BIM技術(shù)在市政道路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

黃炎 任娜娜 湯蘇衡 劉雪松

摘 要：本文以雄安新區(qū)市政道路設(shè)計(jì)工程為依托，詳細(xì)介紹了以鴻業(yè)路易軟件為工具，創(chuàng)建三維數(shù)字地面模型、道路模型和交通工程模型的技術(shù)路線，總結(jié)了快速添加設(shè)計(jì)工程信息和制作雄安工程項(xiàng)目數(shù)據(jù)（XDB）的技術(shù)流程，提出了四層級BIM設(shè)計(jì)與應(yīng)用流程。介紹了在實(shí)際項(xiàng)目中BIM+GIS設(shè)計(jì)方案展示、復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的深化設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)成果的數(shù)字化交付等應(yīng)用，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，體現(xiàn)了BIM技術(shù)在市政道路設(shè)計(jì)中的獨(dú)特優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：BIM;CIM;道路設(shè)計(jì);數(shù)字化交付;雄安新區(qū)

0 引言

隨著市政工程項(xiàng)目規(guī)模越來越大，工程各部分三維空間關(guān)系越發(fā)復(fù)雜。市政道路設(shè)計(jì)內(nèi)容點(diǎn)多面廣，設(shè)計(jì)難度越來越高。 “精工慢活”正逐步替代“短平快”，成為市政道路設(shè)計(jì)的主流需求[1]。BIM（Building Information Modeling）技術(shù)以數(shù)字三維模型為基礎(chǔ)，集成了建筑工程信息，應(yīng)用在市政道路設(shè)計(jì)中，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)意圖精確表達(dá)，具有強(qiáng)大的分析和模擬能力，完成精確快速計(jì)量，實(shí)現(xiàn)各專業(yè)高效協(xié)同，是解決市政道路設(shè)計(jì)難題的重要手段[2]。

市政道路BIM設(shè)計(jì)軟件，主要分三類：第一類是Autodesk、Bentley和CATIA等大型軟件平臺(tái)的系列產(chǎn)品，第二類是基于前者進(jìn)行的二次開發(fā)產(chǎn)品。這兩類軟件產(chǎn)品，由于學(xué)習(xí)成本較高，投入產(chǎn)出比低，本土化研發(fā)進(jìn)度慢等制約因素，并沒有在設(shè)計(jì)人員群體內(nèi)形成自發(fā)應(yīng)用的源動(dòng)力。第三類是基于傳統(tǒng)道路設(shè)計(jì)軟件，貫徹BIM的理念，結(jié)合國內(nèi)工程特點(diǎn)，順應(yīng)各專業(yè)設(shè)計(jì)流程，適應(yīng)中國本地化設(shè)計(jì)習(xí)慣，深入開發(fā)的本土BIM軟件。典型如金思路路線專家系統(tǒng)、同豪土木公路工程BIM設(shè)計(jì)系統(tǒng)、鴻業(yè)路易等。這類BIM軟件，很大程度上填補(bǔ)了傳統(tǒng)BIM軟件在市政設(shè)計(jì)領(lǐng)域的短板，并因其高效率和專業(yè)性，取得了市場的認(rèn)可[3]。

本文以鴻業(yè)路易道路BIM設(shè)計(jì)軟件為基礎(chǔ)，探究BIM技術(shù)在市政道路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。研究BIM模型快速創(chuàng)建流程，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)成果數(shù)字化交付，并實(shí)現(xiàn)與數(shù)字城市CIM（City Information Modeling）平臺(tái)的融合。在此基礎(chǔ)上，探索基于市政道路BIM模型，進(jìn)行方案驗(yàn)證、復(fù)雜節(jié)點(diǎn)空間分析、數(shù)字化交付等BIM應(yīng)用工作，從而提高工程設(shè)計(jì)質(zhì)量。

