辛力
(中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江杭州311122)
BIM 技術(shù)即建筑信息模型,是建筑工程領(lǐng)域的新興技術(shù),其以數(shù)字化仿真建模為基礎(chǔ),具有出圖可視化、模擬性、協(xié)調(diào)性等諸多優(yōu)勢,并且能搭載三維數(shù)字化技術(shù)、三維協(xié)同技術(shù),可有效提升工程設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)性、效率,可從工程全生命周期角度對勘測設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。進(jìn)一步推廣BIM 技術(shù)在公路勘測設(shè)計(jì)中的應(yīng)用,對提升公路勘測設(shè)計(jì)水平有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
BIM 是建筑信息模型(Building Information Modeling)英文首字母的縮寫,為建筑工程領(lǐng)域新興技術(shù)手段,其主要技術(shù)內(nèi)容包括三維圖形、構(gòu)造物相關(guān)電腦輔助設(shè)計(jì)、物件導(dǎo)向等,目前其在提高設(shè)計(jì)效率、設(shè)計(jì)效果以及輔助工程管理方面發(fā)揮的作用與價(jià)值得到了世界范圍內(nèi)的認(rèn)可。在公路工程中應(yīng)用BIM 技術(shù),可將設(shè)計(jì)、施工直至工程拆除的整個(gè)生命周期內(nèi)的信息匯總整合,構(gòu)建起三維模型信息數(shù)據(jù)庫,便于各個(gè)部門協(xié)同工作、全面了解工程狀態(tài),有助于高效工作、減少資源浪費(fèi)、節(jié)約成本等,對公路行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有重要意義。單純從設(shè)計(jì)角度來講,其改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)形式,可通過三維建模與數(shù)字化技術(shù)的配合,構(gòu)建起具有工程幾何信息、狀態(tài)信息以及專業(yè)屬性的仿真模型,集成化顯示信息,可供設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中各個(gè)主體在同一平臺(tái)上完成信息的交換、共享、交流[1]。
目前,在具體應(yīng)用實(shí)踐中,BIM 技術(shù)主要呈現(xiàn)出以下特點(diǎn):第一,可視化,即“所見所得”形式。在工程領(lǐng)域,可視化的運(yùn)用具有重要價(jià)值,其在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用價(jià)值更為突出,能夠改變傳統(tǒng)以繪制線條形式表達(dá)設(shè)計(jì)意圖的模式,可直接給出立體化設(shè)計(jì)效果,無需再自行想象;且與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)效果圖相比,BIM 技術(shù)提供的三維立體可視化模型能夠顯示構(gòu)件的大小、顏色、位置等多元信息,并且可在模型上直接編輯,可增強(qiáng)構(gòu)件之間的反饋性與互動(dòng)性,能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)設(shè)計(jì)過程可視化。第二,協(xié)調(diào)性。為確保設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性、合理性,減少后續(xù)施工期間的設(shè)計(jì)變更問題,設(shè)計(jì)過程中建設(shè)單位、施工單位需協(xié)調(diào)配合,當(dāng)遇到重點(diǎn)、難點(diǎn)時(shí)需要各單位協(xié)調(diào)解決、處理,探究最合適的辦法,其中設(shè)計(jì)過程中更容易發(fā)生專業(yè)碰撞問題,BIM技術(shù)可提供協(xié)調(diào)性服務(wù),專門對各專業(yè)設(shè)計(jì)期間碰撞問題進(jìn)行處理與協(xié)調(diào)[2]。