沈照慶，魏鵬飛,董朝輝，魯武當(dāng)

(長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安 710064)

BIM(Building Information Modeling)為“建筑信息模型”的簡稱，由美國喬治亞理工大學(xué)查克伊士曼博士提出，其被定義為：建筑信息建模是將一個建設(shè)項(xiàng)目在整個生命周期內(nèi)所有構(gòu)件的幾何特性和功能整合到一個三維的模型中，這個模型還包括施工進(jìn)度、建造過程的過程信息。BIM的核心不是模型本身(幾何信息、可視化信息)，而是存放在其中的專業(yè)信息(建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電、熱工、聲學(xué)、材料、價格、采購、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)等)。當(dāng)下國內(nèi)道路設(shè)計(jì)領(lǐng)域中有關(guān)BIM技術(shù)的應(yīng)用參差不齊，關(guān)于A(AutoDesk)好還是B(Bentley)好的爭論更是仁者見仁智者見智，本文旨在通過實(shí)際道路改擴(kuò)建中的應(yīng)用，為道路三維設(shè)計(jì)提供參考[1]。

國內(nèi)的BIM技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)有十幾年，尤其是最近幾年BIM技術(shù)的發(fā)展更加迅猛，相較于建筑行業(yè)BIM的發(fā)展速度，道路行業(yè)的發(fā)展相對緩慢，因?yàn)榈缆范喑蕩罘植迹c地形緊密結(jié)合，涉及的面廣，不可控因素較多，且數(shù)據(jù)量龐大。

