劉相法

(濰坊科技學(xué)院， 山東 壽光 262700)

BIM技術(shù)在提升公路勘察設(shè)計(jì)質(zhì)量中的應(yīng)用研究

劉相法

(濰坊科技學(xué)院， 山東 壽光 262700)

公路勘察設(shè)計(jì)質(zhì)量是工程質(zhì)量的基礎(chǔ)，是公路工程建設(shè)的關(guān)鍵，對(duì)公路建設(shè)質(zhì)量會(huì)造成直接影響。采用BIM技術(shù)，對(duì)公路勘察設(shè)計(jì)質(zhì)量的提升進(jìn)行了研究。通過分析公路勘察設(shè)計(jì)BIM技術(shù)的特點(diǎn)，建立了公路勘察BIM的3D模型，分析了勘察設(shè)計(jì)階段BIM管線綜合設(shè)計(jì)要求、BIM協(xié)同設(shè)計(jì)要求，采用衛(wèi)星測(cè)量、3D激光測(cè)量技術(shù)，對(duì)吉林省某高速公路改擴(kuò)建工程建立了BIM3D模型，在Bently環(huán)境下，根據(jù)精細(xì)模型數(shù)據(jù)，進(jìn)行公路3D可視化設(shè)計(jì)，在3D可視化平臺(tái)下，實(shí)現(xiàn)了施工圖協(xié)同設(shè)計(jì)，提高了公路勘察設(shè)計(jì)的質(zhì)量，使公路擴(kuò)修進(jìn)展順利。

BIM技術(shù)； 公路勘察； 質(zhì)量； 提升

1 概述

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，質(zhì)量越來越成為關(guān)注的焦點(diǎn)，公路勘察設(shè)計(jì)質(zhì)量直接關(guān)系到該工程的質(zhì)量，行駛在隧道、大橋、公路的車輛安全與公路質(zhì)量息息相關(guān)，因此公路勘察設(shè)計(jì)質(zhì)量是工程質(zhì)量的基礎(chǔ)，是公路工程建設(shè)的關(guān)鍵，對(duì)公路建設(shè)質(zhì)量會(huì)造成直接影響[1-4]。通過公路勘察設(shè)計(jì)質(zhì)量的提升，確保公路建設(shè)水平意義重大[5-7]。

BIM建筑信息模型實(shí)質(zhì)是指根據(jù)建筑工程相關(guān)信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立建筑模型，通過數(shù)字信息，對(duì)建筑物全部真實(shí)信息進(jìn)行仿真模擬[8-10]。采用BIM模型，可實(shí)現(xiàn)建設(shè)項(xiàng)目的勘察設(shè)計(jì)、監(jiān)理、運(yùn)營(yíng)維護(hù)等各階段的工作；可提升建設(shè)項(xiàng)目各類任務(wù)的質(zhì)量，最終達(dá)到提升整個(gè)項(xiàng)目質(zhì)量的目的[11]。目前，我國(guó)高速公路勘察設(shè)計(jì)行業(yè)對(duì)BIM技術(shù)研究還需要進(jìn)一步提升[12]。在項(xiàng)目生命周期內(nèi)，BIM模型都可應(yīng)用于各類工程中[13，14]。本文采用BIM技術(shù)，對(duì)公路勘察設(shè)計(jì)質(zhì)量的提升進(jìn)行了研究。

2 公路勘察

設(shè)計(jì)基礎(chǔ)環(huán)節(jié)是公路勘察信息管理公路，當(dāng)前的公路勘察設(shè)計(jì)中，地質(zhì)信息管理大多數(shù)是通過CAD二維模型進(jìn)行建構(gòu)的，形式單一，不能很好的用可視化表現(xiàn)。BIM技術(shù)通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)勘察數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與處理，可實(shí)現(xiàn)可視化，為公路勘察設(shè)計(jì)提供依據(jù)。利用BIM軟件，實(shí)現(xiàn)公路勘察成果的可視化，進(jìn)而地上建設(shè)、地下信息三維融合得到實(shí)現(xiàn)。

3 公路勘察設(shè)計(jì)的BIM技術(shù)特點(diǎn)

