BIM技術(shù)在公路工程設(shè)計(jì)階段中應(yīng)用研究

歐佳佳 戴 瑋

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，合肥 230088)

前言

BIM(Building Information Modeling)技術(shù)是一種通過三維模型攜帶大量數(shù)據(jù)信息并傳遞運(yùn)用在工程建設(shè)全項(xiàng)目周期的新型信息化技術(shù)，是對工程建設(shè)項(xiàng)目各階段物理特征和功能特性的數(shù)字化表達(dá)，具有以數(shù)據(jù)為中心的全生命周期理念特性[1]。BIM技術(shù)運(yùn)用體系在建筑等行業(yè)已經(jīng)十分完善，而在公路工程行業(yè)仍然處于初期發(fā)展階段[2]。

1 BIM技術(shù)在公路工程應(yīng)用現(xiàn)狀

BIM 技術(shù)在我國已經(jīng)發(fā)展推廣多年，部分行業(yè)如建筑行業(yè)已十分成熟，BIM 技術(shù)基本可以貫穿“建管養(yǎng)運(yùn)”一體化全生命周期過程[3]。而公路工程仍然處于摸索和發(fā)展階段，涉及的工程范圍廣、相關(guān)專業(yè)多，同時長線條帶狀特性與點(diǎn)狀構(gòu)筑物特性有很大的區(qū)別，因此，BIM技術(shù)在公路工程上的推廣應(yīng)用十分局限。

從2003 年開始，我國就已經(jīng)在工程項(xiàng)目中引入了BIM技術(shù)。十多年以來，BIM 技術(shù)不僅在我國各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用推廣，還進(jìn)行了許多創(chuàng)新研究。在提高工程建設(shè)質(zhì)量的同時，還極大地減少了工程建設(shè)成本。到2013年，住建部發(fā)布相關(guān)文件，明確指出BIM 技術(shù)在建筑領(lǐng)域應(yīng)用的重要性。文件明確指出：到2020年末，甲級勘察設(shè)計(jì)單位以及特一級施工企業(yè)要掌握并實(shí)現(xiàn)BIM 與企業(yè)管理系統(tǒng)和其他信息技術(shù)的一體化集成應(yīng)用。2016年，交通運(yùn)輸部發(fā)布了關(guān)于打造公路水運(yùn)品質(zhì)工程的指導(dǎo)意見，旨在推進(jìn)公路水運(yùn)品質(zhì)工程建設(shè)，提升公路水運(yùn)工程質(zhì)量，為人民群眾安全便利出行和社會物資高效暢通運(yùn)輸提供更加可靠的保障。隨即2017年，交通運(yùn)輸部辦公廳下發(fā)關(guān)于開展公路BIM技術(shù)應(yīng)用示范工程建設(shè)的通知，主要任務(wù)包括：提升公路設(shè)計(jì)水平； 提高公路建設(shè)管理水平； 推進(jìn)公路養(yǎng)護(hù)管理信息化。

從交通部各階段文件可以看出，國家和行業(yè)現(xiàn)階段對于公路工程BIM 技術(shù)發(fā)展應(yīng)用十分重視。在我國設(shè)計(jì)行業(yè)的發(fā)展歷程中，最近一次設(shè)計(jì)技術(shù)變革可追溯到CAD引進(jìn)時期，從手繪圖紙到CAD繪圖，解放了設(shè)計(jì)師的雙手。而現(xiàn)階段的BIM 技術(shù)推廣應(yīng)用，又是一次新的設(shè)計(jì)技術(shù)變革，充分解放了設(shè)計(jì)師的思想。BIM技術(shù)的應(yīng)用不僅是設(shè)計(jì)工具的迭代更新，更是設(shè)計(jì)理念和思想的創(chuàng)新進(jìn)步[4]。

2 設(shè)計(jì)階段BIM技術(shù)應(yīng)用

2.1 BIM+GIS設(shè)計(jì)應(yīng)用

公路工程設(shè)計(jì)對地形地貌原始數(shù)據(jù)的依賴性很高，在傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)模式中，對于長線條帶寬的高速公路設(shè)計(jì)，則需要通過委托測繪局進(jìn)行實(shí)地測繪，利用大量測繪點(diǎn)繪制成地形圖，設(shè)計(jì)時對設(shè)計(jì)人員空間想象及理解能力要求高，設(shè)計(jì)質(zhì)量難以得到保證，同時涉及到大面積拆遷征地時，會產(chǎn)生許多不可控影響。而且在設(shè)計(jì)環(huán)境條件復(fù)雜時，需要設(shè)計(jì)人員長時間在外進(jìn)行野外勘察，根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需求在設(shè)計(jì)階段需要出勘數(shù)次，極大地影響了設(shè)計(jì)進(jìn)程和效率。

