公路BIM三維正向設計應用與研究

陳 泰 中

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司,四川 成都 610072)

0 引 言

建筑信息模型(BIM)是指通過創(chuàng)建并利用數(shù)字模型對項目進行設計、建造及運營管理的過程和技術。對于工程勘察設計階段而言,BIM技術應用要點是:基于工程實體模型的三維設計(多專業(yè)協(xié)同設計)、工程仿真分析(可視化建模)、BIM模型構建與移交(即向業(yè)主或施工方提交工程BIM模型)等。

最近幾年,隨著BIM技術在交通工程中的應用趨勢越發(fā)普及,三維設計也由傳統(tǒng)的“二維設計,三維翻?！敝饾u向人機交互、協(xié)同正向設計方向發(fā)展。技術團隊基于3DE平臺的二次開發(fā)工作基本完成,道路、橋梁、隧道專業(yè)的BIM三維設計軟件已完成主要部分功能的二次開發(fā),現(xiàn)在通過實際設計項目對相關功能進行應用并同步迭代,實現(xiàn)敏捷開發(fā)。

1 3DE平臺簡介

3DE平臺是法國達索公司使用云端技術、基于瀏覽器開發(fā)的三維設計與管理平臺。3DE平臺是一個開放互聯(lián)、數(shù)據(jù)驅(qū)動、基于模型、虛實融合的業(yè)務平臺。該平臺提供協(xié)同管理、數(shù)字建模、分析仿真、信息智能等方面的多個APP應用,3DE平臺軟件工具模塊見圖1。

圖1 3DE平臺軟件工具模塊

這些應用以數(shù)字化方式覆蓋了土木工程在設計、分析、施工、運營維護等全生命周期中的主要環(huán)節(jié)[1]。3DE平臺的主要特征如下:

(1)完全基于云系統(tǒng)架構。3DE平臺同時提供企業(yè)云和公有云服務,用戶可根據(jù)企業(yè)需求進行靈活快速的部署。面向中國市場,達索系統(tǒng)目前提供的主要是3DE的企業(yè)云版本,即將數(shù)據(jù)庫部署在企業(yè)自己的服務器上。

(2)眾多的行業(yè)解決方案。3DE平臺基于一系列的三維設計、分析、仿真和商業(yè)智能軟件工具為各行業(yè)提供專業(yè)解決方案,并服務于企業(yè)的業(yè)務流程,其中提供的服務既包括工程設計、分析、建造,也包括項目管理、商業(yè)運營以及供應鏈管理。

(3)提供統(tǒng)一的用戶界面。3DE平臺為所有軟件產(chǎn)品設計了簡單一致、易于使用的用戶界面。

此外,3DE平臺為不同角色的使用者提供了協(xié)同工作環(huán)境,解決了以往企業(yè)不同平臺間無法相互協(xié)作的問題。

2 工程概況

老木孔航電樞紐工程位于四川省樂山市境內(nèi),是岷江(樂山～宜賓)干流下游航電梯級開發(fā)中的第一級,壩址位于樂山市大渡河河口下游直線距離約12.3 km處,其下游與東風巖樞紐相銜接,是一座以航運為主,航電結(jié)合且兼顧防洪、供水、旅游和環(huán)保等綜合利用的大型水利樞紐工程,主要由航電樞紐主體工程、庫區(qū)防洪堤工程、涌斯江生態(tài)電站以及庫區(qū)河道疏浚工程組成。該地區(qū)公路、鐵路、航道等交通設施發(fā)達。G93(成樂宜高速)通過樂山市和該工程,并與G5(京昆高速)、G85(內(nèi)宜高速)、S66(樂自高速)、S40(遂洪高速)、G4203等高速公路和國省道形成網(wǎng)絡。成都市和樂山市通過進港大道和S104均可到達老木孔樞紐壩區(qū)。

3 應用研究目標

(1)基于傳統(tǒng)的道路設計業(yè)務流程,通過該次應用研究,探索3DE平臺三維的道路設計的業(yè)務流程。按照當前的項目管理的特點,研究和梳理3DE平臺的資料管理和項目管理流程。