第三,模擬性。BIM 技術(shù)并非只能進(jìn)行三維數(shù)字化模型構(gòu)建,模擬項(xiàng)目建設(shè)情況,其也能模擬出真實(shí)世界中的事物變化,如日照模擬、節(jié)能模擬等,更有利于優(yōu)化設(shè)計(jì),方便指導(dǎo)施工,可加強(qiáng)施工環(huán)節(jié)的成本控制。第四,優(yōu)化性。工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)是一個(gè)不斷優(yōu)化的過程,在BIM 技術(shù)的支持下,能更好地進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。BIM 技術(shù)能夠提供準(zhǔn)確的信息,如幾何信息、規(guī)則信息、物理信息等,遇到設(shè)計(jì)內(nèi)容復(fù)雜度較高的情況,可利用其他科學(xué)技術(shù)或設(shè)備作輔助,幫助設(shè)計(jì)人員掌握更多自身能力范疇外的信息,進(jìn)而降低設(shè)計(jì)工作難度。
在公路勘察設(shè)計(jì)中利用BIM 技術(shù)可實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境選線,便于專家團(tuán)隊(duì)、建設(shè)單位、監(jiān)理單位同時(shí)參與,高效、協(xié)調(diào)完成設(shè)計(jì)目標(biāo)。在第4 代勘測激光掃描技術(shù)的支持下,與BIM 技術(shù)相關(guān)的三維交互技術(shù)愈發(fā)成熟,能夠建立起更完善的數(shù)據(jù)庫。因此,在公路選線等環(huán)節(jié)可基于技術(shù)應(yīng)用層面完善三維模型。在初期設(shè)計(jì)階段,需要通過勘測獲取施工場地的基本地形、地貌信息,并借助機(jī)載激光掃描或車載技術(shù)將數(shù)據(jù)匯總到BIM 數(shù)據(jù)庫內(nèi),構(gòu)建起三維模型,模擬施工場地內(nèi)的實(shí)際情況并進(jìn)行分析,再將空間信息疊加,整個(gè)過程中,建設(shè)單位、監(jiān)理單位可同時(shí)獲得信息,并根據(jù)公路建設(shè)需要提出完善、優(yōu)化、整改設(shè)計(jì)的建議。形成初步設(shè)計(jì)方案后,則可引入專家系統(tǒng),通過技術(shù)與經(jīng)濟(jì)兩個(gè)層面的約束,分析設(shè)計(jì)的合理性,并且BIM 技術(shù)平臺(tái)可提供檢查、查詢及實(shí)時(shí)修改線位等功能,將各個(gè)主體的想法、需求等疊加,以便設(shè)計(jì)單位更全面地了解公路項(xiàng)目的建設(shè)目標(biāo),對設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。在此過程中,BIM 技術(shù)平臺(tái)還能協(xié)助各方完成實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)協(xié)同設(shè)計(jì),支持實(shí)時(shí)傳遞信息、快速訪問,提高審核效率,進(jìn)而提升設(shè)計(jì)工作整體效率[3]。
傳統(tǒng)的公路勘測設(shè)計(jì)中多利用AutoCAD 軟件繪制二維平面圖,雖然能設(shè)計(jì)出剖切圖及立面圖,但整體缺乏立體性,不方便展示整體效果,且失誤率高,在設(shè)計(jì)方案應(yīng)用過程中,還需要進(jìn)一步與施工現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行比對,浪費(fèi)時(shí)間與成本。而BIM 技術(shù)在公路勘測設(shè)計(jì)中的應(yīng)用,不僅能夠完善三維仿真立體建模,也能夠?qū)崿F(xiàn)正向設(shè)計(jì),展示可視化設(shè)計(jì)模型如圖1所示,便于建設(shè)單位等了解設(shè)計(jì)方案的整體效果。同時(shí),整個(gè)設(shè)計(jì)過程便于控制,保證設(shè)計(jì)決策從工程整體出發(fā),從而使設(shè)計(jì)方案更加科學(xué)、可靠[4]。此外,在勘測環(huán)節(jié)也可利用無人機(jī)傾斜設(shè)計(jì)技術(shù)構(gòu)建起可視化三維地質(zhì)建模平臺(tái),還原地上、地下真實(shí)場景,為設(shè)計(jì)提供更直觀、更可靠的依據(jù),減少設(shè)計(jì)中的沖突。
