BI M技術(shù)在公路路線設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

張昊

（中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司（武漢）橋隧分公司，武漢 430050）

1 引言

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，公路路線的選線方式也在不斷革新。很多信息技術(shù)應(yīng)用到了線路設(shè)計(jì)中，一方面使工程項(xiàng)目的建設(shè)加快，另一方面加快了道路工程的發(fā)展。傳統(tǒng)的線形設(shè)計(jì)是將道路分3部分設(shè)計(jì)，即平面設(shè)計(jì)、橫斷面設(shè)計(jì)和縱斷面設(shè)計(jì)。3個(gè)部分的設(shè)計(jì)分開進(jìn)行，考慮到實(shí)際的地形因素，部分參數(shù)無法滿足實(shí)際需求，因此，需要將道路的選線結(jié)果展示出來，清晰呈現(xiàn)選線結(jié)果。BIM技術(shù)可以將設(shè)計(jì)路線建模，使道路設(shè)計(jì)可視化，在可視化的模型中能夠看出設(shè)計(jì)的弊端，方便改正，因而在道路選線中被廣泛應(yīng)用[1]。

2 BI M技術(shù)概述

2.1 BI M技術(shù)簡(jiǎn)介

BIM技術(shù)是一項(xiàng)系統(tǒng)的管理技術(shù)，在公路工程中可以將道路以三維的形式展現(xiàn)出來，使人們更直觀地看到公路橋梁完工后的成品，使業(yè)主和設(shè)計(jì)人員都能更加了解工程項(xiàng)目。BIM為設(shè)計(jì)人員提供了完善的三維模型構(gòu)建系統(tǒng)，使三維建模更加簡(jiǎn)單，提高了建模效率。BIM技術(shù)在整個(gè)設(shè)計(jì)施工全過程都可以起到重要的作用，從前期規(guī)劃到施工圖設(shè)計(jì)到道路施工及完工后的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)，可以控制優(yōu)化整個(gè)過程[2]。同時(shí)，BIM技術(shù)還可以控制成本預(yù)算，為工程節(jié)省開支，提高工程施工的安全性，保障施工進(jìn)度。圖1為BIM技術(shù)在公路工程中的應(yīng)用全過程示意圖。

圖1 BI M技術(shù)在公路工程中的應(yīng)用全過程

2.2 BI M技術(shù)功能

2.2.1 三維可視

BIM技術(shù)最顯著的特征是將二維圖紙立體化。三維模型能完整展現(xiàn)出設(shè)計(jì)人員的想法，通過三維模型，人們可以有效判斷建筑設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，便于業(yè)主溝通。通過BIM技術(shù)還能以視頻的方式展現(xiàn)整個(gè)施工過程，使所有的施工程序都可視化，實(shí)現(xiàn)各方的有效溝通，對(duì)不合理的地方提前進(jìn)行整改，提高工作效率和溝通效率，減少因各方溝通不暢帶來的不必要返工。圖2為某公路路線BIM模型。

圖2 某公路路線BI M模型

2.2.2 參數(shù)建模

在公路工程中，傳統(tǒng)的方式是采用CAD制圖，以基本的幾何要素和坐標(biāo)來控制公路路線的形態(tài)，而BIM實(shí)現(xiàn)了參數(shù)建模，以參數(shù)來制作模型，更加科學(xué)地建立結(jié)構(gòu)構(gòu)件。BIM以圖形元素建立模型，所有的構(gòu)件以元素的形式展現(xiàn)，與CAD相比，可以減少模型改動(dòng)的次數(shù)，BIM可以根據(jù)工作人員的需求調(diào)整參數(shù)，以此得到新的構(gòu)件[4]。構(gòu)件之間的不同，也可以通過BIM模型直觀地展現(xiàn)出來。