李俊超指出在道路的三維建模領(lǐng)域中，通過將Civil 3D做出的成果導(dǎo)入到3ds Max Design中渲染加工，最終獲取道路的三維景觀模型，結(jié)果表明Civil 3D的渲染能力有限，其研究結(jié)論給本文中的SWOT分析提供一種參考[2]。殷愛國等針對BIM技術(shù)在交通領(lǐng)域的應(yīng)用以及在應(yīng)用各個階段中遇到的問題進(jìn)行了詳細(xì)說明，結(jié)果表明，應(yīng)選擇復(fù)雜程度低、規(guī)模較小的工點(diǎn)，并著重理順某專業(yè)的BIM三維設(shè)計(jì)過程[3]。張波將BIM技術(shù)應(yīng)用于道路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，通過Infraworks 360與Civil 3D進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)提高了道路三維可視化的設(shè)計(jì)質(zhì)量，但是Civil 3D在國內(nèi)路線和立交出圖標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)庫方面不夠豐富[4]。蔣藝等將BIM技術(shù)應(yīng)用于道路建模領(lǐng)域，闡述了PowerCivil for China可以根據(jù)現(xiàn)有的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對道路進(jìn)行設(shè)計(jì)，也可根據(jù)二維設(shè)計(jì)成果導(dǎo)入自身構(gòu)建三維模型，并著重對橫斷面模板的定制、擋墻的設(shè)置等設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了說明，結(jié)果表明“PEPCTO”項(xiàng)目模式的全生命周期管理是未來發(fā)展的趨勢[5]。張波將BIM技術(shù)應(yīng)用于道路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，將二維道路設(shè)計(jì)成果導(dǎo)入CATIA軟件進(jìn)行三維建模，結(jié)果表明CATIA不能套用現(xiàn)有的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)直接對道路進(jìn)行三維建模[6]。李銀將BIM技術(shù)應(yīng)用于道路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，運(yùn)用SWOT分析法對國際上主流的數(shù)字化平臺Dassault Catia、Bentley MicroStation、Auto Desk Revit進(jìn)行了對比分析，結(jié)果表明Bentley平臺的產(chǎn)品模塊可以覆蓋設(shè)計(jì)過程中的全部專業(yè)[7]。曾俊等將BIM技術(shù)應(yīng)用于道路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，采用理論結(jié)合實(shí)踐的方法對Power InRoads使用中問題進(jìn)行分析，結(jié)果表明Power InRoads在施工圖出圖方面實(shí)現(xiàn)現(xiàn)行規(guī)范樣式要求程度比較繁瑣[8]。王麗園等對在道路勘察設(shè)計(jì)階段中需要滿足BIM的條件進(jìn)行了研究，結(jié)果表明在完整的BIM公路全生命周期應(yīng)用、BIM設(shè)計(jì)效率與設(shè)計(jì)質(zhì)量等方面仍有待研究[9]。吳守榮等結(jié)合實(shí)際的地鐵施工項(xiàng)目構(gòu)建3D施工模型，研究了BIM技術(shù)在軌道交通施工管理中各環(huán)節(jié)的應(yīng)用，結(jié)果表明利用BIM技術(shù)可以更好地對城市地下空間及城市交通進(jìn)行施工管理[10]。張人友等對近年來國內(nèi)外不同種類的BIM類建模軟件進(jìn)行了功能上以及優(yōu)劣勢的分析，其研究結(jié)論使我們對BIM類軟件的了解更加清晰[11]。蔣先進(jìn)等分析了BIM技術(shù)在實(shí)際城市軌道交通項(xiàng)目中的應(yīng)用前景，結(jié)果表明需要各方共同努力才能更好地推廣BIM技術(shù)[12]。戴榮里將BIM技術(shù)應(yīng)用于施工領(lǐng)域，證明了BIM技術(shù)能夠很好地解決施工現(xiàn)場的各種棘手問題[13]。劉占省等將BIM技術(shù)應(yīng)用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)施工領(lǐng)域，在鋼結(jié)構(gòu)施工中運(yùn)用參數(shù)化的設(shè)計(jì)方法，結(jié)果表明這種方法可以有效提高效率且減少出錯率[14]。孫倩在道路交通建設(shè)整個過程應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行模擬，結(jié)果表明其三維化的形態(tài)可以幫助設(shè)計(jì)人員簡化設(shè)計(jì)過程[15]。朱明等在道路設(shè)計(jì)的全過程應(yīng)用BIM的方法，結(jié)果表明其設(shè)計(jì)成果具有一處變動，引起多處聯(lián)動的效果[16]。冀程在軌道交通設(shè)計(jì)全過程應(yīng)用BIM技術(shù)的方法，結(jié)果表明BIM技術(shù)在協(xié)同、優(yōu)化設(shè)計(jì)以及碰撞檢測等方面具有很大的優(yōu)勢[17]。張春麗通過與傳統(tǒng)算量軟件功能進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明BIM技術(shù)在工程造價上有很大的應(yīng)用價值，但由于軟件功能有限，在造價領(lǐng)域并不能得到完全的推廣[18]。周鵬光等在項(xiàng)目管理中融入現(xiàn)代化信息的方法，結(jié)果表明運(yùn)用BIM技術(shù)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，可以有效避免設(shè)計(jì)錯誤，提高工程質(zhì)量[19]。曾華等通過在項(xiàng)目全生命周期內(nèi)運(yùn)用BIM的方法，結(jié)果表明相較于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，BIM技術(shù)在交通領(lǐng)域各關(guān)鍵建設(shè)過程中具有顯著的優(yōu)勢[20]。王進(jìn)豐等在水電工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域運(yùn)用BIM技術(shù)中的CATIA軟件及其附屬模塊進(jìn)行三維協(xié)同設(shè)計(jì)，結(jié)果表明這種方法能夠有效減少出錯率且加快設(shè)計(jì)進(jìn)程[21]。許相宜在三維道路設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)Ρ确治霎?dāng)下各大建模軟件的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)果表明在設(shè)計(jì)的初期階段運(yùn)用Google Earth會有效提高設(shè)計(jì)效率[22]。王河川等在水利工程進(jìn)場道路設(shè)計(jì)領(lǐng)域采用三維分析的方法，結(jié)果表明Civil 3D軟件進(jìn)行道路設(shè)計(jì)的成果顯得更加真實(shí)[23]。榮幸在提取DEM數(shù)據(jù)領(lǐng)域，將DEM導(dǎo)入Civil 3D軟件中，結(jié)果表明利用BIM技術(shù)中的Civil 3D軟件提取DEM中的斷面數(shù)據(jù)可以有效提高測量行業(yè)的自動化水平[24]。陳立楠等在數(shù)字地形模型構(gòu)建領(lǐng)域，通過將Civil 3D構(gòu)建的DEM與傳統(tǒng)軟件構(gòu)建的DEM對比分析，結(jié)果表明利用BIM技術(shù)中的Civil 3D軟件進(jìn)行數(shù)字地面模型的創(chuàng)建，能夠更加直觀地反映出其真實(shí)的地形地貌等信息[25]。

一、主流道路建模軟件應(yīng)用的對比分析

當(dāng)下國際上主流的幾款針對道路進(jìn)行三維建模的軟件有AutoDesk公司的Civil 3D，Bentley公司的PowerCivil for China，以及Dassault公司的Catia，表1～表4運(yùn)用SWOT分析法做對比分析。