① 具有可視化特點(diǎn)。公路BIM可視化，可實(shí)現(xiàn)公路構(gòu)件間互動(dòng)與反饋可視，且整個(gè)過程均可視，可視化可展示效果圖，也展示報(bào)表，在公路勘察設(shè)計(jì)中可做到相互間很好的溝通、決策的可視化。

② 具有可協(xié)調(diào)性特點(diǎn)。在公路建設(shè)實(shí)施過程中，因各專業(yè)設(shè)計(jì)師溝通不充分，各專業(yè)會(huì)出現(xiàn)沖突，在問題出現(xiàn)前，BIM協(xié)調(diào)性服務(wù)就可進(jìn)行協(xié)調(diào)，通過協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)，各種專業(yè)碰撞問題會(huì)得到避免。

③ 具有可模擬性特點(diǎn)。BIM的模擬性可模擬出的公路模型和難以在現(xiàn)實(shí)中操作的事物，在公路勘察設(shè)計(jì)時(shí)，BIM可根據(jù)施工組織設(shè)計(jì)，對(duì)實(shí)際施工進(jìn)行模擬，從而確定合理施工方案，圖1為某公路的3D模型。

圖1 某公路的3D模型Figure 1 The 3D model of a highway

④ 具有優(yōu)化性特點(diǎn)。BIM模型提供了公路勘察實(shí)際信息，包括公路規(guī)則、幾何、物理等，BIM可通過各種優(yōu)化工具，實(shí)現(xiàn)對(duì)公路復(fù)雜問題的優(yōu)化。

⑤ 具有可出圖性特點(diǎn)。BIM通過對(duì)公路勘察的可視化展示、模擬、協(xié)調(diào)、優(yōu)化后，在檢查碰撞、修改設(shè)計(jì)后，相應(yīng)錯(cuò)誤就被消除，同時(shí)提供碰撞檢查報(bào)告，及修改方案。

4 公路勘察BIM的3D模型建模

4.1 公路勘察3D模型建模要求

在公路建設(shè)全生命周期中，在公路勘察設(shè)計(jì)階段，BIM應(yīng)用就開始介入。在公路勘測(cè)設(shè)計(jì)階段，BIM的3D模型要滿足施工圖設(shè)計(jì)、公路選線、公路初測(cè)的要求，在施工、養(yǎng)護(hù)、運(yùn)營(yíng)、管理階段，各參與方對(duì)BIM的可視化應(yīng)用需求要考慮到。通過BIM的3D可視化模型，提高與項(xiàng)目各參與方的溝通，進(jìn)而提高項(xiàng)目設(shè)計(jì)效率，避免反復(fù)對(duì)同一條公路3D模型進(jìn)行重建。目前，由于公路BIM應(yīng)用還不夠成熟，對(duì)公路全生命周期來說，要在設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)出全部用途的公路3D模型還不太現(xiàn)實(shí)，一般是通過對(duì)建模方式進(jìn)行分級(jí)，實(shí)現(xiàn)不同任務(wù)的要求，例如采用LOD方式，根據(jù)公路空間分布特點(diǎn)，建立多級(jí)別BIM模型。

4.1.1 選線設(shè)計(jì)

通過DEM/TIN模型對(duì)公路帶的生態(tài)、地質(zhì)、地貌、地形等自然環(huán)境進(jìn)行展示，通過宏觀的公路3D模型，對(duì)路線總體規(guī)劃中的服務(wù)區(qū)、橋梁、道路、隧道等要突出；通過變更模型顏色滿足施工進(jìn)度4D展示要求，圖2為宏觀的公路3D模型。

圖2 宏觀的公路橋梁3D模型Figure 2 The macroscopic highway bridge 3D model

4.1.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)溝通

根據(jù)勘察路線方案，生成簡(jiǎn)要3D模型，根據(jù)設(shè)計(jì)方案的變更，路線各部分3D模型要滿足快速重建，同時(shí)與項(xiàng)目地質(zhì)和地形的3D模型進(jìn)行完全融合，滿足項(xiàng)目各參與方的交流溝通需要。