G3W德州至上饒高速合肥到樅陽段根據(jù)項(xiàng)目特性和業(yè)主要求，全項(xiàng)目范圍采用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用，主線帶寬左右幅各300m，局部工點(diǎn)位置帶寬左右幅各500m，復(fù)雜工點(diǎn)處根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)需求加大帶寬長度。無人機(jī)測量采用五鏡頭傾斜相機(jī)，沿線布設(shè)滿足1： 2 000要求的控制點(diǎn)，在采集照片數(shù)據(jù)之后，由于項(xiàng)目帶狀特性，直接進(jìn)行空三分析建模成功率較低，采用重建大師軟件進(jìn)行計(jì)算分析，有效地完成了空三處理，建立了多角度要素的三維真實(shí)場景模型。

項(xiàng)目復(fù)雜工點(diǎn)之一呂亭南樞紐互通立交，該互通與合安高速交匯，屬于重點(diǎn)復(fù)雜工點(diǎn)工程，在樞紐范圍內(nèi)通過傾斜攝影測量技術(shù)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場高清數(shù)據(jù)采集，并經(jīng)過分析處理后利用GIS平臺還原項(xiàng)目實(shí)地現(xiàn)場三維立體模型，且依照國家84坐標(biāo)系高程誤差控制在米級，平面誤差控制在分米級，實(shí)現(xiàn)了高精度的數(shù)據(jù)采集處理，建立真實(shí)有效的實(shí)景模型。

利用傾斜攝影測量實(shí)景模型對項(xiàng)目實(shí)施時現(xiàn)場情況的收集以及現(xiàn)場地形地貌的分析，不僅成為實(shí)地拆遷征地的有效佐證，還能為項(xiàng)目踏勘時提供一定的勘察輔助，同時利用生成的高清地形地貌，為多專業(yè)設(shè)計(jì)提供了大量的有效依據(jù)和參考[5]，包括主線設(shè)計(jì)線位、填挖平衡、現(xiàn)有道路現(xiàn)狀、池塘水溝位置等。在設(shè)計(jì)完成后，采用Infraworks軟件的GIS平臺集成和定位功能，將實(shí)景模型和多專業(yè)三維設(shè)計(jì)模型綜合集成，進(jìn)行設(shè)計(jì)校核及查驗(yàn)，同時進(jìn)行項(xiàng)目范圍內(nèi)的景觀綠化等環(huán)境設(shè)計(jì)并直觀地進(jìn)行可視化方案比選。通過BIM+GIS技術(shù)應(yīng)用，不僅為設(shè)計(jì)工作提供了較大便利，降低了大量人工成本和設(shè)計(jì)成本，同時也為后期數(shù)字化設(shè)計(jì)交付數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性提供了依據(jù)。

圖3 BIM+GIS改路改溝調(diào)查

圖4 BIM+GIS橋梁設(shè)計(jì)方案比選

圖5 BIM+GIS綜合應(yīng)用

2.2 基于公路工程的多專業(yè)設(shè)計(jì)校核

在公路工程設(shè)計(jì)中會涉及到道路、橋梁、涵洞、隧道等多個專業(yè)設(shè)計(jì)，專業(yè)繁多且不同的公路工程項(xiàng)目所含設(shè)計(jì)專業(yè)也不盡相同，在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式下無論是三階段設(shè)計(jì)過程中還是在設(shè)計(jì)階段結(jié)束后都存在繁雜的設(shè)計(jì)改動和變更，流程復(fù)雜繁瑣，影響設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量[6]。在設(shè)計(jì)階段中很多相關(guān)專業(yè)設(shè)計(jì)只能通過經(jīng)驗(yàn)和預(yù)估設(shè)想進(jìn)行設(shè)計(jì)，道路邊坡填挖方、橋梁構(gòu)件埋深、涵洞設(shè)計(jì)標(biāo)高和底標(biāo)高、改路改溝接線位置及方向、路面高程等等都難以精確化定位，在現(xiàn)場施工時對實(shí)際地形還存在不可確定性的平整和因地制宜性的選擇，同時在多專業(yè)設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)時會存在設(shè)計(jì)差異。因此在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行專業(yè)的設(shè)計(jì)校核具有重要意義，可以提前發(fā)現(xiàn)和避免大量設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的設(shè)計(jì)問題。