Bentley旗下的產(chǎn)品可謂是覆蓋了道路交通領(lǐng)域的全部專業(yè)，PowerCivil for China 是一款面向道路、鐵路、橋隧、場地、雨水道等基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)的專業(yè)軟件，也是土木行業(yè)的BIM平臺(內(nèi)嵌MicroStation,可集成其他專業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的模型)，可為土木工程和交通運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目的整個生命周期提供支持。這些軟件提供了信息量豐富的建模功能，這些功能與CAD工具、地圖工具、GIS工具以及諸如PDF、i-model及超模型等業(yè)務(wù)工具完美集成。通過詳細(xì)的比較，以及結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際情況，本文最后選用PowerCivil對商洛市香菊路進(jìn)行改擴(kuò)建。

表1主流道路建模軟件對比分析

二、BIM技術(shù)在商洛市道路改擴(kuò)建中的應(yīng)用案例

(一)數(shù)字地面模型(DTM)的建立

使用PowerCivil軟件進(jìn)行道路設(shè)計(jì)時，首先要做地形的處理，它支持文本數(shù)據(jù)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)、圖形文件等多種方式創(chuàng)建地形模型。數(shù)字地面模型(DTM)生成以后，它提供高程過濾、最大三角網(wǎng)長度等方式對DTM進(jìn)行過濾檢查，對錯誤的三角網(wǎng)進(jìn)行修正，提高構(gòu)建模型的準(zhǔn)確性。當(dāng)?shù)匦伪容^大時，一次性建模不僅增加了建模時間，對電腦的硬件設(shè)施要求也比較高，它支持合并地形模型，通過分區(qū)域建立模型，最后合并成一個整體，有效地解決大地形建模容易“死機(jī)”的難題。

PowerCivil軟件提供了對DTM的分析功能，可以根據(jù)高程的高低，用不同的顏色顯示。如圖1所示，深色表示高程越高，淺色表示高程越低，同時可以根據(jù)高程不同對水流方向進(jìn)行分析。這樣就很直觀地反映了地形的大致情況，方便快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行選線工作，也為后續(xù)根據(jù)匯水情況設(shè)置排水構(gòu)造物提供了依據(jù)。

(二)道路幾何線形設(shè)計(jì)

道路三維建模過程如圖2所示，各設(shè)計(jì)模塊最終通過“參考”組成道路三維模型。

1.道路平面線形設(shè)計(jì)

在道路平面線形設(shè)計(jì)階段，根據(jù)規(guī)范對圓曲線半徑、緩和曲線長度、平曲線長度等合理取值。設(shè)計(jì)人員通常需要不斷通過規(guī)范對設(shè)計(jì)成果進(jìn)行檢查，以免出現(xiàn)不滿足規(guī)范要求的情況。PowerCivil軟件通過導(dǎo)入設(shè)計(jì)規(guī)范，選擇相應(yīng)的設(shè)計(jì)速度，只要進(jìn)行規(guī)范檢查就能夠?qū)υO(shè)計(jì)成果完成檢查，并輸出結(jié)果，極大地方便設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)與修改。

圖1 不同高程顯示的地形圖

當(dāng)前道路平面設(shè)計(jì)大都采用“交點(diǎn)法”或者“積木法”，在一些復(fù)雜線形的處理上變的很繁瑣。而PowerCivil提供了多種設(shè)計(jì)模式，不僅有傳統(tǒng)的“交點(diǎn)法”，還把直線與緩和曲線、圓曲線與緩和曲線等單獨(dú)組合成一種設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)設(shè)計(jì)線形靈活的選擇設(shè)計(jì)模式，簡化以往的組合設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)效率。

2.道路縱斷面設(shè)計(jì)

路線平面設(shè)計(jì)完成以后，需要對道路進(jìn)行縱斷面設(shè)計(jì)，只要把之前建立的三維地形模型激活，則設(shè)計(jì)線的地面線會自動生成，更重要的是只要道路的平面線形發(fā)生變化，則縱斷面地面線會自動發(fā)生變化，沒必要像“緯地設(shè)計(jì)軟件”那樣重新進(jìn)行插值計(jì)算。

同樣，在豎曲線設(shè)計(jì)時也提供了多種設(shè)計(jì)方法。它不僅包含“插入變坡點(diǎn)設(shè)計(jì)豎曲線”的方式，還提供了“按豎曲線單元”“按豎交點(diǎn)”“插入反向豎曲線”等設(shè)計(jì)方式。當(dāng)兩條道路相交或者在同一地形模型時，可以通過“縱斷面投影”功能將已設(shè)計(jì)道路的縱坡信息投影到未設(shè)計(jì)的道路，尤其在平面交叉、立體交叉設(shè)計(jì)時，極大簡化了設(shè)計(jì)流程。

