基于BIM技術(shù)的道路三維設(shè)計(jì)方法研究

張?jiān)?/p>

（1.中國(guó)公路工程咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100189; 2.中咨華科交通建設(shè)技術(shù)有限公司,北京 100039）

0 引言

BIM 指建筑信息模型（Building Information Modeling），是一種新型工程建設(shè)理念，給工程行業(yè)的設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)水平帶來了巨大的提升，并可以大幅節(jié)約工程造價(jià)。目前，BIM技術(shù)主要應(yīng)用在工民建領(lǐng)域，在基礎(chǔ)交通設(shè)施領(lǐng)域的應(yīng)用較少。隨著BIM理論的不斷成熟，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者和工程技術(shù)人員開始關(guān)注BIM技術(shù)在路橋項(xiàng)目中的應(yīng)用，并取得了很多先進(jìn)成果。但是，并未形成系統(tǒng)性的理論或規(guī)范來指導(dǎo)道路工程的設(shè)計(jì)[1]。同時(shí)，相對(duì)于建筑工程，道路工程建設(shè)里程長(zhǎng)、涉及專業(yè)多、勘測(cè)數(shù)據(jù)量大、設(shè)計(jì)難度大。因此，進(jìn)一步研究BIM技術(shù)在道路設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用有十分重要的工程意義。

1 BIM技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用平臺(tái)選擇

1.1 BIM技術(shù)特點(diǎn)

BIM技術(shù)并不是某個(gè)特定軟件。BIM是以三維建模技術(shù)為核心，以可視化的形式對(duì)各種工程項(xiàng)目進(jìn)行模擬，即利用BIM將不同專業(yè)的項(xiàng)目信息整合在三維數(shù)據(jù)模型中，以提高設(shè)計(jì)水平。

在工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)用BIM技術(shù)主要具有以下優(yōu)勢(shì)[2]：①可視化。目前，公路工程在設(shè)計(jì)時(shí)主要是利用二維線條來表示各種構(gòu)造物，直觀性較差，難以清楚地向業(yè)主展示設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)意圖。BIM技術(shù)可以將公路上的路基、橋梁、隧道、交通設(shè)施等進(jìn)行三維可視化，以清晰地展示各構(gòu)造物的空間邏輯關(guān)系、構(gòu)件內(nèi)部結(jié)構(gòu)等信息；②協(xié)同性。公路工程涉及的專業(yè)較多，信息繁雜，各專業(yè)的協(xié)同貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)階段。如果在設(shè)計(jì)期間各專業(yè)溝通交流不暢，可能出現(xiàn)各種鋼筋打架、管道沖突、工程量重復(fù)計(jì)量等問題，造成大量設(shè)計(jì)變更，嚴(yán)重浪費(fèi)時(shí)間和人力。BIM技術(shù)可提前對(duì)工程進(jìn)行碰撞檢查，實(shí)時(shí)修改項(xiàng)目數(shù)據(jù)文件，減少工程返工；③模擬性。BIM技術(shù)不應(yīng)只作為翻模軟件，在3D模型上加入時(shí)間進(jìn)度信息，就能進(jìn)行施工進(jìn)度、施工風(fēng)險(xiǎn)等4D模擬。再加入成本造價(jià)信息，還可以進(jìn)行5D模擬，便于在設(shè)計(jì)階段加強(qiáng)對(duì)項(xiàng)目成本的控制；④工程量統(tǒng)計(jì)。傳統(tǒng)概預(yù)算文件編制是基于設(shè)計(jì)人員提供的工程量，需要造價(jià)人員和預(yù)算人員反復(fù)溝通。而BIM模型中的各個(gè)構(gòu)件設(shè)計(jì)參數(shù)都可以按照實(shí)際輸入，將這些參數(shù)和專業(yè)造價(jià)軟件結(jié)合后能快速、準(zhǔn)確地導(dǎo)出工程量，大大提高了造價(jià)人員工作效率。