(2)在3DE平臺統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的環(huán)境下開展多專業(yè)三維協(xié)同設計,完成交通相關工程基于3DE平臺的BIM三維技術進行正向設計,建立三維模型,實現(xiàn)公路工程路線、路基、路面、橋梁、隧道、交安工程建模,尋找和開拓出適用于公路的三維設計技術方案。

(3)通過3DE平臺產(chǎn)品在三維設計應用中的深化,幫助提高項目交付速度、減少成本,降低環(huán)境影響,實現(xiàn)無紙化辦公。

(4)應用三維設計,有效減少傳統(tǒng)二維圖紙的錯漏碰缺問題,減少由于后期返工造成的成本增加,節(jié)約工期,從而實現(xiàn)更多的經(jīng)濟效益。

(5)提高成本控制中工程量計算環(huán)節(jié)的工作效率和精度,為工程的智慧運營管理創(chuàng)造條件。

4 骨架模型建立

根據(jù)專業(yè)分工搭建結(jié)構樹整體骨架,明確上下游專業(yè)設計順序,項目結(jié)構樹由地形、地質(zhì)、線路、路基、擋墻、橋梁和隧道節(jié)點組成,項目結(jié)構樹骨架見圖2。

圖2 項目結(jié)構樹骨架

通過搭建項目結(jié)構樹,各專業(yè)設計可以開展協(xié)同設計,實現(xiàn)基于“同一個設計平臺、同一個數(shù)據(jù)架構、同一個設計模型”的三維正向設計。一個設計平臺,為形成屬性真正融合一體的三維信息模型提供保障;各個專業(yè)在同一個三維模型上進行三維設計,才能保證模型的完整性和準確性。統(tǒng)一的數(shù)據(jù)架構,是模型真正準確發(fā)布、剖切出來的圖紙正常使用的前提條件[2]。在3DE平臺上,達索實現(xiàn)了前臺和后臺的雙重整合:后臺的所有數(shù)據(jù)存儲在同一套數(shù)據(jù)庫內(nèi),不同人員、不同軟件模塊都共享同一數(shù)據(jù),不再需要進行數(shù)據(jù)交通或者格式轉(zhuǎn)換;前臺的各應用模塊都基于同一個3D圖形引擎,使用統(tǒng)一的操作方式和圖形展現(xiàn)方式,不需要在不同的圖形平臺之間切換。

5 專業(yè)設計協(xié)同

5.1 地形地質(zhì)

(1)三維地形創(chuàng)建。首先,轉(zhuǎn)化CAD圖紙后導入3DE生成點云數(shù)據(jù)文件;然后,通過處理好的點云數(shù)據(jù)生成地形MESH面,修復地形MESH面以創(chuàng)建地形PHM面,確保其與各專業(yè)開挖可正常操作;最后,通過PHM功能生成三維地形模型?；谌S地形模型創(chuàng)建的等高線、顏色云圖和地域分析功能可應用于輔助線路選線,為后續(xù)工程出圖投影等高線提供數(shù)據(jù);同時,通過導入點云格式數(shù)據(jù)并定義局部區(qū)域,可以截取用戶指定使用的地形范圍。三維地形創(chuàng)建見圖3。

圖3 三維地形創(chuàng)建

(2)地形貼圖。地形貼圖的功能可以更“直觀展示”項目周邊的情況,點擊“導入文件”,選擇本地圖片并打開,圖片被上傳到3DE服務器中,點擊“勾選圖標”重新回到“地形圖像映射”對話框中。如果圖片格式為jpg、png等,需要設置目的地坐標,左上方代表圖片的左上角坐標,右下方有代表圖片的右下角坐標,點擊“確定”完成貼圖。如果圖片格式為tif,則圖片自帶地理坐標,點擊“確定”完成貼圖。

(3)地貌地物表達。導入處理好的CAD圖紙,生成地物參考,如房屋模型的創(chuàng)建、水位面的創(chuàng)建和衛(wèi)星影像。在進行線路設計時,可以參考地物輪廓進行設計。

