BIM輔助市政道路工程交互設(shè)計及協(xié)同管理應(yīng)用

摘 要：文章將深入探討交互式設(shè)計在道路工程空間布局精細化和跨專業(yè)協(xié)作管理中的關(guān)鍵作用，研究基于交互設(shè)計的道路工程創(chuàng)新設(shè)計理念及其理論實踐，同時融合當(dāng)前廣泛應(yīng)用的BIM、VR等技術(shù)，搭建協(xié)同設(shè)計平臺，并通過選取具體工程案例，運用該理論框架與操作流程進行設(shè)計實踐，研究發(fā)現(xiàn)，該理論方法在提升道路工程多專業(yè)集成輔助設(shè)計的精確度、方案的科學(xué)性和協(xié)作的協(xié)調(diào)性方面均能產(chǎn)生顯著成效。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù) 市政道路工程 交互設(shè)計 協(xié)同管理

當(dāng)前BIM在市政工程領(lǐng)域應(yīng)用多集中于單體建筑，對道路工程全生命周期協(xié)同管理缺乏標(biāo)準化流程與平臺支撐。為此，研究構(gòu)建以BIM為核心的市政道路三維設(shè)計協(xié)同體系：首先建立涵蓋地形勘測、線形設(shè)計、結(jié)構(gòu)建模的集成化三維設(shè)計流程；其次研發(fā)基于B/S架構(gòu)的協(xié)同管理平臺，突破多專業(yè)數(shù)據(jù)交互瓶頸；最后通過典型市政道路工程實例，實證BIM技術(shù)在地形土方平衡計算等環(huán)節(jié)的應(yīng)用價值。研究創(chuàng)新體現(xiàn)在三維設(shè)計流程的標(biāo)準化重構(gòu)、BIM+GIS雙引擎平臺架構(gòu)設(shè)計以及全要素虛擬仿真技術(shù)集成，為智慧市政建設(shè)提供技術(shù)借鑒和參考。

1 道路三維設(shè)計流程體系

無人機傾斜攝影技術(shù)的快速發(fā)展，為現(xiàn)代道路工程的三維設(shè)計提供有力支持（如圖1）。

該技術(shù)在獲取載有GPS定位信息的影像數(shù)據(jù)后，首先通過對影像信息進行空間三角測量、幾何校正及聯(lián)合平差等處理，生成高精度的地形模型。這些處理步驟確保了數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)準確性，為后續(xù)的工程設(shè)計奠定了堅實基礎(chǔ)。在處理過程中，通過創(chuàng)建DTM（數(shù)字地形模型）地形曲面，可以詳細表現(xiàn)道路周邊地表及景觀特征，實現(xiàn)逆向建模的目標(biāo)。此階段的成果不僅用于路網(wǎng)設(shè)計，還提供了詳細的地形分析資料，有助于評估地形條件對道路建設(shè)的影響[1]。

道路三維設(shè)計的核心在于平行線路布置和縱斷面拉坡設(shè)計。設(shè)計師通過優(yōu)化線路布置，結(jié)合創(chuàng)建橫斷面裝配的技術(shù)手段，生成符合工程需求的三維道路模型。該模型不僅具備視覺表現(xiàn)功能，還能進行后端分析，包括計算土方工程量和生成土方計算報告，確保設(shè)計方案的合理性和可行性。在三維設(shè)計過程中，通過創(chuàng)建平立剖面圖，可以更加直觀地展示設(shè)計方案，便于施工人員理解和實施[2]。此外，利用VR（虛擬現(xiàn)實）及渲染漫游技術(shù)，設(shè)計師可以在虛擬環(huán)境中模擬道路建設(shè)效果，提前發(fā)現(xiàn)潛在問題并作出調(diào)整，大幅提升了設(shè)計的精準度和效率。