1 工程概況

河北雄安新區(qū)某配套市政道路工程，含5條主干路，9條次干路和55條支路，道路里程總長73.2公里。市政道路設(shè)計(jì)需要兼顧地下綜合管廊，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)電力、通信、給水、燃?xì)?、雨污水等各類市政管線，同時(shí)考慮地下通道在道路紅線范圍內(nèi)的豎向關(guān)系，提出合理的道路及綜合管線實(shí)施方案。此外根據(jù)雄安新區(qū)智能城市建設(shè)專項(xiàng)規(guī)劃，要求匯聚城市空間數(shù)據(jù)，集成涵蓋規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)營等全生命周期的建筑信息模型，建設(shè)城市信息模型CIM平臺(tái)，發(fā)展數(shù)字鏡像城市。因此要求設(shè)計(jì)成果按照相關(guān)交付標(biāo)準(zhǔn)，完成三維模型的創(chuàng)建，屬性信息的添加，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)成果的數(shù)字化交付，并與雄安CIM平臺(tái)良好融合。

2 技術(shù)路線

根據(jù)工程需求，本項(xiàng)目BIM設(shè)計(jì)及應(yīng)用由四個(gè)層級組成。第一級是工程環(huán)境的搭建，以地形圖、激光掃描、衛(wèi)星影像、航空攝影數(shù)據(jù)、勘探鉆孔數(shù)據(jù)等為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，創(chuàng)建三維數(shù)字地面模型（DEM）和地質(zhì)模型，作為BIM設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)環(huán)境;第二級是市政道路及其他專業(yè)工程設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的過程即工程數(shù)據(jù)庫的搭建，同時(shí)也是BIM模型創(chuàng)建的過程;第三級是BIM模型的應(yīng)用，根據(jù)項(xiàng)目需求，完成方案驗(yàn)證、空間分析、工程量計(jì)算等應(yīng)用，并根據(jù)應(yīng)用結(jié)果優(yōu)化設(shè)計(jì);第四級是設(shè)計(jì)成果的數(shù)字化交付，由工程數(shù)據(jù)庫導(dǎo)出所需圖表，并根據(jù)雄安CIM平臺(tái)相關(guān)技術(shù)要求，將設(shè)計(jì)成果模型轉(zhuǎn)換為雄安工程項(xiàng)目數(shù)據(jù)（Xiong’an database， XDB），實(shí)現(xiàn)與雄安CIM平臺(tái)的融合，BIM技術(shù)應(yīng)用流程如圖1所示。

3 道路BIM模型的創(chuàng)建

3.1 數(shù)字地面模型創(chuàng)建

三維數(shù)字地面模型是道路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是構(gòu)建道路BIM模型的三維環(huán)境。通過航空攝影、機(jī)載激光雷達(dá)等勘察技術(shù)，采集到地面高程信息[4]。通過軟件的曲面功能，將等高線、點(diǎn)云、激光雷達(dá)掃描勘測數(shù)據(jù)進(jìn)行三角構(gòu)網(wǎng)，建立地形曲面，形成數(shù)字化地形[5]。對高分辨率衛(wèi)片、航空攝影影像數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，并與數(shù)字化地形進(jìn)行匹配，形成項(xiàng)目的DOM 數(shù)據(jù)，為后續(xù)三維設(shè)計(jì)提供真實(shí)直觀準(zhǔn)確的環(huán)境。

3.2 路線設(shè)計(jì)

路易雖然提供了完善的路線設(shè)計(jì)工具，能夠滿足絕大多數(shù)情況下的路線設(shè)計(jì)工作，但在多團(tuán)隊(duì)、多人員協(xié)同設(shè)計(jì)的情況下，設(shè)計(jì)人員使用的路線設(shè)計(jì)工具五花八門，數(shù)據(jù)格式也多種多樣，不利于設(shè)計(jì)成果的數(shù)字化交付[6]。利用豐富的數(shù)據(jù)接口，可以將多源設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)成果，包括地形圖、路線總體圖、路線縱斷面圖以及多種路線數(shù)據(jù)文件等設(shè)計(jì)資料，轉(zhuǎn)化為路易路線項(xiàng)目文件，獲取項(xiàng)目道路的平面、縱斷面、超高等設(shè)計(jì)信息，從而快速構(gòu)建路線信息模型。

