲率半徑值、縱坡里程及設(shè)計(jì)標(biāo)高。通過(guò)人機(jī)交互進(jìn)行設(shè)計(jì)，如果中間有誤差，則可通過(guò)人工處理來(lái)修改，使設(shè)計(jì)標(biāo)高及變坡點(diǎn)的里程等均滿足要求。

2.3 幾何參數(shù)設(shè)定

以上述所有設(shè)計(jì)資料及縱斷面成果為依據(jù)進(jìn)行立體幾何建模，模型的各項(xiàng)幾何參數(shù)如下：

（1）K0+000—K0+860 段：左、右寬均為3.3m，填方比為2∶1，限制比為0.5∶1，挖方比為2∶1，限制比為1∶1；

（2）K0+870—K1+100 段：左、右寬均為3.1m，填方比為2∶1，限制比為0.5∶1，挖方比為2∶1，限制比為1∶1；

（3）K1+110—K6+524 段：左、右寬均為2.7m，填方比為2∶1，限制比為0.5∶1，挖方比為2∶1，限制比為1∶1。

在以上段落中，K0+860, K0+870, K1+100, K1+110均屬于默認(rèn)過(guò)渡段，當(dāng)參數(shù)存在問(wèn)題時(shí)，支持隨時(shí)修改。若道路中有邊坡相交的問(wèn)題，則可借助Civil 3D 調(diào)整邊坡挖填比例。道路成型后，為給橫斷面設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)提供支撐，還應(yīng)形成道路邊界。在獲取橫斷面各項(xiàng)結(jié)構(gòu)信息的過(guò)程中，需將采樣線作為參考依據(jù)，并在Civil 3D 的支持下為模型開(kāi)展渲染著色，以此形成更形象和具體的顯示圖[2]。

2.4 在橫斷面勘察設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

橫斷面的設(shè)計(jì)需以曲面模型為依據(jù)進(jìn)行，其精確程度會(huì)直接影響施工時(shí)的土石方數(shù)量?；诖?，在橫斷面建模時(shí)須確保模型有足夠的精確度，此次將橫斷面上的采樣間距設(shè)置為30m。在建模時(shí)，主要包含諸多百米樁，對(duì)此應(yīng)先建立采樣線，將線路的中線點(diǎn)視作整個(gè)橫斷面的中心線，再以邊界條件為依據(jù)確定左右兩側(cè)的間距。采樣線創(chuàng)建完畢后，采用軟件生成相應(yīng)的圖層，最終建成的模型主要包含以下信息：地面曲面信息、數(shù)字高程模型與地面和邊坡信息、邊界曲面信息。

2.5 土石方量

基于橫斷面圖層可通過(guò)計(jì)算確定公路施工過(guò)程中的土石方數(shù)量，采用各異獲取方式計(jì)算土石方量，以兩個(gè)曲面間對(duì)應(yīng)的土石方數(shù)量為主。在本次勘察設(shè)計(jì)中，以邊坡邊界與數(shù)字高程模型作為曲面，將K0+000作為計(jì)算的起始點(diǎn)，K0+860 作為計(jì)算的終點(diǎn)。基于DEM 的相關(guān)計(jì)算結(jié)果為：土石方填方總數(shù)約21 423m3，土石方挖方總數(shù)約23 596m3。

2.6 插值分析

DEM 精度會(huì)對(duì)道路橫、縱斷面設(shè)計(jì)與施工中的土石方數(shù)量計(jì)算及路線的設(shè)計(jì)等造成直接影響。對(duì)于數(shù)字高程模型，其精度會(huì)受以下幾方面因素的影響：地形、數(shù)據(jù)點(diǎn)、具體內(nèi)插方式及分布密度。此次主要對(duì)插值分析可能對(duì)DTM 造成的影響進(jìn)行分析，具體的影響結(jié)果通過(guò)土石方數(shù)量來(lái)綜合衡量。

按照實(shí)例采用的方法，以K0+000—K0+100 為例，采用不同方法進(jìn)行數(shù)字建模，在形成數(shù)字高程模型的同時(shí)，通過(guò)計(jì)算確定填挖方量。當(dāng)按照實(shí)測(cè)值進(jìn)行計(jì)算時(shí)，工程的填方量為3 796.37m3，挖方量為1 833.26m3，填、挖總方量為5 629.63m3；當(dāng)采用Kriging 進(jìn)行計(jì)算時(shí)，工程的填方量為3 791.36m3，挖方量為1 830.36m3，填、挖總方量為5 621.72m3；當(dāng)以原始測(cè)量點(diǎn)為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，工程的填方量為3 762.45m3，挖方量為1 834.46m3，填、挖總方量為5 596.91m3；當(dāng)采用NNI 進(jìn)行計(jì)算時(shí)，工程的填方量為3 798.21m3，挖方量為1 812.22m3，填、挖總方量為5 610.43m3。從以上不同方法的計(jì)算結(jié)果可看出，按照插值法進(jìn)行計(jì)算得到的方量結(jié)果和按照實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算得到的結(jié)果最為接近，只有7.91m3的偏差，而采用其他方法計(jì)算得到的結(jié)果和按照實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算得到的結(jié)果之間都有很大差距[3]。