1.2 BIM技術(shù)平臺(tái)選擇

BIM技術(shù)應(yīng)用在道路設(shè)計(jì)中并不能只依靠某一個(gè)軟件，而是需要多種軟件協(xié)作交互，共同完成設(shè)計(jì)任務(wù)。選擇BIM技術(shù)平臺(tái)的核心就是選擇建模軟件，在交通領(lǐng)域，Autodesk和 Bentley公司的解決方案較為完善，具體對(duì)比見表1。

綜上，Autodesk平臺(tái)能夠和CAD數(shù)據(jù)互通，市場(chǎng)占有率高、開放性好、可編輯性強(qiáng)，且在國(guó)內(nèi)學(xué)習(xí)資料多，學(xué)習(xí)成本低，該文建議將Autodesk公司的產(chǎn)品作為道路三維設(shè)計(jì)平臺(tái)，并以Civil 3D為核心建模軟件[3]。

2 基于BIM技術(shù)的路線形設(shè)計(jì)方法

2.1 工程概況

2.1.1 建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)

該文以某高速公路項(xiàng)目為研究對(duì)象，利用Civil 3D軟件，探討B(tài)IM技術(shù)在道路設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用。

該高速公路全長(zhǎng)45.5 km，路線起訖樁號(hào)為K0+000～K45+500，設(shè)計(jì)速度為100 km/h，設(shè)計(jì)荷載為公路I級(jí)，主線為雙向4車道，路基橫斷面寬度27 m，其中中間帶寬 4.5 m，行車道寬 2×2×3.75 m，硬路肩寬 2×3 m，土路肩寬2×0.75 m。瀝青路面結(jié)構(gòu)厚82 cm，路面結(jié)構(gòu)組合為 4 cm AC-13C+6 cm AC-20C+8 cm AC-25+10 cm LSMP-25+18 cm 5% 水穩(wěn)碎石基層 +18 cm5% 水穩(wěn)碎石基層 +18 cm 3.5%水穩(wěn)碎石基層。

2.1.2 建設(shè)條件

項(xiàng)目位于丘陵和平原交接地帶，大部分地形平坦，局部地形較陡。地表覆蓋層較厚，厚度約3.5～6 m，由黏土、碎石質(zhì)黏土等組成，基巖為三疊系灰?guī)r，地下水豐富，并含少量第四系上層滯水、基層裂隙水。同時(shí)，項(xiàng)目所在地屬溫帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫約15.6 ℃，雨水較充足，年平均降雨量在1 087 mm，主要集中在6—10月份。

2.2 地形圖處理方法

道路工程呈三維帶狀分布，各個(gè)空間地理信息都可能引起路線、路基填挖、橋型橋位等變化。為了便于設(shè)計(jì)人員對(duì)地形地貌、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)等有充分的認(rèn)識(shí)，需要將審核后的測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)入BIM建模平臺(tái)中[4]。

2.2.1 地形曲面建模

包含測(cè)量數(shù)據(jù)DWG圖形文件需進(jìn)行預(yù)處理，不宜直接導(dǎo)入Civil 3D軟件中創(chuàng)建曲面，具體處理流程為：①利用圖層命令，使圖形中只顯示道路設(shè)計(jì)所用到的數(shù)據(jù)，如等高線、坐標(biāo)、高程等；②將上述數(shù)據(jù)復(fù)制到空白圖形，利用圖形清理命令清除掉圖形中的重復(fù)項(xiàng)；③利用線條合并命令將圖形的等高線轉(zhuǎn)換為多段線；④處理后的圖形另存為新圖形，導(dǎo)入Civil 3D軟件中創(chuàng)建曲面，生成地形曲面三維模型，如圖1所示。

圖1 地形曲面三維模型

2.2.2 地形曲面分析

地形曲面模型建立后需要手動(dòng)排除錯(cuò)誤的地形數(shù)據(jù)，并修正得到基準(zhǔn)曲面，隨后進(jìn)行高程分析和流域分析。經(jīng)分析，項(xiàng)目所在區(qū)域的高程由西向東先減小再增大，呈“谷地”分布，在選線時(shí)應(yīng)注意高點(diǎn)和低點(diǎn)的縱坡和通行方案，流域面積、流域邊界等不再贅述。