最終，輸出道路三維模型，不僅為工程決策提供有力支持，也為后續(xù)的施工監(jiān)理和運營管理提供便利。整個三維設(shè)計流程體系，通過無人機傾斜攝影技術(shù)、高精度數(shù)據(jù)處理及虛擬現(xiàn)實模擬，實現(xiàn)道路設(shè)計的精細化、可視化和智能化，極大地提高工程建設(shè)的效率和質(zhì)量。

2 協(xié)同管理系統(tǒng)平臺架構(gòu)設(shè)計

在當(dāng)今市政道路工程中，BIM（Building Information Modeling）技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛，其強大的交互設(shè)計及協(xié)同管理功能極大地提高了項目的效率和質(zhì)量。文章將重點闡述基于BIM的協(xié)同管理系統(tǒng)平臺架構(gòu)設(shè)計，探討其在實際工程中的應(yīng)用及優(yōu)勢。

BIM協(xié)同管理系統(tǒng)平臺的核心是Project Wise系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過Web Connection服務(wù)器和Integration服務(wù)器與SQL Server數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)整合與管理。Web Connection服務(wù)器為業(yè)主、施工方、供應(yīng)商及監(jiān)理方提供了一個統(tǒng)一的交互平臺，使得各方能夠?qū)崟r訪問、更新和共享項目信息。Integration服務(wù)器則負責(zé)將不同系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)進行整合，確保信息的無縫對接[3]。

（1）在數(shù)據(jù)傳輸方面，系統(tǒng)采用多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，包括廣域網(wǎng)（WAN）和局域網(wǎng)（LAN）。業(yè)主和施工方通過廣域網(wǎng)進行遠程連接，而供應(yīng)商和監(jiān)理方則在局域網(wǎng)范圍內(nèi)進行內(nèi)部連接。這種多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不僅保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和安全性，還提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和可靠性。

（2）Caching服務(wù)器在系統(tǒng)中起到緩存數(shù)據(jù)、提高訪問速度的作用。通過與SQL Server數(shù)據(jù)庫的連接，Caching服務(wù)器能夠快速響應(yīng)用戶的查詢請求，減少數(shù)據(jù)庫的負載，提高系統(tǒng)的整體性能。

（3）在功能實現(xiàn)方面，BIM協(xié)同管理系統(tǒng)平臺提供文檔管理、協(xié)同管理、資料互提、設(shè)計校審、辦公自動化、合同管理和人事管理等多種功能模塊。這些功能模塊相互協(xié)作，形成一個完整的協(xié)同管理系統(tǒng)，滿足市政道路工程中各方的工作需求。

3 工程實例分析

3.1 工程背景

某市新城區(qū)規(guī)劃建設(shè)一條雙向六車道的城市主干道，道路全長5.3km，設(shè)計車速60km/h，紅線寬度50m，包含中央分隔帶、非機動車道及人行道。項目需穿越復(fù)雜地形區(qū)域，涉及填挖方量約120萬m3，地下管線種類涵蓋給水、雨水、污水、電力及通信等五大類，需與周邊商業(yè)區(qū)、居住區(qū)及交通樞紐銜接。工程實施面臨地形高差大、管線交叉復(fù)雜、交通組織協(xié)調(diào)難度高等挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)二維設(shè)計難以滿足精細化施工需求，故采用BIM技術(shù)進行全流程三維協(xié)同設(shè)計與仿真優(yōu)化。

3.2 案例應(yīng)用

3.2.1 分析三維地形與填挖方量

基于多旋翼無人機（大疆M300 RTK）搭載五鏡頭傾斜攝影相機（2000萬像素）與激光雷達（RIEGL VUX-1LR，點密度≥500點/m2）開展項目區(qū)域三維地形數(shù)據(jù)采集，通過預(yù)設(shè)飛行航線（航高120米、旁向重疊率80%、航向重疊率85%）獲取分辨率為3cm的傾斜影像及激光點云數(shù)據(jù)，經(jīng)點云去噪、植被分類及地面濾波處理后，提取有效地形點云1.2億個。