3.3 道路設(shè)計(jì)

根據(jù)《雄安新區(qū)規(guī)劃建設(shè)BIM管理平臺(tái)交付標(biāo)準(zhǔn)》對道路專業(yè)模型單元分類和編碼規(guī)則，將城市道路的模型結(jié)構(gòu)分為三級，分別是項(xiàng)目級、功能級和構(gòu)件級，所表述的道路結(jié)構(gòu)構(gòu)件也逐步細(xì)化。根據(jù)模型單元組成，定義不同等級道路準(zhǔn)橫斷面，創(chuàng)建道路板塊方案。通過沿路線放樣生成道路的路基、路面模型，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化快速建模。軟件會(huì)根據(jù)路線交叉情況自動(dòng)生成參數(shù)化平交口模型，用戶根據(jù)設(shè)計(jì)原則，調(diào)整平交口設(shè)計(jì)參數(shù)，或者在平面視圖中拖拽平交口的輪廓，實(shí)現(xiàn)對道路平交口模型的修改。軟件會(huì)自動(dòng)將設(shè)計(jì)信息寫入BIM模型，并賦予材質(zhì)和貼圖等。通過創(chuàng)建各條道路模型和平面交叉模型，通過拼接和整合，最終得到完整的片區(qū)路網(wǎng)模型，如圖2所示。

3.4 交通工程設(shè)計(jì)

完成市政道路的交通工程模型創(chuàng)建，主要包括各種交通標(biāo)志標(biāo)線、標(biāo)牌、護(hù)欄和公交車站等。標(biāo)志標(biāo)牌主要反映布設(shè)具體位置、標(biāo)志外形尺寸和標(biāo)示內(nèi)容。車道線準(zhǔn)確反映布設(shè)情況，車道線寬度、分流和合流走向;護(hù)欄準(zhǔn)確反映外形尺寸和布設(shè)位置。交通工程模型以反映內(nèi)容、形式和位置為主，不反映細(xì)部尺寸、基礎(chǔ)和混凝土內(nèi)部細(xì)節(jié)。附屬設(shè)施模型主要包括各種路燈、電桿、交通信號燈、智慧交通設(shè)施等。添加交通工程及相關(guān)專業(yè)模型后的道路總裝模型如圖3所示。

3.5 模型信息添加

完成工程模型創(chuàng)建后，為保證模型信息符合雄安CIM平臺(tái)的要求，按照《雄安新區(qū)規(guī)劃建設(shè)BIM管理平臺(tái)數(shù)據(jù)交付標(biāo)準(zhǔn)》賦予模型屬性信息。對道路模型，建模完成后，軟件將對應(yīng)的屬性與模型構(gòu)件自動(dòng)進(jìn)行掛接。完成屬性掛接后，利用雄安XDB制作工具，分別將道路、橋梁和隧道模型、綜合管廊模型以及管網(wǎng)模型以XDB文件格式導(dǎo)出。利用雄安新區(qū)BIM管理平臺(tái)方提供的XDB自檢軟件完成模型自檢，并生成自檢報(bào)告。根據(jù)自檢報(bào)告提示內(nèi)容，修改模型及信息。通過將道路、橋梁、管廊、管網(wǎng)等各專業(yè)的設(shè)計(jì)成果轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的XDB數(shù)據(jù)格式，即形成可交付的數(shù)字資產(chǎn)，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)信息傳入到數(shù)字雄安CIM平臺(tái)，為數(shù)字城市建設(shè)提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)信息。