2.3 平面線形設(shè)計(jì)方法

Civil 3D中內(nèi)置的平面線形設(shè)計(jì)方法包括導(dǎo)線法、線元法、利用cad對(duì)象創(chuàng)建路線、利用道路征線創(chuàng)建路線等，其中導(dǎo)線法和線元法應(yīng)用較為廣泛[5]。

導(dǎo)線法：適用于地形不受限的路段，是通過地形曲面模型和平面主要控制點(diǎn)快速地完成道路走向設(shè)計(jì)，在Civil 3D軟件中依次點(diǎn)擊常用→路線→創(chuàng)建路線工具→路線創(chuàng)建布局。在調(diào)出的功能界面選擇切線—切線選項(xiàng)，此時(shí)可根據(jù)Civil 3D命令行提示依次選擇道路設(shè)計(jì)起點(diǎn)、控制點(diǎn)、終點(diǎn)等，同時(shí)需依據(jù)《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D20—2017）設(shè)置圓曲線、緩和曲線的類型、參數(shù)等。

線元法：適用于道路地形復(fù)雜路段，是以路線起終點(diǎn)坐標(biāo)、半徑、方向角、線元長(zhǎng)度等元素定義一個(gè)線元，逐段確定線路位置。Civil 3D中可通過拖拽方法動(dòng)態(tài)調(diào)整線元的設(shè)計(jì)參數(shù)，這樣只會(huì)影響相鄰線元的位置，不會(huì)影響線位整體。

該項(xiàng)目的平面線形設(shè)計(jì)選擇“導(dǎo)線法+線元法”的方法，在地形不受限路段采用導(dǎo)線法設(shè)計(jì)（K0+000～K15+600，K40+800～K45+500），在地形復(fù)雜，限制物較多的路段采用線元法設(shè)計(jì)（K15+600～K40+800）。

2.4 縱斷面設(shè)計(jì)方法

Civil 3D軟件是利用“縱斷面布局工具”來輸入豎曲線半徑、坡度、變坡點(diǎn)高程等指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)縱斷面設(shè)計(jì)，并根據(jù)公司出圖習(xí)慣定制縱斷面圖樣式。Civil 3D軟件中不僅可以顯示道路中線的縱斷起伏情況，還可以通過“采樣偏移”命令來顯示距道路中線一定距離的縱斷面線形，有助于設(shè)計(jì)人員了解縱斷面沿道路橫向的變化情況。如在采樣偏移命令行中輸入“15，?15”，會(huì)在圖形中分別顯示道路右側(cè)15 m和道路左側(cè)15 m處的縱斷面線形[6]。

該項(xiàng)目的縱斷面主要設(shè)置22個(gè)變坡點(diǎn)，最大縱坡5.88%，最小縱坡0.38%，最小縱坡坡長(zhǎng)150 m，最小縱坡坡長(zhǎng)1 890 m，凸曲線最小半徑800 m、凹曲線最小半徑 900 m。

2.5 橫斷面設(shè)計(jì)方法

2.5.1 自定義橫斷面部件

道路橫斷面的常用部件有行車道部件、硬路肩部件、邊溝部件、路緣石部件、挖方或填方部件及各種連接等，主要部件的屬性如表2所示。通過將各個(gè)部件按設(shè)計(jì)方案裝配組合，就可以實(shí)現(xiàn)道路的橫斷面設(shè)計(jì)。

表2 道路橫斷面主要裝配部件屬性

2.5.2 部件裝配方法

道路橫斷面是以其中心縱斷面線作為基準(zhǔn)線，將多個(gè)部件按設(shè)計(jì)文件進(jìn)行逐段裝配，并可以在工具欄右側(cè)動(dòng)態(tài)調(diào)整裝配部件參數(shù)。同時(shí)，為了節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間，道路橫斷面可只裝配一側(cè)，另一側(cè)部件利用鏡像命令生產(chǎn)。橫斷面與道路平、縱線形模型存在一致性，后者參數(shù)改變，前者也隨之動(dòng)態(tài)調(diào)整，以確保道路信息的真實(shí)、準(zhǔn)確。