圖2 道路三維建模過程

PowerCivil軟件是參數(shù)化的設(shè)計(jì)，對設(shè)計(jì)參數(shù)的修改不僅可以通過設(shè)計(jì)菜單進(jìn)行修改，還可以對參數(shù)進(jìn)行修改。它的聯(lián)動不僅包含模型中個別變化導(dǎo)致導(dǎo)致其他部分也發(fā)生變化，還包含設(shè)計(jì)時對平曲線、豎曲線參數(shù)值的修改，它會自動調(diào)整設(shè)計(jì)值。這樣就可以減少打開對話框調(diào)整所需要的時間，此外，PowerCivil軟件提供了8個視口，在縱斷面設(shè)計(jì)時，可以在同一個畫面中采用3個視口實(shí)時觀看道路平面、縱斷面、三維模型，從而使縱斷面設(shè)計(jì)更加快速流暢。

如圖3、圖4所示，PowerCivil和Civil 3D在縱斷面設(shè)計(jì)中的原則是相同的，都是基于地面線進(jìn)行縱斷面的拉坡設(shè)計(jì)，而且兩者都可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)動設(shè)計(jì)，即修改了平面線形，縱斷面也隨之改變。

(三)定制橫斷面模板

定制橫斷面模板包含對路面、路基、道路構(gòu)造物(如橋梁、隧道、涵洞等)和附屬設(shè)施等模板的定制，廊道中的代碼是結(jié)構(gòu)三維建模的基礎(chǔ)。通過定義不同的約束條件，建立不同形式的構(gòu)造物模型，更加切合實(shí)際地實(shí)現(xiàn)道路的整體三維建模。

1.路基路面

首先根據(jù)路基的組成情況，定義各組成部分的厚度、寬度、坡度和材質(zhì)特征，三維路基是隨著線形中心的變化而變化，以適應(yīng)曲線、超高、加寬路段變化的要求。路基邊坡因地形不同邊坡放坡形式不同，PowerCivil采取條件約束的方式進(jìn)行邊坡計(jì)算，直到與地面相交為止。如圖5所示，以填方為例，具體步驟如下：

由路基中心點(diǎn)的高程和路拱橫坡值可得出路基邊界點(diǎn)的高程Z1，設(shè)地面點(diǎn)的高程為Z2，定義一級邊坡的坡度和最大坡高H1，若Z1-Z2≤H1，則只需要設(shè)置一級邊坡；若Z1-Z2>H1，則需要設(shè)置二級邊坡；并依據(jù)二級邊坡的最大坡高H2，依據(jù)上述算法進(jìn)行計(jì)算，直至Z1-Z2≤i時停止放坡，邊坡最終級數(shù)為i。有時邊坡放坡級數(shù)太多，需要在坡腳設(shè)置擋墻，可通過設(shè)置“約束條件”，當(dāng)級數(shù)超過設(shè)置級數(shù)時，自動放置擋墻。

如圖6、圖7所示，PowerCivil和Civil3D在道路橫斷面模板定制上原則也是相同的，都需要根據(jù)項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖構(gòu)建模板，類似于“搭積木”，每塊“積木”之間通過“約束點(diǎn)”進(jìn)行相互約束，最終構(gòu)建的模板都可以滿足改動每相鄰兩個約束點(diǎn)的距離，模板的整體樣式也會相應(yīng)變動。

2.橋梁

橋梁橫斷面模板庫中有一些橋梁的橫斷面模板可以直接利用，但由于PowerCivil的本土化程度不高，所以很多類型的橋梁結(jié)構(gòu)模型還需要自己定制，這樣就無形中增大了工作量。橋梁的整體模型可以通過一系列標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件組成，構(gòu)件可分為兩種類型：一種是與地面標(biāo)高沒有關(guān)系的組件，如梁板、防護(hù)墻、欄桿等，對這些組件模型的構(gòu)建只需要通過參數(shù)設(shè)計(jì)構(gòu)造出模型斷面形狀，最后沿路線設(shè)計(jì)中線放樣就可以構(gòu)建三維模型；另一種是與地面標(biāo)高有關(guān)系的構(gòu)件，如橋墩、墩臺，這一類構(gòu)件可細(xì)分為方體、柱體等體元素，應(yīng)用第一種構(gòu)建方法，將體元素進(jìn)行組合拼接形成橋墩模型。除了在橫斷面模板中直接定制模板外，另外一種方法是通過在Microstation中切換不同的視圖模式來畫好自己需要的橋梁結(jié)構(gòu)，而后通過“參考”的方法進(jìn)行模型的組裝，如圖8所示橋梁模型。

