孫建誠，李永鑫，王新單

(河北工業(yè)大學 土木與交通學院，天津 300400)

BIM技術在公路設計中的應用

孫建誠，李永鑫，王新單

(河北工業(yè)大學 土木與交通學院，天津 300400)

BIM技術在傳統(tǒng)建筑行業(yè)中的應用愈加頻繁。但在我國公路行業(yè)，BIM技術的應用仍然處于起步階段。立足于BIM技術的概念及特點，針對公路工程設計階段建立了BIM結構樹和技術路線。結合我國某二級公路工程，利用PowerCivil軟件詳細敘述了BIM在設計階段的模型建立過程及應用過程。為促進BIM技術在我國公路工程設計階段的應用提供了一定的技術思路和實踐經驗。

道路工程；BIM；公路設計；信息化；技術路線

BIM是在信息化背景下提出來的一種創(chuàng)新工具與生產方式。其已在歐美等發(fā)達國家引發(fā)了建設行業(yè)的變革。BIM在建設工程行業(yè)中的應用服務于建設項目的設計、建造、運營維護整個生命周期，為項目各參與方提供協(xié)同工作、順暢交流的平臺，其在避免失誤、提高工程質量、節(jié)約成本、縮短工期等方面具有顯著的優(yōu)勢。BIM技術在我國發(fā)展較晚，尤其是在公路工程行業(yè)仍然處于起步的階段，因此，研究BIM技術在公路工程行業(yè)的應用是必要的。

1 BIM概述

1.1 BIM定義

BIM即建筑信息模型，其最早是由美國喬治亞理工大學建筑與計算機學院(Georgia Tech College of Architecture and Computing)的查克伊士特曼博士提出，他對BIM做出的定義為：建筑信息模型是將一個建筑建設項目在整個生命周期內的幾何特性、構件要求與構件性能信息綜合到一個單一的模型中，同時這個單一的模型的信息中還包括了施工進度、建造過程的過程控制信息[1]。綜合各國BIM標準，筆者將公路工程BIM定義為：利用三維信息化技術，為實現(xiàn)公路工程各利益方的信息共享與交付，提高工作效率、資源利用效率，并為工作決策提供依據，而建立的集成公路工程全部有用信息的模型。

1.2 BIM特點

1.2.1 可視化

BIM以三維技術為基礎，其模型附加了幾何信息與非幾何信息，不僅可以用于效果圖的展示及報表的生成，項目設計、建造、運營過程中的溝通、討論、決策都可以在可視化的狀態(tài)下進行。

1.2.2 信息化

信息化是指培養(yǎng)、發(fā)展以計算機為主的智能化工具為代表的新成產力，BIM的本質即利用信息化技術提高整個建筑行業(yè)的生產效率。BIM具備信息獲取、信息傳遞、信息處理、信息再生、信息利用的功能，并且其集成的建設工程信息不是孤立存在的，而是一個具有龐大規(guī)模、自上而下的、有組織的信息網絡體系。

1.2.3 協(xié)同化

協(xié)同化是BIM技術變革整個工程建設行業(yè)的重要途徑。BIM技術可以改善以往工程建設行業(yè)各參與方較為松散的管理體系，減少信息的流失，并利用建造的數字信息模型將各方協(xié)同到一個平臺，提高設計質量[2-3]。

2 公路BIM模型設計技術路線

2.1 公路構件結構樹的建立

系統(tǒng)的公路構件結構樹，是建造整體BIM模型的基礎任務。其不僅可以促使BIM模型的輕量化，方便模型的建立，還可以實現(xiàn)建設項目全生命周期構件及相關信息的精確查找，方便信息管理和利用。

面向對象的分類是結構樹建立的主要方法，按照功能對構件進行拆分是結構樹建立的主要原則。筆者將公路構件結構樹分為4個層次，第1層將整體的公路工程按照不同的地質、地貌、里程等特征點分段；第2層依據施工縫為界的功能組合體細化；第3層為在功能組合體中按照工程量統(tǒng)計的要求進行構建；第4層根據方便建模的要求將構件細化至單元并完成構建樹的建立,如圖1。