2.2.3 碰撞檢查

在公路路線設(shè)計(jì)中，有一項(xiàng)重要的設(shè)計(jì)檢查內(nèi)容——碰撞檢查。檢查結(jié)構(gòu)構(gòu)件，避免在后期的施工活動(dòng)中出現(xiàn)碰撞問題。因此，碰撞檢查是一項(xiàng)檢驗(yàn)構(gòu)件是否合理的技術(shù)。在BIM模型中可以精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)，構(gòu)件與其他構(gòu)件之間的碰撞檢查，減少施工中的碰撞問題，保證構(gòu)架合理，消除不合理的問題。例如，在BIM中可以完成公路路面下方排水管道的協(xié)調(diào)配合，為施工提供安全的施工環(huán)境。

3 在公路路線設(shè)計(jì)中BI M技術(shù)存在的問題

3.1 缺乏必要的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

BIM在建筑行業(yè)的應(yīng)用較為廣泛，且應(yīng)用的可信度也逐漸被接受，因此，相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也已經(jīng)逐步完善。而在公路設(shè)計(jì)中，BIM的應(yīng)用范圍較小，配套的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范還沒有完全跟上，在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)因?yàn)闊o據(jù)可循而放棄使用。因此，我國道路方面的BIM規(guī)范還需要不斷完善。

3.2 BI M技術(shù)方面的人才不足

BIM的應(yīng)用是建立在其他學(xué)科之上，目前很多大學(xué)雖然開設(shè)了BIM的相關(guān)課程，但涉及的內(nèi)容較淺，實(shí)際案例少，無法達(dá)到BIM的熟練應(yīng)用，并且專業(yè)人才欠缺。另外，部分設(shè)計(jì)人員認(rèn)為公路選線設(shè)計(jì)屬于線形幾何工程，BIM的應(yīng)用不能發(fā)揮更多的作用，不愿意接受新興技術(shù)也使得BIM技術(shù)人才匱乏。

4 BI M技術(shù)在公路路線設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

道路選線設(shè)計(jì)包括平面設(shè)計(jì)、橫斷面設(shè)計(jì)和縱斷面設(shè)計(jì)。3個(gè)部分需協(xié)調(diào)統(tǒng)一，才能使得道路線路設(shè)計(jì)更加優(yōu)化。BIM通過建模的方式使線路設(shè)計(jì)更加清晰，設(shè)計(jì)人員可以通過BIM來發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的不合理之處，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。并且可視化的模型可以加強(qiáng)設(shè)計(jì)方與業(yè)主的交流和溝通，減少了因認(rèn)知差異導(dǎo)致的返工。BIM技術(shù)在道路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面。

4.1 道路中心線設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

在開展道路BIM建模過程中，道路平面一般通過直線、圓曲線和緩和曲線等幾何線形加以表示。在道路平面設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)綜合考慮車輛行駛軌跡、安全舒適性、駕駛員視距及景觀協(xié)調(diào)性等因素。在開展設(shè)計(jì)時(shí)，首先，導(dǎo)入預(yù)先做好的三維地形模型，其次，輸入路線的起點(diǎn)、終點(diǎn)及控制點(diǎn)，最后，將各控制點(diǎn)通過前述幾何線性加以連接。

公路大多分布在山區(qū)或人煙稀少的地區(qū)，對(duì)橫斷面的要求不高，但關(guān)于線路的走向卻有著較高的要求。合理布置道路線路走向，可以降低施工難度，降低造價(jià)。道路平面設(shè)計(jì)中最主要的是確定中心線。中心線確定之后，再根據(jù)公路的行車速度來確定道路直線、圓曲線和緩和曲線的相關(guān)指標(biāo)。長(zhǎng)直線和短直線有對(duì)應(yīng)的界限值，圓曲線的半徑和緩和曲線的長(zhǎng)度不能超過一定值，這些指標(biāo)均需滿足規(guī)范，如實(shí)在無法滿足要求，要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。具體操作如圖3所示。

