BIM技術(shù)在市政道路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

祝家光

蚌埠市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 安徽 蚌埠 233000

引言

隨著中國城鎮(zhèn)化率逐年提高，城市化已經(jīng)進(jìn)入到逐漸成熟的階段。當(dāng)前的城市道路等工程建設(shè)均呈現(xiàn)出一定的復(fù)雜性，利用傳統(tǒng)的技術(shù)對工程中的三維空間部分進(jìn)行設(shè)計(jì)難以形成良好的效果，因此市政道路設(shè)計(jì)需要應(yīng)用到更加先進(jìn)的BIM技術(shù)構(gòu)建三維模型。利用BIM技術(shù)集成市政道路數(shù)據(jù)信息可清晰、精確的表達(dá)設(shè)計(jì)意圖，從而能夠提升設(shè)計(jì)質(zhì)量并保障市政道路設(shè)計(jì)合理性。

1 市政道路設(shè)計(jì)中常見的BIM技術(shù)

在市政道路設(shè)計(jì)場景中常見應(yīng)用到的BIM技術(shù)軟件分為三類，第一類是Autodesk、Bentley以及Dassault等大型軟件廠商開發(fā)的Autodesk Revit、Bentley Building、CATIA等系列軟件。第二類則基于上述系列軟件的系統(tǒng)架構(gòu)二次開發(fā)的專業(yè)功能軟件產(chǎn)品。這兩類BIM軟件產(chǎn)品在實(shí)際中的應(yīng)用成本相對較高，在我國的本土化應(yīng)用中優(yōu)化速度相對緩慢[1]。第三類是國內(nèi)軟件廠商基于BIM軟件為基礎(chǔ)，集成國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范、適應(yīng)設(shè)計(jì)人員習(xí)慣開發(fā)的本土化市政道路BIM技術(shù)軟件，包括鴻業(yè)路易、金絲路路線專家等軟件。本文將結(jié)合鴻業(yè)路易軟件研究BIM技術(shù)在市政道路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

2 工程案例

以河北省雄安新區(qū)的某市政道路工程為例，研究其中應(yīng)用到的BIM技術(shù)所形成的設(shè)計(jì)。該市政道路工程主干道數(shù)量為5條，次干道以及各支路數(shù)量分別為9條以及55條，屬于中等建設(shè)規(guī)模。通過統(tǒng)計(jì)，本市政道路工程的實(shí)際建設(shè)里程為70.35km。在設(shè)計(jì)本市政道路工程時(shí)，需要考慮到地下管廊結(jié)構(gòu)，包括給水、燃?xì)?、電力、污水以及通信等眾多市政管線結(jié)構(gòu)。避免與其造成交叉施工從而影響到城市的正常運(yùn)行。并且考慮到當(dāng)前市政工程中的地下通道結(jié)構(gòu)為道路紅線的豎向結(jié)構(gòu)，則需要保障合理設(shè)計(jì)管線以及道路結(jié)構(gòu)的施工。并且根據(jù)雄安新區(qū)規(guī)劃智能城市的專項(xiàng)要求，保障在設(shè)計(jì)中涵蓋城市的全范圍空間數(shù)據(jù)。涵蓋規(guī)劃、設(shè)計(jì)、運(yùn)營以及全過程生命周期內(nèi)的建筑信息集成化模型，打造城市信息CIM平臺結(jié)構(gòu)，促進(jìn)城市數(shù)字鏡像化發(fā)展。因此，按照設(shè)計(jì)要求以及交付標(biāo)準(zhǔn)，則需要應(yīng)用到BIM技術(shù)構(gòu)建三維模型，添加工程屬性信息，并交付數(shù)字化設(shè)計(jì)成果。

3 基于BIM技術(shù)的市政道路設(shè)計(jì)流程

根據(jù)當(dāng)前市政道路工程的實(shí)際建設(shè)需求，應(yīng)用到BIM技術(shù)對其進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體的流程則分為四個(gè)層級。第一層則需要完成基礎(chǔ)工程環(huán)境設(shè)計(jì)，根據(jù)勘探鉆孔數(shù)據(jù)、衛(wèi)星影像、激光掃描、地形圖等眾多數(shù)據(jù)，構(gòu)建工程范圍內(nèi)的三維數(shù)字地面模型以及地質(zhì)模型圖,從而打造BIM設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)環(huán)境[2]。