綜上，在道路的平、縱、橫線形確定之后，還需要用Civil 3D軟件中的設(shè)計(jì)規(guī)范編輯器對(duì)線形指標(biāo)進(jìn)行檢查。如果有指標(biāo)不滿足規(guī)范，路線元素上會(huì)出現(xiàn)嘆號(hào)，應(yīng)手動(dòng)調(diào)整線形指標(biāo)，直至所有參數(shù)均滿足規(guī)范要求為止，最終建立的道路三維模型如圖2所示。

圖2 道路三維BIM模型示意

3 基于BIM技術(shù)的道路設(shè)計(jì)其他應(yīng)用

3.1 三維空間視距計(jì)算

道路線形在設(shè)計(jì)之后，需對(duì)行車安全性進(jìn)行檢驗(yàn)，而視距是保證行車安全的重要指標(biāo)之一。視距大小除了受平、縱、橫指標(biāo)影響，還與護(hù)欄形式、綠化植物等因素密切相關(guān)。

利用BIM技術(shù)建立道路三維模型，能模擬車輛在實(shí)際場(chǎng)景中的行駛規(guī)律，并沿道路前進(jìn)方向逐點(diǎn)掃描，利用“空間兩點(diǎn)通視”原理計(jì)算出車輛以一定速度行駛時(shí)，司機(jī)能看到的最遠(yuǎn)距離，即三維空間視距（見圖3）。當(dāng)視點(diǎn)位于視野較好路段，視距計(jì)算值＞最小視距值，返回值=最小視距值；當(dāng)視點(diǎn)處于視野較差路段，視距計(jì)算值＜最小視距值，則返回值=視距計(jì)算值。

圖3 Civil 3D軟件中三維空間視距計(jì)算

相對(duì)于傳統(tǒng)平面視距，三維空間視距更符合實(shí)際情況，能考慮各種不利條件對(duì)司機(jī)視線的影響，對(duì)道路安全性分析更有價(jià)值。

3.2 土石方統(tǒng)計(jì)

3.2.1 土石方計(jì)算

土方填挖規(guī)模也是衡量道路線形設(shè)計(jì)質(zhì)量的重要參數(shù)。傳統(tǒng)的道路測(cè)量數(shù)據(jù)一般是20 m或25 m一個(gè)采樣斷面，而土方計(jì)算是采用平均斷面法，計(jì)算精度差。尤其是在地勢(shì)起伏變形大的山地丘陵路段，土方計(jì)算誤差可達(dá)10%以上。而Civil 3D是基于三角網(wǎng)格法，自動(dòng)創(chuàng)建橫斷面采樣線來計(jì)算土方。采樣線越多，道路段落劃分越細(xì)致，土方計(jì)算精度也更高。

3.2.2 土石方調(diào)配

土石方調(diào)配設(shè)計(jì)是否得當(dāng)會(huì)直接影響道路總投資，因此，土石方調(diào)配應(yīng)基于填挖平衡和運(yùn)距最短的原則，合理選擇調(diào)配方向、運(yùn)輸路線。Civil 3D軟件可以利用工具欄上的運(yùn)距、棄土場(chǎng)、取土場(chǎng)等功能快速導(dǎo)出土石方調(diào)配圖。

4 結(jié)語

該文研究了BIM技術(shù)特點(diǎn)、平臺(tái)選擇方法等，并以某高速公路項(xiàng)目為研究對(duì)象，闡述了Civil 3D軟件在道路三維設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用，主要得到以下幾個(gè)方面的結(jié)論：①BIM是一種新型設(shè)計(jì)理念，以三維建模技術(shù)為核心，多種軟件協(xié)作交互，共同完成設(shè)計(jì)任務(wù)，具有可視化、協(xié)同性、模擬性等特點(diǎn)；②Civil 3D軟件中平面線形設(shè)計(jì)方法常用導(dǎo)線法和線元法，前者適用于地形不受限的路段，后者適用于道路地形復(fù)雜路段；③可利用Civil 3D軟件自定義縱斷面線形參數(shù)和出圖樣式，并以縱斷面線為基準(zhǔn)線，將多個(gè)部件裝配組成橫斷面；④利用BIM技術(shù)能計(jì)算出三維空間視距，更好地評(píng)價(jià)道路線形設(shè)計(jì)的安全性。研究成果可以為類似的公路項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供科學(xué)的理論指導(dǎo)。