4.1.3 重要工點(diǎn)細(xì)節(jié)建模

對(duì)路線中重點(diǎn)隧道、橋梁等要建立微觀3D模型，對(duì)于構(gòu)造物重要部件要突出，通過添加隧道、橋梁等模型，對(duì)公路后期質(zhì)量、成本控制、進(jìn)度、施工等管理、交流能夠充分滿足，圖3為微觀的公路橋梁3D模型。

圖3 微觀的公路橋梁3D模型Figure 3 The micro highway bridge 3D model

4.1.4 添加模型屬性信息

公路3D模型除幾何信息外，同時(shí)還對(duì)模型屬性信息進(jìn)行添加，這些屬性信息包括路面護(hù)欄、鋪裝材料等基礎(chǔ)參數(shù)等，這樣就可實(shí)現(xiàn)公路質(zhì)量、進(jìn)度、成本管理需求，從而達(dá)到對(duì)公路養(yǎng)護(hù)、溝通、運(yùn)營(yíng)、施工、管理階段信息支持，圖4為基于LOD的公路BIM的3D建模層次。

圖4 公路BIM基于LOD的3D建模層次Figure 4 The highway 3D of LOD based BIM modeling hierarchy

4.2 多細(xì)度BIM數(shù)據(jù)建模方法

根據(jù)公路工程點(diǎn)多、線長(zhǎng)等特點(diǎn)，采用多細(xì)度BIM施工模型可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)質(zhì)量的提升，圖5為公路勘察BIM多細(xì)度施工設(shè)計(jì)模型，模型由3個(gè)層次組成，即橋梁、隧道路段微觀模型、工程標(biāo)段中觀模型、整體線路宏觀模型。宏觀模型實(shí)現(xiàn)整個(gè)線路的過程模擬、施工管理，中觀模型實(shí)現(xiàn)各標(biāo)段的過程模擬、施工管理，微觀模型實(shí)現(xiàn)橋梁、隧道路段的精細(xì)化管理。

對(duì)于各標(biāo)段隧道、橋梁、路段，宏觀模型通過不同顏色線段進(jìn)行表示；標(biāo)段隧道、橋梁、路段的簡(jiǎn)化3D模型結(jié)合對(duì)應(yīng)工程信息、施工進(jìn)度形成中觀模型。精細(xì)3D模型結(jié)合詳細(xì)工程信息、施工進(jìn)度形成微觀模型。各層次的BIM施工模型是一個(gè)完整BIM子模型。各BIM子模型包含公路成本、資源、進(jìn)度、安全、質(zhì)量等信息。

圖5 公路勘察BIM多細(xì)度施工設(shè)計(jì)模型Figure 5 The highway survey BIM multi fineness construction design model

4.3 公路勘察道路信息采集方式

4.3.1 使用衛(wèi)星測(cè)量

地形3D建模可通過衛(wèi)星圖像進(jìn)行立體測(cè)圖建立，地表紋理制作通過衛(wèi)星影像完成；通過衛(wèi)星影像遙感技術(shù)，解譯地質(zhì)災(zāi)害，建立公路災(zāi)害的3D模型。使用衛(wèi)星測(cè)量獲取DEM地表范圍比較廣，信息豐富直觀，對(duì)公路地形和地質(zhì)等比較適宜。

4.3.2 使用3D激光測(cè)量

3D激光測(cè)量技術(shù)實(shí)質(zhì)是一種帶3D坐標(biāo)的激光點(diǎn)測(cè)試技術(shù)，其特點(diǎn)是對(duì)植被的穿透力較強(qiáng)，能快速準(zhǔn)確的對(duì)間距小的物體進(jìn)行采集，并且其具有較短的處理數(shù)據(jù)周期，對(duì)公路3D建模比較適宜。表1為不同施測(cè)平臺(tái)的3D激光測(cè)量信息采集內(nèi)容。

表1 不同施測(cè)平臺(tái)的3D激光測(cè)量信息采集內(nèi)容Table1 Thecontentof3Dlasermeasurementinformationofdifferentmeasurementplatform測(cè)量平臺(tái)的類型采集的對(duì)象數(shù)據(jù)小型運(yùn)輸機(jī)橋梁、地形、路面、立交、路基3D激光點(diǎn)云、DOM車輛標(biāo)志牌、標(biāo)線、路面等3D激光點(diǎn)云、彩色數(shù)字影像地面隧道、特殊地物、橋址3D激光點(diǎn)云、彩色數(shù)字影像