第二層級則是設(shè)計(jì)市政道路以及其他工程內(nèi)容，搭建工程數(shù)據(jù)鏈路，也同樣也是構(gòu)建BIM模型的環(huán)節(jié)之一。第三層級則是應(yīng)用BIM模型，根據(jù)市政道路工程的實(shí)際需求，應(yīng)用空間分析、方案驗(yàn)證以及計(jì)算工程量等，并根據(jù)這樣的結(jié)果對設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。第四層級則是交付數(shù)字化的設(shè)計(jì)成果，在工程數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)出相應(yīng)設(shè)計(jì)圖，結(jié)合當(dāng)前城市的BIM平臺結(jié)構(gòu)需求，向城市專屬項(xiàng)目工程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，具體的BIM技術(shù)應(yīng)用流程如圖1所示。

圖1 BIM技術(shù)應(yīng)用下的市政道路設(shè)計(jì)流程圖

4 創(chuàng)建BIM市政道路模型

4.1 創(chuàng)建地面數(shù)字模型

道路設(shè)計(jì)中的基礎(chǔ)就是三維數(shù)字地面模型的構(gòu)建，同時(shí)也是BIM模型下的三維環(huán)境表現(xiàn)。借助于無人機(jī)機(jī)載雷達(dá)勘查并結(jié)合航空攝影勘查技術(shù)，獲取市政道路地面的高程數(shù)據(jù)。應(yīng)用到公式進(jìn)行計(jì)算：

其中：h代表的則是在航測過程中的無人機(jī)實(shí)際飛行高度參數(shù)；f代表的則是在航測過程中的無人機(jī)數(shù)碼攝影鏡頭的實(shí)際間距參數(shù)；而α代表的則是像元尺寸；GSD所指的則是地面實(shí)際分辨率參數(shù)；x則為最終的高程數(shù)據(jù)。根據(jù)軟件的曲面應(yīng)用，通過勘測后將高線、點(diǎn)云、激光雷達(dá)掃描等眾多數(shù)據(jù)實(shí)施三角構(gòu)網(wǎng)繪制地形曲面圖，將地形數(shù)據(jù)向數(shù)字化成果轉(zhuǎn)化[3]。全面整合高分辨率數(shù)據(jù)影像，并匹配數(shù)字化地形，制作市政道路工程的DOM數(shù)據(jù)，以真實(shí)直觀的環(huán)境信息為后續(xù)三維設(shè)計(jì)提供參考。

4.2 設(shè)計(jì)路線

在本次的市政道路工程設(shè)計(jì)中，盡管應(yīng)用到先進(jìn)的BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了完善的軟件工具應(yīng)用，但是當(dāng)前設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)中，人員結(jié)構(gòu)眾多，在協(xié)同設(shè)計(jì)的過程中，每一設(shè)計(jì)人員按照自身的工作習(xí)慣等，應(yīng)用到五花八門的線路設(shè)計(jì)工具。從而導(dǎo)致形成了多種多樣的數(shù)據(jù)格式，難以形成一體化的數(shù)字化設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)成果交付。因此則需要應(yīng)用到多個(gè)數(shù)據(jù)接口，將每一設(shè)計(jì)人員形成的設(shè)計(jì)結(jié)果等，向BIM的中心端傳輸，包括地形圖、線路圖以及道路斷面圖等眾多設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)等，轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的線路模型，從而處于統(tǒng)一數(shù)據(jù)源下獲取市政道路工程的平面、超高以及縱斷面設(shè)計(jì)信息等，完善路線設(shè)計(jì)模型。