G3W德州至上饒高速合肥到樅陽段全線三維設(shè)計(jì)根據(jù)標(biāo)段劃分和設(shè)計(jì)單位BIM實(shí)際應(yīng)用情況分別選擇了Autodesk和Bentley平臺，基于Autodesk平臺的路橋隧涵及附屬工程的設(shè)計(jì)建模采用Revit+Dynamo+Civil 3d軟件組合模式，而基于Bentley平臺的路橋隧涵及附屬工程的設(shè)計(jì)建模采用的是Power Civil+Open Bridge Modeler+Microstation軟件組合模式，為了簡化建模流程及提高建模效率，分別基于Revit及Microstation平臺進(jìn)行了二次軟件工具開發(fā)。最后通過項(xiàng)目集成平臺將兩類BIM數(shù)據(jù)融合對接。

圖6 平臺二次工具開發(fā)示例

在設(shè)計(jì)各階段過程中，通過利用現(xiàn)場地形還原和傾斜攝影測量三維成像BIM技術(shù)，讓設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時充分考慮場地實(shí)際情況和影響因素進(jìn)行相關(guān)專業(yè)設(shè)計(jì)。在各專業(yè)綜合設(shè)計(jì)模型完成后，通過采用綜合對比分析法、路線限界校核法和碰撞檢測校核法進(jìn)行設(shè)計(jì)校核。

圖7 路線限界校核法

圖8 綜合對比分析法

圖9 碰撞檢測校核法

通過多階段設(shè)計(jì)過程同步的多專業(yè)設(shè)計(jì)校核，有效地減少了設(shè)計(jì)不合理、設(shè)計(jì)缺陷和凈空不足等問題的出現(xiàn)，通過優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案和模型為下階段提供了一定的施工便利，減少了許多設(shè)計(jì)變更。

2.3 構(gòu)件編碼體系應(yīng)用及延伸

基于全壽命周期BIM技術(shù)應(yīng)用背景下，三維數(shù)據(jù)模型從設(shè)計(jì)到施工再至運(yùn)維階段，模型數(shù)據(jù)信息的傳遞、構(gòu)件信息的繼承使用則成為銜接各階段BIM技術(shù)應(yīng)用尤為重要的途徑，因此需要在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行詳盡的工程構(gòu)件信息分類及構(gòu)件編碼[7]。這種體系應(yīng)用不僅可以在各個階段將所有幾何模型信息、功能要求和性能表達(dá)，更是一個創(chuàng)建、存儲、管理及應(yīng)用數(shù)據(jù)信息的過程[8]。

現(xiàn)階段公路工程構(gòu)件編碼體系國內(nèi)外均很粗泛，根據(jù)公路工程項(xiàng)目的特殊性，并參照鐵路構(gòu)件編碼規(guī)范自主進(jìn)行構(gòu)件信息分類和編碼。

圖10 構(gòu)件編碼構(gòu)成原則

圖11 道路構(gòu)件編碼示例

BIM三維模型由諸多構(gòu)件組成，而構(gòu)件作為組成BIM模型的基本單位，在儲存和調(diào)用模型構(gòu)件信息時，就必須通過構(gòu)件編碼進(jìn)行區(qū)別與索引[9]。在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段中，通過三維模型建立過程中對每一個構(gòu)件賦予唯一的構(gòu)件編碼，相關(guān)專業(yè)人員可通過構(gòu)件編碼對所需構(gòu)件信息進(jìn)行直接調(diào)取，在項(xiàng)目工程量統(tǒng)計(jì)估算時，根據(jù)不同的構(gòu)件分類迅速對三維模型工程凈量進(jìn)行自動統(tǒng)計(jì)對比，提高估算的準(zhǔn)確度。同時也方便了在后期快速發(fā)現(xiàn)、查找和定位設(shè)計(jì)錯誤或者需要設(shè)計(jì)修改的工程構(gòu)件。

圖12 橋梁構(gòu)件編碼示例

在構(gòu)件加工階段，利用每個單體構(gòu)件上的編碼可以為生產(chǎn)廠商提供每一個構(gòu)件的詳細(xì)信息，極大地降低了數(shù)據(jù)傳遞過程中的丟失和錯誤，方便構(gòu)件的實(shí)時管理和查詢。在項(xiàng)目施工階段，施工管理人員可以對實(shí)際施工情況進(jìn)行實(shí)時把控，直觀地觀察到施工計(jì)劃的進(jìn)度偏差，能夠及時采取措施并對施工進(jìn)度計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整或重置。在項(xiàng)目運(yùn)維階段，可以實(shí)現(xiàn)信息化的運(yùn)維管理，當(dāng)構(gòu)件壽命、預(yù)設(shè)維護(hù)和更換時間等相關(guān)指標(biāo)達(dá)到期限時，會自動提醒業(yè)主進(jìn)行構(gòu)件檢查和維護(hù)，并把相關(guān)運(yùn)維信息再記錄進(jìn)去，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的保存和再次利用。