圖1 公路構件結構樹模型Fig. 1 Structure tree model of road component

2.2 公路BIM設計技術路線

在BIM環(huán)境下，設計階段主要包括兩方面的任務：一是三維公路信息模型的建立；二是三維公路信息模型的應用。

建立三維地面模型是開展公路BIM設計的首項工作。公路工程建設具有點多線長的特點[4]，因此其對地形數據的要求較高。BIM軟件首先應該支持多種格式的測量數據(如常規(guī)外業(yè)測量數據、GPS RTK測量數據、航空攝影數據、激光掃描、衛(wèi)星遙感等空間信息數據)創(chuàng)建數字地面模型(DTM)。其次，BIM軟件應該有對地面模型進行分析的能力，如匯水分析、高程分析等，并支持多種形式的三維展示。目前，實景建模技術是最具前景的三維地面模型生成技術，其不僅可以生成地物頂部的幾何信息特征，還可以展現(xiàn)地物側面詳細的輪廓及紋理信息[5]，從而盡可能逼真的還原真實世界,如圖2。

圖2 景建模技術Fig. 2 Real three-dimensional modeling techniques

參數化設計是BIM模型建立的關鍵，一般可理解為參數化構件和參數化修改。無論是工程整體BIM模型還是構件模型都采用面向對象的設計方法，對象通過參數所代表的信息反映。參數化修改即對象之間的幾何約束和工程約束，幾何約束又包括結構約束和尺寸約束。結構約束是指幾何元素之間的拓撲約束關系，如平行、垂直、相切、對稱等；尺寸約束則是通過尺寸標注表示的約束，如距離尺寸、角度尺寸、半徑尺寸等。工程約束是指尺寸之間的約束關系，通過定義尺寸變量及它們之間在數值上和邏輯上的關系來表示[6]。公路工程項目設計中，構件以及構件之間、設計要素之間都存在著不同的幾何約束和邏輯約束，這在傳統(tǒng)的二維設計中是無法體現(xiàn)的，而在BIM模型中定義參數化關系，即可實現(xiàn)自動化設計，又可實現(xiàn)設計中的動態(tài)關聯(lián)和動態(tài)修改。例如，公路橫斷面設計中可以通過定義邊坡與路基的不同約束關系，自動選擇邊坡形式與比例。

信息是BIM模型的核心[7]，既包括幾何信息，又包括非幾何信息，如材料性能、時間、成本等。設計過程以及延至全生命周期其都是圍繞信息來運轉。BIM軟件應該支持在建立三維模型過程中對信息的集成與管理。以路基為例，其在設計階段模型應包括邊坡坡率、壓實度、填料信息、地基處理信息。三維公路信息模型的應用是模型建立的最終目的。在設計階段，BIM的應用主要包括：各類報表的生成、施工詳圖、三維可視化展示、工程量統(tǒng)計以及施工模擬。公路BIM設計整體技術路線如圖3。

圖3 BIM設計技術路線Fig. 3 BIM design technology roadmap

3 參數化公路BIM模型的建立

3.1 軟件平臺的選擇

BIM時代公路設計師在設計階段不再是單純的提供設計方案，還需要為模型附加工程信息，從而進行信息管理及可視化模擬分析。這也決定了一款軟件不可能滿足所有BIM要求，它需要利用多款軟件進行協(xié)同工作，并且要求模型及其信息能夠在各軟件之間進行無縫交換。筆者通過對國內外軟件的綜合分析，選擇Bentley公司系列軟件作為核心的技術支持[8]。

1)PowerCivil For China：公路工程的核心建模軟件，負責在三維環(huán)境下的平縱橫等公路主體設計。

2)MicroStation：產品設計平臺，作為公路主要構造物的三維模型生產軟件。

3)ProjectWise：項目協(xié)作和信息管理平臺，用于項目全生命周期信息協(xié)作和數據管理。

3.2 項目概況

項目為我國西北某丘陵地區(qū)二級公路的建設工程。該路線主要功能為連接我國西北地區(qū)兩主要城市，對促進兩市經濟發(fā)展有重要作用。依據交通量將路線設計為60 km/h的雙向雙車道二級公路。筆者截取該工程部分路段，路線全長3 510 m。在模型建立過程中，筆者采用參數化模型項目管理模式，對項目文件樣式、土木模型數據進行參數化的管理，實現(xiàn)自定義設置和實時的動態(tài)關聯(lián)。同時，軟件支持我國公路工程設計標準并可對特殊路段進行單獨設置，提高了設計過程的科學性。如圖4。