3 傳統(tǒng)勘察設(shè)計(jì)方法和基于BIM的勘察設(shè)計(jì)方法的對(duì)比

3.1 地形圖

采用傳統(tǒng)勘察設(shè)計(jì)方法時(shí)，地形圖一般采用1∶10000 的比例，在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格測(cè)量?jī)蓚?cè)要求的范圍。而在DTM 中，橫、縱斷面均將其作為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，前期必須嚴(yán)格測(cè)量，以為之后的設(shè)計(jì)工作奠定良好的基礎(chǔ)，這樣能減少后期工作量，在室內(nèi)即可完成對(duì)橫、縱斷面的準(zhǔn)確測(cè)量，同時(shí)能提高測(cè)量精度和土石方計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度。

3.2 橫、縱斷面

在創(chuàng)建DTM 時(shí)，橫斷面寬度可根據(jù)采樣線結(jié)合邊界條件確定。如需對(duì)線路實(shí)施更改，也可在模型中獲取橫斷面指標(biāo)，然后通過(guò)設(shè)樁來(lái)獲取各類數(shù)據(jù)。在DTM 的支持下，不僅能保證設(shè)計(jì)精度，還能減少野外工作量，精簡(jiǎn)測(cè)量步驟[4]。

對(duì)于路線縱斷面，在DTM 的支持下同樣能減少野外工作量。當(dāng)需對(duì)設(shè)計(jì)路線實(shí)施更改或需重新進(jìn)行計(jì)算時(shí)，可直接在模型中更改參數(shù)，并能得到更改后對(duì)應(yīng)的橫斷面信息。另外，在實(shí)際的縱斷面設(shè)計(jì)過(guò)程中，還能在模型中完成拉坡及放坡，為設(shè)計(jì)奠定良好的基礎(chǔ)，達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。

3.3 土石方量

不論傳統(tǒng)方法還是以上提出的以DTM 為基礎(chǔ)的方法，都是將橫斷面作為依據(jù)對(duì)土石方量進(jìn)行計(jì)算的。但通過(guò)以上分析對(duì)比可知，采用DEM 進(jìn)行計(jì)算得到的結(jié)果，其與按照實(shí)測(cè)值進(jìn)行計(jì)算得到的結(jié)果更為接近，同時(shí)劃分的數(shù)量也要比傳統(tǒng)方式多。當(dāng)需要更改公路線路時(shí)，在DTM 的支持下能直接獲得更改完成后對(duì)應(yīng)的土石方量，簡(jiǎn)化了操作，無(wú)需重新到野外完成測(cè)算[5]。

3.4 精度

DTM 因橫斷面數(shù)量多，所以可表達(dá)的各類信息和地面真實(shí)情況更加接近，進(jìn)而可提高結(jié)果精度。另外，DTM 還采用了插值法，能進(jìn)一步提高精度。如前所述，按照DTM 進(jìn)行計(jì)算獲得土方石量結(jié)果和真實(shí)情況最接近，這足以驗(yàn)證該方法的優(yōu)勢(shì)[6]。

總體而言，采用傳統(tǒng)模式進(jìn)行勘察設(shè)計(jì)時(shí)，橫斷面的設(shè)計(jì)需采用人工進(jìn)行測(cè)量，容易產(chǎn)生誤差，需結(jié)合精度要求選擇適宜的測(cè)量方式；縱斷面設(shè)計(jì)同樣需采用人工完成測(cè)量，由于存在大量野外工作，所以工作效率較低；而采用基于BIM 的DTM 進(jìn)行勘察設(shè)計(jì)時(shí)，橫、縱斷面均可自動(dòng)生成，且土石方的計(jì)算不會(huì)受人為因素的影響，可有效保證計(jì)算精度，最重要的是能減少野外工作量，對(duì)提高效率和保證精度均有重要作用[7]。

3.5 協(xié)同設(shè)計(jì)要求

在公路工程的整個(gè)生命周期內(nèi)，勘察設(shè)計(jì)階段的BIM 是由不同專業(yè)BIM 構(gòu)成的，包括路線專業(yè)、橋隧專業(yè)與交通工程專業(yè)?；诖耍?dāng)工程勘察設(shè)計(jì)從基于二維的CAD 向基于三維的數(shù)據(jù)模型方向轉(zhuǎn)變時(shí)，需將不同專業(yè)之間的協(xié)同設(shè)計(jì)作為核心，而實(shí)現(xiàn)協(xié)作的基礎(chǔ)是對(duì)公路勘察設(shè)計(jì)語(yǔ)言進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化傳遞與對(duì)模型進(jìn)行可視化表達(dá)。要想從本質(zhì)上實(shí)現(xiàn)以上協(xié)同設(shè)計(jì)要求，需重點(diǎn)考慮下列各項(xiàng)參考條件。