4 模型應(yīng)用

4.1 GIS+BIM設(shè)計(jì)驗(yàn)證與展示

雄安新區(qū)市政道路、綜合管廊、給排水工程區(qū)域沿線存在多處控制性節(jié)點(diǎn)，方案設(shè)計(jì)除需要考慮道路自身交通功能外，還應(yīng)兼顧協(xié)調(diào)與沿線各種基礎(chǔ)設(shè)施、環(huán)境保護(hù)和周邊現(xiàn)有交通的關(guān)系。在三維數(shù)字地面模型基礎(chǔ)上，按照《雄安新區(qū)市政工程 BIM 模型成果技術(shù)指南》，對本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)道路、橋梁、管廊等工程對象及周邊環(huán)境的建筑、路網(wǎng)、鐵路、高壓電塔等進(jìn)行建模，即得到本項(xiàng)目GIS+BIM全專業(yè)數(shù)字沙盤，如圖4所示。借助三維數(shù)字沙盤，實(shí)現(xiàn)各種設(shè)計(jì)方案的可視化，供項(xiàng)目參與各方人員對方案進(jìn)行論證，實(shí)現(xiàn)方案的快速展示和設(shè)計(jì)深化。

4.2 復(fù)雜節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)圖紙一般只展示了平面或者縱面在幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)處剖視圖，不能全面、直觀反映設(shè)計(jì)是否滿足設(shè)計(jì)安全凈空和間距要求。利用BIM 模型所見即所得的特點(diǎn)，對復(fù)雜節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)成果進(jìn)行碰撞檢測，可提前發(fā)現(xiàn)空間關(guān)系沖突問題，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)圖紙的三維校審，從而有效避免多專業(yè)構(gòu)件的沖突與碰撞，防止設(shè)計(jì)錯(cuò)誤傳遞到施工階段或造成安裝工程的返工。利用BIM模型，檢查地下結(jié)構(gòu)的空間排布、道路交叉口管線的交叉與對接的沖突，并對管道設(shè)施進(jìn)行碰撞檢測，顯示出管道碰撞點(diǎn)，并反饋給設(shè)計(jì)進(jìn)行管線綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)（圖5）。同時(shí)，通過施工模擬等應(yīng)用，能夠直觀地反映項(xiàng)目的施工組織，有利于把控項(xiàng)目施工期間的風(fēng)險(xiǎn)、成本和進(jìn)度。

4.3 設(shè)計(jì)成果的數(shù)字化交付

CIM是以城市信息數(shù)據(jù)為基數(shù)，建立起三維城市空間模型和城市信息的有機(jī)綜合體。從范圍上是大場景的GIS數(shù)據(jù)+小場景的BIM數(shù)據(jù)+物聯(lián)網(wǎng)的有機(jī)結(jié)合。與傳統(tǒng)基于GIS的數(shù)字城市相比，CIM將數(shù)據(jù)顆粒度細(xì)化到城市內(nèi)部所有構(gòu)件，將傳統(tǒng)靜態(tài)的數(shù)字城市升級為可感知、動(dòng)態(tài)在線、虛實(shí)交互的數(shù)字孿生城市，為城市敏捷管理和精細(xì)化治理提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。雄安CIM平臺(tái)的建設(shè)，在規(guī)劃階段可實(shí)現(xiàn)規(guī)劃評估、土地管理、可視化設(shè)計(jì)、天際線分析、交通分析、投資測算、地價(jià)大數(shù)據(jù)預(yù)測等功能;在建設(shè)階段，可管理工程進(jìn)度，提升質(zhì)量安全管理能力;在運(yùn)維管理階段，CIM集成平臺(tái)為城市精細(xì)化管理提供數(shù)字底板基礎(chǔ)設(shè)施，打破各物聯(lián)平臺(tái)和IOT設(shè)備之間的系統(tǒng)壁壘，實(shí)現(xiàn)安防、消防、停車、能源的可視化管理。

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