圖1 可視化設(shè)計(jì)模型
公路勘察設(shè)計(jì)具有專業(yè)性特征,對從業(yè)人員的專業(yè)技術(shù)能力要求較高,但個(gè)體之間的能力無法統(tǒng)一,綜合素質(zhì)、設(shè)計(jì)理念上也存在一定差異,導(dǎo)致相同設(shè)計(jì)要求下,不同設(shè)計(jì)人員給出的設(shè)計(jì)方案不同,其中不乏遺漏重要信息內(nèi)容的現(xiàn)象,且從經(jīng)濟(jì)可行性、技術(shù)可行性的角度來講,也需要對多個(gè)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評估,最終確保選擇最佳方案。以往在對比過程中雖然有專家的參與,但在細(xì)節(jié)的對比上多依靠經(jīng)驗(yàn)或主觀判斷,或存在評判指標(biāo)單一等情況,難以保證方案評選的客觀性。而利用BIM 技術(shù)平臺(tái)有機(jī)結(jié)合三維數(shù)字模型、GIS 三維智能選線技術(shù),則可以嚴(yán)格按照公路規(guī)劃建設(shè)要求進(jìn)行路線方案的對比與評估,從而幫助建設(shè)單位選擇最佳設(shè)計(jì)方案。同時(shí),在方案評比過程中,BIM 技術(shù)平臺(tái)能夠自動(dòng)完成立體模型深度分析及三維平縱定線分析,自動(dòng)篩選出較高價(jià)值的路線,再利用人工智能算法,在公路建設(shè)中提出的各種限制條件上,自動(dòng)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)[5]。
公路工程的線性特點(diǎn)十分突出,但由于線路分散,情況十分復(fù)雜,導(dǎo)致勘測設(shè)計(jì)中經(jīng)常出現(xiàn)設(shè)計(jì)文件與圖表不一致的情況,需要設(shè)計(jì)人員反復(fù)校核,處理誤差。但在BIM 技術(shù)平臺(tái)上,依托數(shù)字化三維模型,可完成不同展業(yè)對象的碰撞檢查,能夠快速查找誤差與錯(cuò)誤,及時(shí)對設(shè)計(jì)參數(shù)與內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整。例如,在公路工程中立交橋部分設(shè)計(jì)過程中,鋼筋鋼束經(jīng)常發(fā)生沖突,而利用BIM 技術(shù)進(jìn)行碰撞檢查,則能準(zhǔn)確判斷有無沖突及沖突的具體位置。檢查中需根據(jù)技術(shù)參數(shù)構(gòu)建起三維模型圖,即采用Revit 鋼筋族庫完成普通鋼筋鋼束模型創(chuàng)建,對不同類型鋼筋標(biāo)記不同色彩,加以區(qū)分。點(diǎn)開鋼筋約束后,設(shè)計(jì)過程中鋼筋位置不會(huì)產(chǎn)生沖突,即在相同位置同時(shí)設(shè)置鋼筋,平臺(tái)會(huì)自動(dòng)調(diào)整位置并進(jìn)行提示,提醒此處已設(shè)置鋼筋,并且可自動(dòng)約束,在縱橫交錯(cuò)的箍筋中,里面箍筋禁止被移動(dòng)到外面,根據(jù)軟件給出的規(guī)則進(jìn)行檢查,再將模型調(diào)整為可視狀態(tài),勾選不阻擋呈現(xiàn),則可將鋼筋鋼束實(shí)體呈現(xiàn)出來,利用navisworks 再次進(jìn)行碰撞檢測,則可更清晰地體現(xiàn)碰撞點(diǎn),及時(shí)修改即可[6]。