5.2 線路設計

平曲線設計功能支持緯地數(shù)據(jù)導入到3DE平臺,還可以根據(jù)需要更改線路參數(shù),更改后點擊“繪圖”按鈕重新生成線路平曲線,道路平曲線可以實時顯示各交點的參數(shù)數(shù)據(jù),便于查看、確認和修改;支持設置樁號信息、標注;支持對已有的道路平曲線進行編輯。

縱曲線設計功能也支持緯地數(shù)據(jù)導入到3DE平臺,點擊“垂直對齊”按鈕,彈出“垂直對齊創(chuàng)建”對話框,設置平曲線和地形面,點擊“確定”,進入縱曲線設計操作界面;點擊“道路數(shù)據(jù)導入”按鈕,彈出“導入縱曲線”對話框,選擇本地緯地數(shù)據(jù),點擊“確定”縱曲線導入完成。

最后,通過平曲線和縱曲線創(chuàng)建中心線,為各專業(yè)設計提供輸入條件。

5.3 道路路面

通過得到的中心線創(chuàng)建道路曲面,用戶可以點擊工具欄“道路曲面”按鈕,彈出“道路曲面”對話框,選擇道路中心線,超高和加寬默認讀取后臺配置的線路規(guī)則,點擊“確定”,完成道路曲面創(chuàng)建;點擊線框和曲面工具欄中“提取”按鈕,依次提取路面的四條邊線,并命名為左側(cè)行駛路線邊線、右側(cè)行駛路線邊線、左肩邊線、右肩邊線。

5.4 路基橫斷面

橫斷面在路基節(jié)點下,采用參數(shù)化進行設計。路基橫斷面設計基于3DE平臺原生態(tài)功能,支持路基與地形自動填挖計算。具體流程為:選擇道路中心線,搜索查找路基模板,選擇模板回到道路路基命令中;設置模板輸入條件,調(diào)整模板參數(shù)和實例化模板的里程區(qū)域,選擇開挖的地形面,點擊“確定”開始填挖運算;路基運算結(jié)果會自動掛在路基節(jié)點下道路幾何圖形集中,數(shù)據(jù)包含:已修改的地形、挖掘工程、填充工程、邊界以及路基模板中定義的輸出對象。橫斷面設計見圖4。

圖4 橫斷面設計

目前的參數(shù)化橫斷面設計模塊基本滿足使用,未來需要繼續(xù)開發(fā)更靈活易操作的橫斷面模板創(chuàng)建工具。除此之外,為方便設計,未來還需開發(fā)平縱多視角窗口聯(lián)合調(diào)整的相關功能。

5.5 擋墻

通過輸入條件調(diào)用擋墻模板,用戶可修改相關參數(shù)完成模型更改。在調(diào)用擋墻時,3DE平臺可以根據(jù)地形和設計規(guī)則自動、快速生成擋墻排水孔?？蓪崿F(xiàn)三維快速布置擋墻,該功能支持多種類型擋墻,動態(tài)顯示擋墻立面圖和橫斷面圖,實時顯示擋墻與地形線、水位面、地質(zhì)面的位置關系。參數(shù)化擋墻設計見圖5。

圖5 參數(shù)化擋墻設計

5.6 涵洞

基于路線總體設計,用戶可以在指定位置處布置涵洞。該功能支持多種類型的涵洞結(jié)構、洞口類型,還支持多種方式設置涵洞位置、涵洞長度。用戶可以實時預覽橫斷面情況,從而確認涵洞位置、長度、角度等是否合理。

5.7 排水

排水溝設計采用參數(shù)化模板,填寫各種參數(shù),建立涵洞三維模型。結(jié)合線路設計,在整體骨架環(huán)境中調(diào)用模型進行實例化生成。相關參數(shù)化模板應用適應性廣泛,可實現(xiàn)多種自定義設計需求;同時,參數(shù)化設計的關聯(lián)關系可以輔助查詢設計數(shù)據(jù)流向,適應設計變更,還可以根據(jù)各類邊溝設計數(shù)據(jù)創(chuàng)建排水工程數(shù)量表。