小型運(yùn)輸機(jī)屬于一種低空對(duì)地測(cè)量設(shè)備，對(duì)DEM、DOM的采集比較適宜，可實(shí)現(xiàn)對(duì)路面地表信息的采集；采用車載3D激光測(cè)量，可實(shí)現(xiàn)路面附屬設(shè)施信息的采集；采用地面3D激光測(cè)量，可實(shí)現(xiàn)任意角度地物信息的采集。利用衛(wèi)星測(cè)量、激光測(cè)量技術(shù)，可對(duì)地物表面的3D信息進(jìn)行獲取，通過對(duì)地物彩色影像的采集，使模型屬性信息得到擴(kuò)充與豐富。

4.4 勘察設(shè)計(jì)階段BIM管線綜合設(shè)計(jì)要求

通過BIM技術(shù)，達(dá)到管線的綜合，通過對(duì)各專業(yè)信息進(jìn)行整合，建立公路管道，橋梁管線協(xié)調(diào)統(tǒng)一的平臺(tái)，采用3D模型實(shí)現(xiàn)管線綜合的可視化。BIM管線綜合主要用于公路施工圖的設(shè)計(jì)階段，通過BIM管線綜合，可縮短工期、提高施工質(zhì)量、節(jié)約成本。

4.5 勘察設(shè)計(jì)階段BIM協(xié)同設(shè)計(jì)要求

通過BIM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了公路模型共享、轉(zhuǎn)換，將公路設(shè)計(jì)、工程造價(jià)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等的集合，使得協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)得到大幅提高。在公路全生命周期中，公路勘察設(shè)計(jì)由交通工程、隧道、橋梁、路線等專業(yè)BIM子模型組成，因而公路設(shè)計(jì)從2D的CAD圖形轉(zhuǎn)變?yōu)?D模型，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)，協(xié)作基礎(chǔ)為模型可視化表達(dá)、語言標(biāo)準(zhǔn)化傳遞，圖6為公路勘察設(shè)計(jì)協(xié)同設(shè)計(jì)管理流程圖。

圖6 BIM公路勘察設(shè)計(jì)協(xié)同設(shè)計(jì)流程圖Figure 6 The flow chart of collaborative design for BIM highway survey and design

4.5.1 模型空間坐標(biāo)統(tǒng)一

在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，公路3D模型、DEM、交通附屬設(shè)施3D模型在空間坐標(biāo)上要進(jìn)行統(tǒng)一，公路勘測(cè)使用平面坐標(biāo)系、高程坐標(biāo)系，這樣在進(jìn)行模型碰撞檢測(cè)、分析、運(yùn)營(yíng)管理上比較方便。

4.5.2 模型建模精度

為滿足公路建設(shè)的測(cè)量精度、公路養(yǎng)護(hù)、公路施工需求，公路勘測(cè)3D模型精度必須達(dá)到施工圖要求的精度。

4.5.3 模型可視化

BIM模型具有豐富的屬性信息和幾何信息，開采用Revit軟件，對(duì)BIM應(yīng)用進(jìn)行深入開發(fā)，通過LOD分級(jí)模型，采用3D模型，可豐富、便捷對(duì)不同任務(wù)進(jìn)行信息可視化展示。

5 BIM勘察設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例

吉林省某高速公路改擴(kuò)建工程，路線里程約201 km，沿線共有互通15座，該公路的特點(diǎn)是交通量較大、建設(shè)形式較多、縱向和橫向分期修建、路況較復(fù)雜、實(shí)施難度高。對(duì)于道路地表信息的獲取，項(xiàng)目采用車載激光3D測(cè)量技術(shù)，獲取了道路基礎(chǔ)設(shè)施信息、道路構(gòu)造物等信息，同時(shí)對(duì)公路BIM可視化進(jìn)行了應(yīng)用，圖7為激光點(diǎn)云測(cè)量數(shù)據(jù)采集，表2為公路BIM應(yīng)用地表數(shù)據(jù)采集信息。