以往,在公路勘測設(shè)計(jì)中,通常以二維圖紙形式交付設(shè)計(jì)文件,此方式存在局限,不便于項(xiàng)目的實(shí)施。而BIM 技術(shù)不僅可以交付二維圖紙,也可交付三維數(shù)字模型,為項(xiàng)目實(shí)施提供更直觀的依據(jù)。數(shù)字化三維模型中有公路工程構(gòu)件或非構(gòu)件的狀態(tài)信息,可用于設(shè)計(jì)審核、施工方案模擬、施工交底等多個(gè)環(huán)節(jié),更方便業(yè)主了解設(shè)計(jì)情況、工程預(yù)期效果,也可應(yīng)用到后期的運(yùn)營監(jiān)管中,還能增加工程后期養(yǎng)護(hù)、維修、改擴(kuò)建信息,可為重大決策提供關(guān)鍵性數(shù)據(jù)信息,提高公路勘測設(shè)計(jì)的使用效果。
某地新建高速公路工程,施工段長度為8.5km,途經(jīng)城鎮(zhèn),設(shè)計(jì)公路時(shí)速為120km/h,路基總寬度為33.5m;該施工段內(nèi)存在4 處互通式立交,涉及37 座高架橋施工,且施工時(shí)需預(yù)留出遠(yuǎn)期綜合管廊,經(jīng)現(xiàn)場勘測已基本明確布設(shè)條件。但從工程整體情況來看,拆遷難度大,規(guī)劃中要求保存周圍景觀,鑒于該設(shè)計(jì)的復(fù)雜性,選擇借助BIM 技術(shù)進(jìn)行勘測設(shè)計(jì),需要使用Bentley、Micro Station、Project Wise、Context Capture 等軟件搭建三維模型平臺(tái),完成項(xiàng)目協(xié)同管理。
3.2.1 在勘測環(huán)節(jié)的應(yīng)用
BIM 技術(shù)聯(lián)合其他設(shè)計(jì)軟件,可在相同環(huán)境下協(xié)調(diào)完成同一項(xiàng)目的多個(gè)任務(wù),如匯總與編輯原始地形地貌勘測數(shù)據(jù)、勘測設(shè)計(jì)工程原始地形,實(shí)現(xiàn)地面實(shí)景構(gòu)建等。具體來講,結(jié)合Context Capture 軟件,可基于布設(shè)的102 個(gè)高精度像控制點(diǎn)完成公路全線三維實(shí)景模型構(gòu)建,將模型精度控制在1∶2000,再通過三維激光掃描則可在BIM 技術(shù)平臺(tái)上還原真實(shí)場景,再疊合地質(zhì)勘探數(shù)據(jù),則可高精度構(gòu)建三維地層分布模型,確保相關(guān)單位全面、準(zhǔn)確地掌握現(xiàn)場勘測結(jié)果。
3.2.2 在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的應(yīng)用
(1)建模
基于三維建模,可在模型中反饋出道路中地下、地上管線布設(shè)情況以及已有交通設(shè)施情況,各專業(yè)組基于Project Wise 平臺(tái)協(xié)同完成設(shè)計(jì)工作;結(jié)合Power Civil 軟件,可設(shè)計(jì)公路路線、立交平面與橫縱斷面,完善可視化模型的信息。對于沿線景觀以及現(xiàn)場情況復(fù)雜的區(qū)域,可在可視化下完成設(shè)計(jì)方案分析,及時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。同時(shí),可在此基礎(chǔ)上結(jié)合路線,優(yōu)化管廊布設(shè),這樣能夠減少管廊施工中的干擾因素。最后利用LumenRT 動(dòng)態(tài)展示三維數(shù)字化模型,便可更清晰地體現(xiàn)出工程的拆遷量。
(2)工程量計(jì)算
公路工程中的曲面公路及曲面間土方量計(jì)算通常為工程量的計(jì)算難點(diǎn),在BIM 技術(shù)的支持下,可以更合理地運(yùn)用復(fù)合體積法、平均斷面法展開計(jì)算,因BIM 技術(shù)平臺(tái)能夠生成準(zhǔn)確的土方調(diào)配圖表,動(dòng)態(tài)展示土壤的移動(dòng)方向,客觀的給出集體填挖距離,從而可以更準(zhǔn)確地計(jì)算出施工量與所需工料。
(3)評審