（1）各模型的坐標(biāo)系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一。公路設(shè)計(jì)專業(yè)與交通設(shè)施的三維模型及DTM 等模型都應(yīng)采用同一種坐標(biāo)系統(tǒng)，在野外勘測(cè)過(guò)程中使用的坐標(biāo)系，可沿用公路設(shè)計(jì)以往的習(xí)慣，這樣對(duì)利用模型進(jìn)行碰撞檢測(cè)和將來(lái)的施工與運(yùn)營(yíng)管理都有較大便利。

（2）由于當(dāng)前很多新建公路，尤其是城鎮(zhèn)公路都對(duì)測(cè)量精度提出了較高的要求，而且為適應(yīng)現(xiàn)階段工程建設(shè)與養(yǎng)護(hù)管理的需要，在野外勘測(cè)過(guò)程中創(chuàng)建的模型，其幾何精度應(yīng)達(dá)到施工圖標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）對(duì)模型進(jìn)行可視化管理。BIM 模型的幾何信息及屬性信息都比傳統(tǒng)的CAD 圖形豐富，當(dāng)借助Bently與Revit 對(duì)BIM 實(shí)施二次開(kāi)發(fā)時(shí)，需將項(xiàng)目全部幾何信息及屬性信息均納入信息組織對(duì)象中，可基于LOD 模型，按照具體任務(wù)需求對(duì)項(xiàng)目信息進(jìn)行可視化展示，以此提高信息資源的豐富性、便捷性及高效性。之所以BIM技術(shù)從出現(xiàn)就在各大領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)可視化是其主要原因，也是這項(xiàng)技術(shù)的主要價(jià)值之一。

（4）基于數(shù)據(jù)互用，為三維模型數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)交付建立相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，并為數(shù)據(jù)的共享及信息更新創(chuàng)造必要條件。由于當(dāng)軟硬件條件完全相同時(shí)，BIM 技術(shù)實(shí)際應(yīng)用效果主要取決于相關(guān)工作人員對(duì)軟件操作的熟練水平，所以在我國(guó)公路項(xiàng)目BIM技術(shù)人員還有待增加的前提下，現(xiàn)階段常用的軟件和BIM 專業(yè)軟件間的銜接過(guò)渡，以及設(shè)計(jì)和施工管理所用軟件之間，都要充分盡量實(shí)現(xiàn)信息共享及兼容，提供標(biāo)準(zhǔn)接口，并為模型的交付建立專門(mén)的標(biāo)準(zhǔn)，從而最大限度發(fā)揮出BIM技術(shù)優(yōu)勢(shì)及效率。

為推動(dòng)BIM 技術(shù)在公路建設(shè)領(lǐng)域更深層次的應(yīng)用，為BIM技術(shù)自身發(fā)展鋪平道路，對(duì)業(yè)主單位而言，應(yīng)積極主動(dòng)地要求設(shè)計(jì)單位引入BIM技術(shù)；在此背景下，對(duì)勘察設(shè)計(jì)單位而言，必須持續(xù)為業(yè)主單位提供高質(zhì)量咨詢服務(wù)、為施工單位提供高水平技術(shù)指導(dǎo)，才能真正擴(kuò)大自身服務(wù)領(lǐng)域，在BIM技術(shù)支持下，能更好地實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)擴(kuò)展，使信息的交換發(fā)揮出最大價(jià)值，同時(shí)還能起到促進(jìn)信息消費(fèi)的作用，確?？辈煸O(shè)計(jì)階段收集到的信息可以在公路工程的整個(gè)壽命周期內(nèi)流動(dòng)。目前和將來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，我國(guó)城鎮(zhèn)公路工程的BIM技術(shù)應(yīng)用處于不斷發(fā)展的階段，但伴隨對(duì)公路工程BIM技術(shù)應(yīng)用的不斷深入探索，前期勘察設(shè)計(jì)工作中的BIM技術(shù)應(yīng)用必定會(huì)取得突破，從而使勘察設(shè)計(jì)階段收集的信息真正在全壽命周期流動(dòng)，最終為城鎮(zhèn)公路建設(shè)創(chuàng)造更顯著的價(jià)值與經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，城鎮(zhèn)公路作為城市中的重要基礎(chǔ)設(shè)施，與城鎮(zhèn)居民日常出行息息相關(guān)。在城鎮(zhèn)公路建設(shè)中，應(yīng)先做好勘察設(shè)計(jì)工作，并在勘察設(shè)計(jì)中通過(guò)引入BIM技術(shù)進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)精度，減少人員工作量，實(shí)現(xiàn)多專業(yè)協(xié)同，解決不同專業(yè)之間的配合問(wèn)題，進(jìn)而使勘察設(shè)計(jì)階段形成的信息在城鎮(zhèn)公路建設(shè)全過(guò)程中發(fā)揮出最佳價(jià)值和作用，為我國(guó)城鎮(zhèn)公路建設(shè)與發(fā)展提供技術(shù)支撐。