4.3 設(shè)計(jì)道路

根據(jù)雄安新區(qū)的BIM城市規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)中所提到的道路工程的專業(yè)模型以及編碼規(guī)則等相應(yīng)內(nèi)容，在設(shè)計(jì)城市道路模型時(shí)，同樣需要分為三級進(jìn)行設(shè)計(jì)。包括項(xiàng)目級、功能級以及構(gòu)建級，并在這樣的分級基礎(chǔ)上細(xì)化道路工程中的結(jié)構(gòu)構(gòu)建。按照模型單元結(jié)構(gòu)，對道路的標(biāo)準(zhǔn)橫截面進(jìn)行定級，并創(chuàng)建道路板塊計(jì)劃。按照市政道路設(shè)計(jì)形成的路基以及路面結(jié)構(gòu)模型，以參數(shù)化的方式快速完成建模。在BIM軟件的應(yīng)用下，結(jié)合市政道路的交叉線路狀況，生成平交口模型。根據(jù)設(shè)計(jì)原則，對這樣的結(jié)構(gòu)位置參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，或是在BIM軟件的平交口平面視圖中對其輪廓進(jìn)行拖拽調(diào)整，從而修改設(shè)計(jì)[4]。軟件能夠在BIM模型中自動(dòng)輸入設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)以及需求，并結(jié)合工程設(shè)計(jì)要求，貼圖并標(biāo)記施工材料。建立清晰的市政道路工程的各路線結(jié)構(gòu)模型以及平面交叉視圖，并在評價(jià)與整合完成后，獲取當(dāng)前片區(qū)的網(wǎng)絡(luò)模型圖。

4.4 設(shè)計(jì)交通工程

完整設(shè)計(jì)市政道路工程，在BIM技術(shù)的應(yīng)用下也需要?jiǎng)?chuàng)建道路應(yīng)用后的交通工程結(jié)構(gòu)模型。其中需要包括交通標(biāo)志線、護(hù)欄、標(biāo)牌、公交車站等眾多結(jié)構(gòu)。其中在BIM模型中的標(biāo)志標(biāo)牌主要是展示其外形尺寸、位置信息以及表示內(nèi)容等。車道線則是反映其寬度、合流走向以及分流走向等眾多信息。展示護(hù)欄結(jié)構(gòu)的尺寸結(jié)構(gòu)以及位置信息?；谡w而言，交通工程的BIM模型則主要是以位置、內(nèi)容以及形式等作為主體信息所形成的，并不展示這樣的交通工程的基礎(chǔ)以及混凝土結(jié)構(gòu)信息等。并且除此之外，在交通工程的模型中，同時(shí)也包括了路燈、電線桿、交通燈以及各種智慧設(shè)置等附屬設(shè)施，從而構(gòu)建完整狀態(tài)下的是市政道路BIM模型。

4.5 添加模型信息

完成市政道路工程的基礎(chǔ)模型創(chuàng)建之后，為了符合雄安新區(qū)的智慧城市規(guī)劃需求，則需要對照CIM平臺中的相應(yīng)要求，完善設(shè)計(jì)模型，并對模型賦予屬性信息。完成道路模型的建模之后，在軟件的自動(dòng)化應(yīng)用下，掛接對應(yīng)模型構(gòu)建的屬性，完成這一環(huán)節(jié)的處理之后，則根據(jù)雄安新區(qū)城市專屬XDB工具，按照XDB格式導(dǎo)出市政道路、橋梁、隧道以及管廊管網(wǎng)的綜合模型。根據(jù)雄安新區(qū)的自檢軟件，檢測當(dāng)前設(shè)計(jì)模型的合理性，并生成檢驗(yàn)報(bào)告。根據(jù)檢驗(yàn)報(bào)告中的內(nèi)容，對模型中不合理的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，按照XDB格式導(dǎo)出市政道路、橋梁、隧道以及管廊管網(wǎng)的綜合模型，生成的XDB數(shù)據(jù)格式便于后續(xù)交付數(shù)字化設(shè)計(jì)成果，進(jìn)而向雄安新區(qū)的CIM平臺上傳這樣的設(shè)計(jì)成果，完成高效的BIM市政道路設(shè)計(jì)之后，則同樣能夠?yàn)橹腔鄢鞘械膭?chuàng)建提供真實(shí)可信的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

5 BIM模型的應(yīng)用

5.1 驗(yàn)證展示BIM+GIS設(shè)計(jì)