該項(xiàng)目對勘測設(shè)計(jì)的要求較高,增加了設(shè)計(jì)流程的復(fù)雜性,使用CAD 無法客觀、準(zhǔn)確地評比方案,且無法實(shí)現(xiàn)各利益方共同參與評比。而通過Project Wise 平臺(tái)則可實(shí)現(xiàn)多方協(xié)同完成方案評比工作。設(shè)計(jì)人員只需將設(shè)計(jì)模型及數(shù)據(jù)文件上傳至平臺(tái),在便攜客戶端,建設(shè)單位、監(jiān)理單位、施工單位可基于相同的文件數(shù)據(jù)了解方案內(nèi)容,且從信息安全角度考慮,平臺(tái)上仍有其他不具備方案評比權(quán)限的主體,可設(shè)置權(quán)限驗(yàn)證或賦予權(quán)限,保證僅有具備參與評比資質(zhì)的主體能夠獲得進(jìn)入權(quán)限。
(4)生成設(shè)計(jì)圖
通過BIM 技術(shù)完成公路設(shè)計(jì)后,參考TK 圖框、使用數(shù)據(jù)快捷鍵,則可自動(dòng)生成設(shè)計(jì)圖,簡化出圖流程,此環(huán)節(jié)能節(jié)約大量時(shí)間,且圖紙均借助相同圖例,減少設(shè)計(jì)過程中對大量重復(fù)數(shù)據(jù)的處理,也可根據(jù)需要生成無數(shù)個(gè)設(shè)計(jì)草圖,而修改中僅對施工模型上的參數(shù)進(jìn)行更改,便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫內(nèi)所有設(shè)計(jì)圖中該項(xiàng)數(shù)據(jù)的更新。
(5)多領(lǐng)域協(xié)作、優(yōu)化
完成公路設(shè)計(jì)后,為協(xié)調(diào)其他專業(yè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì),各專業(yè)項(xiàng)目可利用協(xié)同平臺(tái)在統(tǒng)一的路線、土方量、橫縱斷面等數(shù)據(jù)信息基礎(chǔ)上完成設(shè)計(jì)工作,確保設(shè)計(jì)基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)的一致性,減少專業(yè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)中的沖突。
(6)統(tǒng)一出圖
設(shè)計(jì)工作整體結(jié)束后,出圖應(yīng)按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行,避免因設(shè)計(jì)信息不一致,為其他專業(yè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)與后續(xù)更改圖紙帶來不便。
3.2.3 BIM 技術(shù)應(yīng)用效果
在該項(xiàng)目勘測設(shè)計(jì)中,由于公路途經(jīng)城鎮(zhèn),工程設(shè)計(jì)更加復(fù)雜,基于BIM 技術(shù)提供的地形、地貌實(shí)景圖,能夠更具針對性地設(shè)計(jì)不同部分的施工方法,便于指導(dǎo)高效、靈活施工方案的編制,且設(shè)計(jì)期間協(xié)調(diào)各主體的參與,對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行全方位的調(diào)整與優(yōu)化,能使設(shè)計(jì)工作高效進(jìn)行。即使涉及設(shè)計(jì)內(nèi)容調(diào)整,在三維數(shù)字化模型上完成數(shù)據(jù)與信息編輯則可完成整個(gè)數(shù)據(jù)庫內(nèi)的同步更新,能夠減少諸多不必要的麻煩,顯著提高設(shè)計(jì)效率。
綜上所述,BIM 技術(shù)在公路勘測設(shè)計(jì)中的應(yīng)用有重大價(jià)值,其通過三維數(shù)字模型便可實(shí)現(xiàn)可視化設(shè)計(jì),能夠更全面、立體地展現(xiàn)設(shè)計(jì)效果,以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的沖突、錯(cuò)誤等,且基于多方協(xié)調(diào),能夠更科學(xué)、合理地優(yōu)化設(shè)計(jì),確保獲得最佳設(shè)計(jì)方案,進(jìn)而提高設(shè)計(jì)質(zhì)量與效果,為公路項(xiàng)目順利實(shí)施奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。