圖7 激光點(diǎn)云測(cè)量數(shù)據(jù)采集Figure 7 The laser point cloud measurement data collection

表2 公路BIM應(yīng)用地表數(shù)據(jù)采集信息Table2 ThesurfacedataacquisitioninformationofhighwayBIM參數(shù)低空路面數(shù)據(jù)采集高空大范圍數(shù)據(jù)采集地面激光點(diǎn)密度/(個(gè)·m-2)215沿線位單側(cè)采集帶寬/m112293DOM影像分辨率/m015路面激光點(diǎn)云平面中誤差/m0041路面激光點(diǎn)云高程中誤差/m0019橫斷面地面高程中誤差/m0044

在測(cè)量過程中，DOM數(shù)據(jù)和激光點(diǎn)云采用平面坐標(biāo)系是相同的，通過對(duì)數(shù)字正射影像、地表激光點(diǎn)云進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和使用，建立DEM模型，進(jìn)行設(shè)計(jì)路線的對(duì)比和選擇；精細(xì)模型有橋梁3D模型、路面3D模型。生成分辨率為0.3 m的彩色DOM。在Bently平臺(tái)下，將DEM模型進(jìn)行導(dǎo)入，實(shí)現(xiàn)公路的3D可視化展示；設(shè)計(jì)人員根據(jù)樁號(hào)，對(duì)相應(yīng)地形數(shù)據(jù)進(jìn)行下載，得到路面信息，最后生成路面3D地面線，進(jìn)行路面設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果導(dǎo)入CAD軟件。在Bently環(huán)境下，根據(jù)精細(xì)模型數(shù)據(jù)，進(jìn)行公路3D可視化設(shè)計(jì)，在3D可視化平臺(tái)下，實(shí)現(xiàn)了施工圖協(xié)同設(shè)計(jì)，提高了公路勘察設(shè)計(jì)的質(zhì)量，使公路擴(kuò)修進(jìn)展順利。

6 結(jié)語

本文采用BIM技術(shù)，對(duì)公路勘察設(shè)計(jì)質(zhì)量的提升進(jìn)行了研究。通過分析公路勘察設(shè)計(jì)BIM技術(shù)的特點(diǎn)，建立了公路勘察BIM的3D模型，分析了勘察設(shè)計(jì)階段BIM管線綜合設(shè)計(jì)要求、BIM協(xié)同設(shè)計(jì)要求，采用衛(wèi)星測(cè)量、3D激光測(cè)量技術(shù)，對(duì)吉林省某高速公路改擴(kuò)建工程建立了BIM3D模型，在Bently環(huán)境下，根據(jù)精細(xì)模型數(shù)據(jù)，進(jìn)行公路3D可視化設(shè)計(jì)，在3D可視化平臺(tái)下，實(shí)現(xiàn)了施工圖協(xié)同設(shè)計(jì)，提高了公路勘察設(shè)計(jì)的質(zhì)量，使公路擴(kuò)修進(jìn)展順利。

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The Application Research of BIM Technology in Improving the Quality of Highway Survey and Design

LIU Xiangfa

(Weifang University of Science and Technology， Shouguang， Shandong 262700， China)

Highway Survey and design quality is the foundation of engineering quality，is the key of highway engineering construction，the quality of highway construction will cause a direct impact.In this paper，the quality of Highway Survey and design is studied by using BIM technology.By analyzing the characteristics of Highway Survey and design of BIM technology，established a 3D model of BIM highway survey，analyzes the survey and design phase，the integrated design of BIM pipeline BIM collaborative design requirements，using satellite measurements，3D laser measurement technology of Jilin province freeway expansion project BIM3D model is established in the Bently environment，according to the the fine model data，the design of 3D visualization in 3D highway，the visualization platform，realizes the construction of collaborative design，improve the quality of Highway Survey and design，make the highway expansion and repair progress.

BIM technology； highway survey； quality； upgrade

2016 — 09 — 22

國(guó)家自然科學(xué)基金研究項(xiàng)目(61074140)

劉相法(1971 — )，男，山東壽光人，副教授，研究方向：土木工程施工、精密工程測(cè)量方面。

U 412

A

1674 — 0610(2016)06 — 0164 — 05