4.2 道路縱斷面的設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

道路的縱斷面設(shè)計(jì)可以體現(xiàn)出道路各部分高差，合理控制每一條路的坡度以及豎曲線長(zhǎng)度。BIM以實(shí)際地形為基本的設(shè)計(jì)資料，根據(jù)地形的走向直接形成地面線。另外，設(shè)計(jì)的道路中心若不滿足要求或不合理，BIM也會(huì)自動(dòng)更新至最優(yōu)狀態(tài)，可節(jié)省了大量的時(shí)間。設(shè)計(jì)完成后，若設(shè)計(jì)師覺得不夠合理，可點(diǎn)編輯重新繪制道路直線長(zhǎng)度、圓曲線半徑和緩和曲線長(zhǎng)度，然后拾取邊坡點(diǎn)，在布局對(duì)話框中修改其樁號(hào)、道路的豎曲線半徑、高程、道路坡度與道路坡長(zhǎng)等參數(shù)。縱斷面設(shè)計(jì)的基本流程為如圖4所示。

圖3 道路設(shè)計(jì)的基本流程

圖4 縱斷面設(shè)計(jì)的基本流程

4.3 道路橫斷面的設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

為了盡可能高度準(zhǔn)確地反映道路模型，在利用BIM設(shè)計(jì)橫斷面時(shí)，操作設(shè)計(jì)人員需充分及綜合地考慮運(yùn)用什么樣的部件進(jìn)行組合裝配才能更好地展現(xiàn)道路橫斷面[5]。圖5為橫斷面圖設(shè)計(jì)的基本流程。

圖5 橫斷面圖設(shè)計(jì)的基本流程

道路橫斷面通常由行車道、中央分隔帶等組成。在BIM建模過程中，通過建立道路橫斷面模板，將橫斷面上的特征點(diǎn)、端點(diǎn)等加以組合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)道路路基、路面的模擬。道路的特征點(diǎn)一般是指道路中心點(diǎn)，同時(shí)伴隨特征點(diǎn)的有約束關(guān)系，常見的約束關(guān)系有水平值、豎向值、角度等參數(shù)。對(duì)道路橫斷面的邊坡通常無法采用固定的約束關(guān)系建模，并且對(duì)于填方和挖方的邊坡建模存在較大差異，因此，一般設(shè)置端點(diǎn)條件對(duì)邊坡具體位置加以確定。路面邊緣點(diǎn)與邊坡坡腳二者之間的邏輯關(guān)系就是端點(diǎn)條件。在建模階段，邊坡坡度通過約束兩點(diǎn)間的斜率加以實(shí)現(xiàn)，邊坡長(zhǎng)度則可將端點(diǎn)加以延長(zhǎng)至地面線實(shí)現(xiàn)。

在BIM界面內(nèi)點(diǎn)擊道路下拉菜單，單擊鼠標(biāo)可創(chuàng)建道路命令，然后按照其提示選擇路線、縱斷面以及標(biāo)準(zhǔn)橫斷面裝配。另外，在彈出對(duì)話框中，可根據(jù)道路寬度變化創(chuàng)建出與之對(duì)應(yīng)的區(qū)域，并為道路組件搭建相應(yīng)的邏輯目標(biāo)。

5 結(jié)語

對(duì)于公路路線設(shè)計(jì)來說，有效應(yīng)用BIM技術(shù)能夠建立對(duì)應(yīng)的三維立體建筑信息模型，加強(qiáng)工程設(shè)計(jì)體系對(duì)于道路工程信息數(shù)據(jù)的控制力，也能有效排除外部影響因素對(duì)于公路工程設(shè)計(jì)與建設(shè)帶來的影響。此外，BIM技術(shù)的應(yīng)用能夠建立有關(guān)的數(shù)據(jù)交流平臺(tái)，將公路設(shè)計(jì)和施工有關(guān)的各個(gè)部門進(jìn)行結(jié)合，加強(qiáng)各部門的交流溝通，避免溝通帶來的設(shè)計(jì)質(zhì)量問題。在公路線路設(shè)計(jì)中，需要充分掌握BIM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)以及應(yīng)用要點(diǎn)，了解有關(guān)軟件的應(yīng)用難點(diǎn)和重點(diǎn)，才能為公路路線設(shè)計(jì)與施工帶來更為全面的技術(shù)支持，確保施工建設(shè)的順利開展。