在Autodesk Civil 3D平臺中，利用三角網(wǎng)法構(gòu)建格網(wǎng)尺寸1m×1m的高精度數(shù)字高程模型（DEM），通過等高線分析識別出場地西北側(cè)存在最大高差27.3m的陡坡區(qū)域（坐標(biāo)X：356245，Y：478512），并標(biāo)注3處潛在滑坡風(fēng)險點。結(jié)合道路縱斷面設(shè)計參數(shù)（設(shè)計高程、橫坡率2%），系統(tǒng)基于DTM體積曲面法自動劃分樁號段（每20米一個斷面），計算各樁號填挖方量及運距優(yōu)化方案，生成包含土方類型（普通土、巖石）、壓實系數(shù)（0.92-0.95）及調(diào)配方向的動態(tài)平衡表，如表1。

結(jié)果顯示，總填方量65.2萬m3，挖方量54.8萬m3，土方平衡率達89.6%，減少外運土方成本約12%。通過可視化分析，優(yōu)化邊坡坡率與擋土墻位置，降低地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險。

?3.2.2 道路主體設(shè)計?

基于BIM參數(shù)化建模技術(shù)，項目團隊依據(jù)《城市道路工程設(shè)計規(guī)范》（CJJ37-2012）構(gòu)建了包含行車道、路緣石、中央分隔帶、綠化帶及人行道等12類標(biāo)準化橫斷面組件的參數(shù)化裝配庫，通過設(shè)定道路等級、設(shè)計車速（60km/h）、路基寬度（50m）等核心參數(shù)，實現(xiàn)橫斷面要素的自動匹配與動態(tài)調(diào)整。在平面線形設(shè)計中，利用Civil 3D的“設(shè)計速度一平曲線半徑”關(guān)聯(lián)算法，將最小平曲線半徑從規(guī)范要求的300米優(yōu)化至450米，并結(jié)合縱斷面設(shè)計模塊對最大縱坡（3.5%）和豎曲線長度進行多方案比選，最終使停車視距從75米提升至92米，行車舒適性指標(biāo)（如橫向力系數(shù)）降低15%。

針對K2+150～K3+000段復(fù)雜交叉口區(qū)域，采用InfraWorks搭建交通仿真模型，輸入早晚高峰時段交通流量數(shù)據(jù)（標(biāo)準車流量4500pcu/h），模擬不同車道拓寬方案（由原3車道增至4車道）與信號燈相位配時組合，結(jié)果顯示通行能力提升23%、平均延誤減少18秒。此外，通過BIM模型與MIDAS Civil的結(jié)構(gòu)計算接口，對跨河橋梁（跨度35m）及箱涵（尺寸4m×3m）進行聯(lián)合受力分析，采用荷載組合（恒載+活載+溫度效應(yīng)）驗算結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形，發(fā)現(xiàn)原設(shè)計鋼筋配筋率不足問題，優(yōu)化后減少混凝土用量8%，避免施工階段返工3次，縮短工期15天，節(jié)約成本約120萬元。

?3.2.3 管網(wǎng)設(shè)施設(shè)計?

在管網(wǎng)設(shè)計中，基于Revit平臺建立給水（球墨鑄鐵管DN300）、雨水（鋼筋混凝土管DN800～DN1000）、污水（HDPE雙壁波紋管DN500）及電力通信管線（PVC管φ110）的三維參數(shù)化模型，通過Navisworks的Clash Detective模塊進行全專業(yè)碰撞檢測，設(shè)置碰撞規(guī)則（最小凈距0.3m）后識別出17處高程沖突，其中6處為雨水管與電力管交叉矛盾，經(jīng)調(diào)整管位高程（最大降深0.8m）后誤差控制在±0.05m以內(nèi)。利用StormCAD水力計算模塊模擬50年一遇暴雨強度（降雨量125mm/h），對雨水管網(wǎng)進行動態(tài)流量分析，發(fā)現(xiàn)K1+200段管道滿流率為98%，通過將管徑從DN800升級至DN1000并增設(shè)檢查井（間距40m），使排水能力達標(biāo)率從82%提升至100%。