3.隧道

隧道模型建立包括洞口、洞門、洞身等，由于隧道模型建立在地形內(nèi)部，其最復(fù)雜的工序是開挖隧道口及洞身。為了簡化建模過程，將隧道洞身橫斷面分為直線段和圓弧段，對于洞頂圓弧段的處理可采用直線段近似代替，以洞頂圓弧中點(diǎn)為分界，將圓弧左右兩邊各平均分為n段，n越大，精度越高。通過連接各分段點(diǎn)從而形成整個隧道模型，本文采用PowerCivil中廊道模型的代碼約束條件，通過設(shè)置相鄰兩點(diǎn)水平和豎直的約束構(gòu)建出整個隧道的模型。

圖9中，根據(jù)道路中線的坐標(biāo)，可得出A、A1、B、

B1、P點(diǎn)的坐標(biāo)，P1、P2為分段點(diǎn)，依據(jù)A1(xa,ya)、B1(xb,yb)的坐標(biāo)，以及W、A，得圓弧的半徑為:

圖3 PowerCivil縱斷面設(shè)計(jì)頁面

圖4 Civil 3D縱斷面設(shè)計(jì)頁面

圖5 三維路基邊坡放坡示意圖

(1)

(2)

則ΔP1P的(ΔXP1P，ΔYP1P)的坐標(biāo)為:

ΔXP1P=Rsinφ

(3)

ΔYP1P=YP-Rcosφ

(4)

ΔYP1P2=R(cos2φ-cosφ)

(5)

依次類推，可得出ΔPnPn-1的(ΔXPnPn-1，ΔYPnPn-1)的坐標(biāo)為:

ΔXPnPn-1=R(sinnφ-sin(n-1)φ)

(6)

ΔYPnPn-1=R(cosnφ-cos(n-1)φ)

(7)

圖6 PowerCivil 道路橫斷面模板定制結(jié)果

圖7 Civil 3D道路橫斷面模板定制結(jié)果

圖8 橋梁模型

根據(jù)φ的取值，以P點(diǎn)為控制點(diǎn)，計(jì)算得出相鄰兩點(diǎn)的水平和豎直約束條件，構(gòu)造隧道模型如圖10所示。

4.附屬設(shè)施

道路附屬設(shè)施主要有護(hù)欄、交通標(biāo)志標(biāo)線、中央隔離帶等，可通過廊道中的代碼約束條件建立模型。首先構(gòu)建出模型的邊界，然后建立不同的約束規(guī)則，并對其賦予材質(zhì)特征，最后指定模型放置的位置，按路線走向掃描放樣完成三維建模。同樣，附屬設(shè)施的構(gòu)建也可以在Microstation中通過各種構(gòu)建體塊的快捷功能輸入?yún)?shù)化數(shù)據(jù)來構(gòu)建實(shí)體模型，或者通過線拉伸成面，面拉伸成體來構(gòu)建實(shí)體模型，最后將構(gòu)建的實(shí)體模型dgn文件“參考”到路廊模型中，完成模型的組裝。

因?yàn)榻煌?biāo)志標(biāo)線在交叉路口的形式多樣化，所以單純地在橫斷面模板中采用添加“空點(diǎn)”生成的方法就無法滿足通常需求。通常采用的方法是偏移路中心線及手動描繪，最后通過“蓋印章”的方法來“參考”到路廊模型里，完成標(biāo)志標(biāo)線的創(chuàng)建。

同樣，由于PowerCivil本土化程度低，模型中的邊坡綠化無法呈現(xiàn)出現(xiàn)實(shí)中的多種需求，所以需要采用自定義邊坡材質(zhì)的方法使模型看起來更加美觀。自定義邊坡分“三步走”，第一步，將需要的邊坡樣式的圖片放入軟件的材質(zhì)庫根目錄下，在“可視化”菜單中定義該材質(zhì)；第二步，在元素模板中，新建一個元素模板并選擇上一步中定義的材質(zhì)；第三步，在邊坡的橫斷面模板中將構(gòu)件的特征定義為上一步中的元素模板，或在“項(xiàng)目瀏覽器”的“civil標(biāo)準(zhǔn)”中修改特征定義。

圖9 隧道洞頂示意圖

(四)廊道設(shè)計(jì)