根據(jù)本文中提到的市政道路設(shè)計(jì)案例而言，在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，沿市政主干道、綜合管廊、給排水線路等存在著多個(gè)重要的控制節(jié)點(diǎn)位置，在設(shè)計(jì)過程中，除了需要保障市政道路的基礎(chǔ)交通運(yùn)行通暢之外，同時(shí)也需要保障市政道路工程周圍的基礎(chǔ)設(shè)施、環(huán)境等均處于協(xié)調(diào)的狀態(tài)。結(jié)合BIM模型中的三維數(shù)字地面模型，根據(jù)《BIM模型成果應(yīng)用》中的標(biāo)準(zhǔn)，除了搭建市政道路項(xiàng)目的道路、橋梁、管線等模型之外，也需要構(gòu)建工程周圍的鐵路、建筑以及高壓網(wǎng)路的模型，并形成基于當(dāng)前工程項(xiàng)目的數(shù)字化專業(yè)GIS+BIM沙盤。在這樣的三維數(shù)字化沙盤的應(yīng)用下，實(shí)現(xiàn)可視化設(shè)計(jì)方案，從而便于項(xiàng)目中的各方參與人員集中進(jìn)行討論驗(yàn)證，快速深化復(fù)雜設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)。

5.2 深化設(shè)計(jì)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)

BIM模型的應(yīng)用優(yōu)勢在于所見即所得，在碰撞檢測復(fù)雜設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的過程當(dāng)中，則能夠精準(zhǔn)定位基于市政道路建設(shè)下的三維立體空間沖突問題。從而以立體化三維校審市政道路工程的設(shè)計(jì)圖紙，能夠有效避免不合理的結(jié)構(gòu)位置沖突出現(xiàn)，避免由于設(shè)計(jì)失誤從而引發(fā)返工或停止施工等問題造成經(jīng)濟(jì)成本支出過度。在BIM模型的應(yīng)用下，能夠?qū)赡艽嬖跊_突的道路管線交叉口以及地下結(jié)構(gòu)空間排布等做好檢驗(yàn)，若發(fā)現(xiàn)碰撞點(diǎn)，則能夠及時(shí)向設(shè)計(jì)階段的人員進(jìn)行反饋，從而對這樣的不合理設(shè)計(jì)分布進(jìn)行優(yōu)化改良。

5.3 交付數(shù)字化設(shè)計(jì)成果

根據(jù)現(xiàn)有的BIM模型參數(shù)內(nèi)容，向雄安新區(qū)的CIM平臺交付相應(yīng)的設(shè)計(jì)成果，則首先需要進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，應(yīng)用到公式進(jìn)行處理，如下所示：

在這一公式中，x、y與H分別代表的是BIM與CIM之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換比例參數(shù)。CIM模型中的基數(shù)則主要是城市信息數(shù)據(jù)，是基于城市基礎(chǔ)信息以及三維空間立體模型所形成的綜合表現(xiàn)。從大范圍上則是基于場景的GIS數(shù)據(jù)以及BIM模型相結(jié)合的效果。CIM的數(shù)據(jù)顆粒度具有良好的細(xì)化結(jié)果，能夠涉及城市全范圍內(nèi)的構(gòu)成，從以往的靜態(tài)數(shù)字城市轉(zhuǎn)換為動(dòng)態(tài)感知、虛擬交互的智慧城市表現(xiàn)，從而為整體城市的高效管理以及精細(xì)化治理提供支撐。通過BIM模型參數(shù)向CIM數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化，能夠在實(shí)現(xiàn)良好的市政道路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，滿足當(dāng)前城市發(fā)展進(jìn)程中的可視化管理、土地資源規(guī)劃、交通分析以及眾多功能，從而全面推動(dòng)城市的發(fā)展建設(shè)。

6 結(jié)束語

BIM技術(shù)是現(xiàn)代先進(jìn)信息技術(shù)發(fā)展的成果之一，在市政道路建設(shè)數(shù)量與規(guī)模不斷提升的今天，為了能夠形成更加良好的市政道路設(shè)計(jì)效果，需要應(yīng)用到BIM技術(shù)構(gòu)建三維空間模型，形成可視化設(shè)計(jì)效果，從而保障市政道路工程的高質(zhì)量建設(shè)。