構(gòu)件編碼體系的應(yīng)用是為全壽命周期BIM技術(shù)應(yīng)用各階段提供服務(wù)，其數(shù)據(jù)信息基礎(chǔ)起于設(shè)計(jì)階段，因此在設(shè)計(jì)階段做好構(gòu)件信息分類和編碼具有重大意義。

3 設(shè)計(jì)階段全過程BIM技術(shù)應(yīng)用總結(jié)

根據(jù)公路工程特性在其設(shè)計(jì)階段可將BIM技術(shù)應(yīng)用劃分至工可方案階段、初步設(shè)計(jì)階段及施工圖設(shè)計(jì)階段，基于每個不同設(shè)計(jì)階段采用不同BIM技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)。

工可方案階段，通過采集的測繪數(shù)據(jù)形成項(xiàng)目工點(diǎn)范圍內(nèi)地形圖，利用三維地形軟件將地形圖處理生成有效三維地形模型，然后將地形模型導(dǎo)入GIS平臺，并通過高質(zhì)量衛(wèi)片貼合或?qū)觾A斜攝影測量實(shí)景模型進(jìn)行工點(diǎn)現(xiàn)場實(shí)況模擬分析。利用三維實(shí)景地形進(jìn)行簡便高效的平縱方案設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員通過直觀可視化的多方案比選，擇出最優(yōu)方案并可以將相關(guān)方案生動地向業(yè)主匯報展示。

初步設(shè)計(jì)階段，在確定具體方案之后，采用專業(yè)的道路橋梁等三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行專業(yè)設(shè)計(jì)，從傳統(tǒng)的二維平面設(shè)計(jì)逐步轉(zhuǎn)化為空間三維設(shè)計(jì)。運(yùn)用專業(yè)化的參數(shù)控制，按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行模板設(shè)計(jì)，從主線到被交線，從匝道到匯交鼻端，從上穿到下跨，滿足初步設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)和要求。在主體工程完成設(shè)計(jì)后，需要進(jìn)行設(shè)計(jì)校核，針對設(shè)計(jì)上可能存在的設(shè)計(jì)問題或依據(jù)現(xiàn)場地形實(shí)況需要進(jìn)行修改的問題，在三維模型上精準(zhǔn)查驗(yàn)探討并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，無論是提出的設(shè)計(jì)修改意見還是相關(guān)的設(shè)計(jì)影響因素，都能及時準(zhǔn)確地進(jìn)行標(biāo)注和修改。

施工圖設(shè)計(jì)階段，通過初步設(shè)計(jì)評審之后，可對初步設(shè)計(jì)的三維數(shù)據(jù)模型進(jìn)行再加工，依照評審意見對相關(guān)專業(yè)進(jìn)行精確的參數(shù)化變更，深化模板設(shè)計(jì)，細(xì)化更多道路邊坡邊溝、改路改溝、橋梁細(xì)部構(gòu)件及護(hù)欄等深層次數(shù)據(jù)模型，并對所有分類構(gòu)件模型進(jìn)行構(gòu)件編碼，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)模型信息的可控性，便于設(shè)計(jì)變更及交付后的精準(zhǔn)查詢定位，同時基于深化設(shè)計(jì)模型可以進(jìn)行相關(guān)景觀綠化排水等專業(yè)設(shè)計(jì)，使三維數(shù)據(jù)信息能被生態(tài)化、可持續(xù)化利用。

從工可階段到初步設(shè)計(jì)階段，再到施工圖設(shè)計(jì)階段，采用同一套三維數(shù)據(jù)基礎(chǔ)模型進(jìn)行修改深化，極大地提高了設(shè)計(jì)方案的比選印證效率，實(shí)現(xiàn)了一套三維數(shù)據(jù)模型從低精度到高精度的重復(fù)利用，同時數(shù)字化交付的三維信息數(shù)據(jù)模型也提高了施工方后期的施工管理效率，為項(xiàng)目運(yùn)維提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[10]。

4 結(jié)束語

綜上所述，隨著我國交通基建行業(yè)的BIM技術(shù)應(yīng)用不斷推廣，公路工程BIM技術(shù)應(yīng)用也在不斷發(fā)展、成熟，這是一個長期創(chuàng)新和進(jìn)步的過程。本文詳細(xì)分析了公路工程設(shè)計(jì)階段多方面BIM技術(shù)應(yīng)用，在總結(jié)多階段BIM技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，為全壽命周期BIM技術(shù)應(yīng)用提供有效依據(jù)。同時也為廣大公路工程BIM技術(shù)人員提供了設(shè)計(jì)階段BIM技術(shù)應(yīng)用參考，促進(jìn)數(shù)字化三維技術(shù)在公路工程的發(fā)展和應(yīng)用。