廊道設(shè)計(jì)也就是道路橫斷面設(shè)計(jì)，廊道設(shè)計(jì)是PowerCivil在道路設(shè)計(jì)中最復(fù)雜的一部分，也是與其他二維道路設(shè)計(jì)軟件最大的不同之處。它是基于裝配式的設(shè)計(jì)理念，根據(jù)道路不同的斷面組成情況進(jìn)行不同的裝配，通過打開創(chuàng)建橫斷面模板對話框，選擇組成斷面的組件，如行車道、中央分隔帶、硬路肩、土路肩、邊坡、擋墻、邊溝等，把各個組件連接起來，從而形成道路的橫斷面。同時，可根據(jù)組件的不同含義，添加其特征信息，根據(jù)路基各層材料材質(zhì)的不同，分別賦予不同的厚度、材質(zhì)顏色，可以直觀地看到道路的組成情況(圖11)，也為統(tǒng)計(jì)工程量奠定了基礎(chǔ)。

圖10 隧道模型

每個組件都有一些約束點(diǎn)，每個約束點(diǎn)都有一個代碼，組件之間的連接就是通過這些代碼來實(shí)現(xiàn)的，代碼是橫斷面設(shè)計(jì)中的精髓。如果說組件是橫斷面的基礎(chǔ)，那么代碼則是組件的核心。道路模型與隧道、橋梁模型的組合、填挖方放坡、土方和材料體積匯總、材質(zhì)渲染等，這些屬于BIM技術(shù)的特色內(nèi)容都是基于代碼實(shí)現(xiàn)的，表2是部分代碼的意義。

在進(jìn)行組件連接時，需要對代碼的特性進(jìn)行定義，其中最重要的就是約束條件，代碼的約束條件直接影響到道路三維斷面的生成情況，也影響到聯(lián)動設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)與否。如果約束條件不合理，當(dāng)?shù)缆窋嗝姘l(fā)生變化時，有些組件不發(fā)生聯(lián)動設(shè)計(jì)，則會出現(xiàn)非正常的扭曲斷面，不符合設(shè)計(jì)要求。代碼的約束條件設(shè)置好以后，對組件的特性進(jìn)行定義，需要根據(jù)實(shí)際情況定義優(yōu)先級順序，尤其在定義坡度系數(shù)時，根據(jù)不同的填挖高度，需要采用不同的坡度值。優(yōu)先級越高，就優(yōu)先采用這個坡度系數(shù)，一級坡是優(yōu)先級最高的，其次是二級坡，依此類推。

以上所描述的都是道路基本路段橫斷面設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容，在實(shí)際情況中常會遇到道路加寬、道路設(shè)置超高、路基分離等情況，現(xiàn)分別對其進(jìn)行分析。

1.超高、加寬處理

當(dāng)圓曲線半徑小于不設(shè)超高最小半徑時，需要對道路設(shè)置超高，通過軟件中的“創(chuàng)建超高區(qū)間”對話框進(jìn)行超高設(shè)置，軟件會根據(jù)選擇的規(guī)范、旋轉(zhuǎn)軸的方式、超高過渡方式自動計(jì)算超值，當(dāng)超高計(jì)算完成時，會生成一個超高報(bào)告，通過報(bào)告可以清楚查看超高設(shè)置情況，同時會在道路平面圖中顯示設(shè)置超高的區(qū)間、超高類型，方便設(shè)計(jì)人員查看。

圖11 道路廊道模型

代碼表示含義CL道路中心線EOP路邊緣線SHDR路肩FILL挖方邊坡CUT填方邊坡DITCH邊溝CURB路緣石Guardrail護(hù)欄Median中央分隔帶

當(dāng)?shù)缆沸枰訉挄r，設(shè)計(jì)人員可以通過“創(chuàng)建曲線加寬”命令，按照設(shè)置超高的方法進(jìn)行加寬設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)完成時，打開橫斷面查看器，查看每個斷面的設(shè)置情況。

2.分離路基處理

設(shè)計(jì)高速公路時通常會遇到路基分離的情況，不僅要分段定義橫斷面組成部件，還要對分離式路基放坡線交織到一起進(jìn)行處理。軟件通過“多重目標(biāo)修改”這個命令，很方便地修改交織到一起的放坡線，從而使統(tǒng)計(jì)的土方工程數(shù)量更加準(zhǔn)確。