5.8 交通安全設計

交通安全設計內(nèi)容主要包含防護欄、標志標牌、標線和突起路標的布設。用戶可以在指定位置插入指定的交通標志,從而完成標牌、標線設置,標牌包括“指示標牌”“警告標牌”“禁令標牌”和“指路標牌”四種交通標志類型。標牌模板支持多種交通標志的支撐方式,包括:“單柱式”“L型懸臂式”和“F型懸臂式”。用戶可以根據(jù)路線的公路等級、設計時速、邊坡坡度和路堤高度等,自動布設防護欄。標志標牌及其模板庫見圖6。

圖6 標志標牌及其模板庫

6 三維正向設計帶來的效率提升

6.1 三維出圖效率提升

利用建立的BIM三維設計模型對各階段設計資料復核校對,如路線平縱面指標復核和路基專業(yè)擋墻高度復核,檢查各工點空間關系、標高、凈空核查等,檢查無誤后可以生成各專業(yè)相應的二維設計圖紙[3]。三維正向設計將設計工作從抽象地用線條在二維畫布上描繪,轉(zhuǎn)變?yōu)榫呦蟮赜酶鞣N元件在三維空間里拼裝;從抽象的“勾勒”到具象的“搭建”體現(xiàn)了設計工作的信息化與可視化;而且三維正向設計的項目在設計、建設、運營中都可以在可視化的狀態(tài)下進行分析與決策,極大地提高了效率[4]。具體包括:

(1)平曲線出圖?？梢詫崿F(xiàn)一鍵式出圖;自動標注各類信息;自動生成橋梁、隧道、涵洞符號;自動生成指北針、等高線等信息;自動生成“曲線元素表”和“注釋信息”。

(2)縱斷面出圖?？梢詫崿F(xiàn)一鍵式出圖;自動標注各類信息;自動生成橋梁、隧道、涵洞符號;自動生成“縱斷面信息表”。

(3)橫斷面出圖?？梢詫崿F(xiàn)一鍵式出圖;自動標注橫斷面各類信息;自動計算填方量和挖方量。

(4)擋墻出圖?？梢詫崿F(xiàn)一鍵生成擋墻立面圖、平面圖、斷面圖;自動標注擋墻高度、高程等信息;自動生成泄水孔、沉降縫等。

(5)總體設計出圖。可以根據(jù)三維模型,自動創(chuàng)建總體設計圖。

6.2 協(xié)同設計效率提升

三維正向協(xié)同設計相比傳統(tǒng)二維設計,優(yōu)勢明顯。傳統(tǒng)二維的設計模式,各專業(yè)之間溝通機制單一且效率低下,甚至會出現(xiàn)未及時同步信息而導致的“錯碰落差”問題,從而導致返工,浪費人工和時間;而基于用一個平臺的三維正向設計可以通過“碰撞檢查”功能實時對各專業(yè)的設計成果進行檢查并生成報告,如果存在“錯碰落差”等類似問題,設計人員可以及時發(fā)現(xiàn)并調(diào)整,避免了低效率的返工,節(jié)約了寶貴的設計時間。

6.3 項目管理效率提升

通過搭建項目結(jié)構樹,項目負責人可以按照項目類別把具體設計任務分配給各專業(yè)負責人。專業(yè)負責人又可以把專業(yè)設計任務進一步向下分配,從而形成樹狀結(jié)構,設計人員根據(jù)自身職責開展設計工作。3DE平臺上所有的數(shù)據(jù)都存儲在協(xié)同空間中,協(xié)同空間是組成安全環(huán)境定義的重要組成部分。協(xié)同空間和組織一起可以定義出復雜的組織架構和權限。用戶被加入?yún)f(xié)同空間的同時,就已經(jīng)獲得了讀取的權限。當用戶在協(xié)同空間中創(chuàng)建數(shù)據(jù),用戶自動獲得數(shù)據(jù)在協(xié)同空間中的對應權限,隨著數(shù)據(jù)成熟度不斷變化,數(shù)據(jù)的權限也不斷變化。由于BIM建模信息量巨大,項目層BIM應用應制定協(xié)同設計標準手冊,對BIM模型的構件選擇、尺寸標注、模型整合、視口創(chuàng)建、模型顯示、碰撞檢查及文檔管理等內(nèi)容進行規(guī)范化管理[5]。