電力與通信管線采用預(yù)制拼裝式綜合管廊（斷面尺寸2.5m×2.0m），基于BIM模型導(dǎo)出管節(jié)加工圖（精度±2mm），工廠預(yù)制率提升至85%，現(xiàn)場采用激光定位儀輔助安裝，拼裝誤差率低于1%，施工效率提高30%，減少現(xiàn)場焊接作業(yè)量60%。此外，通過BIM協(xié)同平臺實現(xiàn)管線屬性信息（如材質(zhì)、埋深、防腐等級）的自動關(guān)聯(lián)與施工進度模擬，使管線隱蔽工程驗收一次通過率從75%提高至95%。

3.3 道路虛擬仿真場景設(shè)計?

依托BIM精細化模型（LOD400精度）與UE5引擎的Nanite虛擬化幾何系統(tǒng)，構(gòu)建覆蓋全路段（5.3km）的實時渲染仿真場景，集成交通信號燈（紅綠燈周期120秒）、智能路燈（色溫4000K）、行道樹（香樟樹種）及交通標(biāo)牌（反光等級Ⅳ級）等2000余個動態(tài)交互元素[4]。

通過駕駛模擬器（六自由度運動平臺）采集不同車速（40～80km/h）下駕駛員視野數(shù)據(jù)，分析發(fā)現(xiàn)K3+500彎道處標(biāo)志牌可視距離不足50m，經(jīng)調(diào)整安裝高度（從5m升至6.5m）并采用高反射率膜（逆反射系數(shù)≥500cd/lx/m2），使夜間識別距離增加40%。利用UE5的Lumen全局光照系統(tǒng)模擬路燈照明效果，通過光線追蹤計算得出原設(shè)計（燈桿間距35m）的路面照度均勻度為0.4（標(biāo)準要求≥0.7），優(yōu)化后縮短燈桿間距至30m并采用非對稱配光透鏡，使平均照度從15lx提升至25lx，均勻度達標(biāo)率提高至95%。

在應(yīng)急管理方面，構(gòu)建交通事故（如車輛追尾、燃氣泄漏）與自然災(zāi)害（暴雨積水）多場景仿真模型，基于AI算法動態(tài)規(guī)劃疏散路徑，將人員撤離時間從8分鐘縮短至5分鐘。該虛擬仿真系統(tǒng)已應(yīng)用于施工交底（累計培訓(xùn)300人次）與公眾參與展示（VR設(shè)備體驗1500人次），使設(shè)計變更溝通效率提升35%，降低圖紙誤解導(dǎo)致的返工成本約20%。

4 結(jié)語

綜上所述，在道路工程的實踐中，交互設(shè)計的角色已經(jīng)超越了單純的產(chǎn)品設(shè)計，更注重于設(shè)計活動的行為和流程本身。通過具體道路工程設(shè)計案例的檢驗，文章所提出的方法在處理復(fù)雜城市道路設(shè)計中多專業(yè)整合環(huán)節(jié)所遇到的組件沖突和施工圖混亂問題方面，展現(xiàn)出顯著的優(yōu)化效果。此外，該方法還確保各專業(yè)工程與工藝信息的順暢流通，對工程主次任務(wù)的描述更加明確。實際操作的結(jié)果表明，與傳統(tǒng)二維設(shè)計相比，這種方法在促進不同專業(yè)設(shè)計人員之間的信息交流，以及與施工、建設(shè)單位的溝通協(xié)調(diào)方面，展現(xiàn)出更高的效率和科學(xué)性，為項目參與方提供了滿意的、有效的工程實體表達方式。

參考文獻：

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