(a)處理前

(b)處理后圖12 分離路基處理

總的來說，基于PowerCivil的廊道設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)2D道路設(shè)計(jì)軟件方法有很大不同，從手工對數(shù)據(jù)編輯轉(zhuǎn)變?yōu)閷M件的裝配，設(shè)計(jì)過程變得更加繁瑣，但其結(jié)果變得更加準(zhǔn)確，內(nèi)容變得更加豐富。

當(dāng)?shù)缆吠瓿善矫?、縱斷面、橫斷面設(shè)計(jì)時，軟件會根據(jù)整個路廊對象生成一個詳細(xì)的報(bào)表。報(bào)表包含整個道路設(shè)計(jì)中所有的材料用量。根據(jù)當(dāng)?shù)夭牧蟽r格，通過編輯報(bào)表中的單價，可以快速準(zhǔn)確地計(jì)算整個工程造價。而不用專門的造價人員分項(xiàng)去估算工程造價，極大地簡化設(shè)計(jì)流程，提高估價準(zhǔn)確率。

如圖13、圖14所示，基于PowerCivil和Civil 3D的廊道設(shè)計(jì)結(jié)果都可以很好地展示BIM技術(shù)“可視化”的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)方法上并沒有優(yōu)劣之分，所不同的是AutoDesk和Bentley兩大公司的企業(yè)文化決定了各自的軟件在中國必定有不同的發(fā)展歷程。

圖13 Civil 3D廊道設(shè)計(jì)結(jié)果

圖14 PowerCivil廊道設(shè)計(jì)結(jié)果

(五)結(jié)合實(shí)景模型對改擴(kuò)建道路進(jìn)行三維效果的展示

使用無人機(jī)傾斜攝影得到的實(shí)景影像，可用Bentley公司的ContextCapture軟件進(jìn)行快速計(jì)算處理，能輸出高分辨率的帶有真實(shí)紋理的三角網(wǎng)格模型，所輸出的三角網(wǎng)格模型能夠準(zhǔn)確、精細(xì)地復(fù)原出建模主體的真實(shí)色澤、幾何形態(tài)及細(xì)節(jié)構(gòu)成。將ContextCapture生成的實(shí)景網(wǎng)格與PowerCivil設(shè)計(jì)出的道路模型導(dǎo)入Bentley公司的Descartes CONNECT Edition，通過對兩者進(jìn)行移動、縮放、旋轉(zhuǎn)最后實(shí)現(xiàn)配準(zhǔn)。接著，在Descartes里對實(shí)景進(jìn)行修剪，因?yàn)閷?shí)景網(wǎng)格是由許多小三角網(wǎng)單元構(gòu)成，因此很難做到嚴(yán)格按照邊界像刀切出來的那樣精確美觀，通常是使用Descartes主菜單下Selection工具組中的Place fence和Delete Fence Contents工具，通過畫線刪除指定區(qū)域的三角網(wǎng)，近似地和道路邊界平齊。

最后將修剪過的實(shí)景和道路模型一并導(dǎo)入到Bentley公司的LumenRT軟件中進(jìn)行渲染，可用LumenRT在場景中模擬行駛中的車輛，行人散步，加入樹木、路燈、標(biāo)志牌等，還能根據(jù)需要模擬不同季節(jié)及不同時段的場景變化。圖15是展示的渲染后的三維效果圖。

三、結(jié)語

本文運(yùn)用SWOT分析法分析地較當(dāng)前國際上流行的3種道路建模軟件。本文以商洛市香菊路道路改擴(kuò)建建模為例，從建立數(shù)字地面模型、道路幾何線形設(shè)計(jì)、定制橫斷面模板、廊道設(shè)計(jì)、附屬設(shè)施(如標(biāo)志標(biāo)線、護(hù)欄等)及橋梁等構(gòu)造物的建模限出發(fā)，結(jié)合實(shí)景模型進(jìn)行三維效果展示介紹了PowerCivil for China在道路建模中的應(yīng)用。結(jié)合商洛市香菊路道路改擴(kuò)建實(shí)例展示的結(jié)果，本文總結(jié)出利用PowerCivil在道路改擴(kuò)建過程中有以下4點(diǎn)優(yōu)勢。第一，可以快速地從各個角度查看改擴(kuò)建后的道路方案在實(shí)際場景中的情況，尤其是在城區(qū)道路改擴(kuò)建過程中，拆遷問題可以更直觀地反映出來。第二，可以查看設(shè)計(jì)的道路在實(shí)際場景中與原有路網(wǎng)的交叉情況。第三，可以直觀地查看設(shè)計(jì)的道路線形在實(shí)際的自然地理環(huán)境中是否美觀。第四，設(shè)計(jì)成果可以渲染得到逼真的三維動畫，達(dá)到實(shí)景瀏覽的效果。

圖15 渲染后的三維效果圖

[1] 紀(jì)博雅,戚振強(qiáng).國內(nèi)BIM技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].科技管理研究,2015,35(6):184-190.