6.4 方案展示效率提升

傳統(tǒng)二維設計模式的成果方案展示主要通過圖紙和效果圖,該類二維圖紙缺點是展示效果單一,效率較低;如果想實現(xiàn)較好的展示效果,需要的打印會消耗大量紙張,不夠環(huán)保;而且如果方案存在修改變動的情況,已經(jīng)打印出來的方案就作廢,導致紙張浪費;因此,如果后期存在方案頻繁修改變動的情況,三維正向設計的方式顯然更加合適。

三維正向設計可以通過線路漫游對相關方案成果進行展示,使觀看者有更加直觀的視覺體驗。還可以結(jié)合BIM+VR和BIM+AR技術,VR技術可以提供更加真實的體驗效果,使觀看者沉浸其中,可以感知到虛擬世界的刺激(包括視覺、聲音、運動感知等),產(chǎn)生身臨其境的效果,仿佛本人置身于工程現(xiàn)場。線路漫游視角見圖7。

另外,VR技術還可以讓使用者和環(huán)境進行交互,當使用者進行某種操作時,周圍的環(huán)境也會相應做出反應。當使用者通過VR技術進入虛擬空間,可根據(jù)自己的感覺與認知能力,發(fā)散拓寬思維,創(chuàng)立新的概念和環(huán)境,當設計人員使用該功能時,有助于設計創(chuàng)新工作。AR技術將計算機窗口與圖標疊加映射到現(xiàn)實對象,并可由用戶進行手勢指點等操作。此外,用戶可以讓三維物體根據(jù)需要交互地改變其形狀和外觀;可對現(xiàn)實目標通過疊加虛擬景象產(chǎn)生透視的增強效果;可以將地圖信息直接插入現(xiàn)實場景進行輔助駕駛;可以通過虛擬窗口調(diào)看室外景象,使墻壁仿佛變得透明。AR技術讓用戶可以通過交互設備直接與虛擬物體或虛擬環(huán)境進行交互,增強用戶對環(huán)境的感知,從而使簡單的人面對屏幕交流發(fā)展到將用戶融合于周圍的空間與對象中。AR技術通過虛、實兩個攝像機的全方位對準,使虛、實場景融合為一體,可讓用戶在三維空間中自由增添、定位虛擬物體。

7 結(jié) 語

通過該次三維正向設計的實踐應用,相比于二維設計,三維設計優(yōu)勢很明顯:可準確查看工程真實的外觀及屬性,可便捷地剖切出施工圖紙;有效減少二維圖紙的錯漏碰缺,減少由于返工造成的成本增加,從而節(jié)約工期;同時提高工程量計算環(huán)節(jié)的精度和效率,為后期工程的智慧運營管理創(chuàng)造條件。通過該項目的三維正向設計應用與探索,梳理了三維設計流程,初步實現(xiàn)了“同一個設計平臺、同一個數(shù)據(jù)架構、同一個設計模型”三維正向設計目標的應用實踐。

該次項目主要應用的重點專業(yè)是地形地質(zhì)、線路設計、道路路面設計、路基橫斷面設計、擋墻設計、交通安全設計等,涵洞、橋梁和隧道等僅實現(xiàn)了初步的布設和簡單的設計。目前的應用深度暫時不能滿足實際設計需求,部分專業(yè)的設計流程和相關功能仍需進一步迭代完善;展望未來,不僅需要完善三維正向設計的標準和體系,還需要解決設計的效率以及性能問題;最終實現(xiàn)進行設計建模,設計管理、項目管理、施工仿真、計算分析等功能的融合使用目標。