[2] 李俊超,李樓.AutoCAD Civil 3D和3ds Max Design在道路建模中的應(yīng)用[J].測繪通報(bào),2013(2):91-94.

[3] 殷愛國,劉明輝.BIM技術(shù)在交通領(lǐng)域應(yīng)用分析[J].土木建筑工程信息技術(shù),2015(6):113-117.

[4] 張波.AutoCAD Civil 3D與AutoCAD Infraworks 360協(xié)同設(shè)計(jì)在3D模型方案中的應(yīng)用[J].中國市政工程,2015(6):58-60，93.

[5] 蔣藝,雷鵬,曹磊.基于Open Roads技術(shù)的道路三維設(shè)計(jì)方法研究[J].中國水運(yùn)(下半月),2015(11):244-246，249.

[6] 張波.基于CATIA軟件的道路三維建模方法[J].土木建筑工程信息技術(shù),2016(1):71-74.

[7] 李銀.BIM技術(shù)在城市軌道交通工程的施工管理及應(yīng)用[J].水利水電施工,2016(2):115-117，120.

[8] 曾俊,王靜齋,劉武軍,等.PowerIn Roads在水利水電工程道路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[J].水利水電工程設(shè)計(jì),2016(1):14-16，56.

[9] 王麗園,陳楚江,余飛.基于BIM的公路勘察設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J].中外公路,2016(3):342-346.

[10] 吳守榮,李琪,孫槐園,等.BIM技術(shù)在城市軌道交通工程施工管理中的應(yīng)用與研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2016,60(11):115-119.

[11] 張人友,王珺.BIM核心建模軟件概述[J].工業(yè)建筑,2012,42(S1):66-73.

[12] 蔣先進(jìn),羅金,蔣淮申.BIM技術(shù)在城市軌道交通工程中的應(yīng)用分析[J].電子技術(shù)與軟件工程,2017(1):69-70.

[13] 戴榮里.BIM技術(shù)在蘭州西站項(xiàng)目的應(yīng)用[J].施工技術(shù),2014,43(9):99-101，119.

[14] 劉占省,馬錦姝,衛(wèi)啟星,等.BIM技術(shù)在徐州奧體中心體育場施工項(xiàng)目管理中的應(yīng)用研究[J].施工技術(shù),2015,44(6):35-39.

[15] 孫倩.BIM技術(shù)在道路交通建設(shè)中的應(yīng)用[C].中國城市科學(xué)研究會軌道交通學(xué)組.蘇州：智慧城市與軌道交通，2016：184-186.

[16] 朱明,肖春紅.BIM技術(shù)在公路設(shè)計(jì)行業(yè)應(yīng)用[J].四川水泥,2016(2):100,63.

[17] 冀程.BIM技術(shù)在軌道交通工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2014,10(S1):1663-1668.

[18] 張春麗.BIM技術(shù)在軌道交通工程造價上的應(yīng)用[J].建設(shè)科技,2017(3):46-48.

[19] 周鵬光,黃杰.BIM技術(shù)在軌道交通工程中的應(yīng)用探索[J].武漢勘察設(shè)計(jì),2015(6):37-40，47.

[20] 曾華,林敏，張積慧，等.BIM技術(shù)在軌道交通建設(shè)中的運(yùn)用[C].中國城市科學(xué)研究會軌道交通學(xué)組.蘇州：智慧城市與軌道交通，2016：337-341.

[21] 王進(jìn)豐,李小帥,傅尤杰.CATIA軟件在水電工程三維協(xié)同設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].人民長江,2009,40(4):68-70.

[22] 許相宜.Inroads、緯地及Civil 3D軟件在三維道路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].黑龍江水利科技,2015,43(10):23-24.

[23] 王河川,萬迪文.基于Civil 3D的道路工程設(shè)計(jì)方案比選[J].江西水利科技,2010,36(3):173-175，180.

[24] 榮幸.利用DEM在AutoCAD Civil 3D下自動提取斷面數(shù)據(jù)[J].地礦測繪,2013,29(4):31-34.

[25] 陳立楠,安陽,張娟.應(yīng)用Civil 3D創(chuàng)建三維數(shù)字化地形[J].市政技術(shù),2015,33(4):145-147.