圖4 參數化模型項目管理及標準化設計Fig. 4 Project management and standardized design of parametric model

3.3 地質模型

筆者首先將二維的地形圖生成三維的三角網模型，然后修正和補全三角網中的出差點，最終生成數字地面模型。道路要素的設計圍繞DTM格式的三維地面模型展開，使設計更加高效和立體。如圖5。

圖5 二維到三維地形圖的建立Fig. 5 Establishment of 2D to 3D topographic map

3.4 主體模型

3.4.1 平縱曲線設計

筆者首先從原公路設計文件(二維DWG格式)中提取平曲線，通過powercivil軟件在三維數字地面模型中完成參數化建模的基礎——平曲線設計(見圖6)。在縱斷面設計中，視圖主要反映兩條線：一是地面線；二是設計線。在三維地面模型中生成的地面線是精確反映地面起伏的變化線。利用精確繪圖功能，按照提取的豎曲線要素進行設計(見圖7)。最后通過平曲線和縱曲線的擬合，形成空間曲線。在此幾何布置過程中，本模型利用設計標準工具檢查了復雜圖元的適用性。

圖6 平曲線設計Fig. 6 The plane curve design

圖7 縱斷面設計Fig. 7 The profile design

3.4.2 參數化橫斷面設計

PowerCivil的橫斷面設計整合了路面結構、尺寸、路肩、護欄、路緣石、擋土墻、加寬、超高、邊坡以及排水設施等構件和要素，即實現(xiàn)了全參數化的設計，又可對構件賦予名稱、材質等信息。在橫斷面設計中，每個構件都是由相互約束的點構成，構件之間也是通過不同的點的約束來實現(xiàn)，而且點與點之間可自定義設置參數化關系。如圖8為該路段一參數化橫斷面。在該橫斷面中，路面中線點為橫斷面原點，從路面、路基到路肩、排水溝、邊坡都是依靠“父約束”關系實現(xiàn)參數化，同時對該橫斷面的每個構件賦予名稱、材質信息。完成橫斷面模板設計后，再根據不同路段的地形環(huán)境、交通環(huán)境、用地經濟等要求進行道路橫斷面布置，完成公路工程主體BIM模型。最后在曲線段按規(guī)范要求設置超高和加寬。圖9為該路段整體BIM模型。

圖8 參數化橫斷面設計Fig. 8 Parametric cross-sectional design

圖9 公路BIM模型Fig. 9 Highway BIM model

3.5 BIM模型在設計階段的具體應用

3.5.1 信息管理

本項目在建模過程中對信息進行了附加，在后期實現(xiàn)了對模型信息的實時查詢。例如，按樁號實現(xiàn)菜單式的信息管理。面對高速公路點多線長的特點，設置樁號即可查看橫斷面屬性并進行標注。同時，多個視圖的動態(tài)聯(lián)動將不同屬性信息以不同的視角展現(xiàn)出來。

3.5.2 工程量統(tǒng)計

建立三維模型后，本項目按樁號5 m間隔自動生成填挖方、瀝青用量、構件數量等統(tǒng)計報表。同時，自定義了報表格式并輸出不同格式的數據文件(PDF/DOC/XLS)，提高了設計的效率和精度。如計算土方量過程中分別運用BIM軟件和傳統(tǒng)斷面法對填挖方進行計算，結果如表1。

由表1可知，兩種計算結果差別較大，傳統(tǒng)計算方法得出的計算結果相對粗略，而基于BIM的土方量計算因其基于更為實際的地形與公路模型所以結果更為準確。

表1 土方量報Table 1 Earthwork report

3.5.3 二維出圖

快速高效的繪制施工圖紙是BIM核心價值之一。圖紙與公路模型有動態(tài)的關聯(lián)性，所以修改模型也能及時得到最新的二維施工圖紙。本項目首先利用軟件完成了平縱橫等施工圖模板的定制，在此基礎上形成的施工圖能夠較為準確的反映工程信息。

4 結 語

筆者通過闡述BIM概念和特點，提出了公路工程構件結構樹和設計階段的技術路線。以某二級公路工程為依托，基于Bentley系列軟件將BIM技術應用于公路設計過程，完成了道路平面、縱斷面、橫斷面以及附屬工程信息模型的建立。在以下方面取得了一定突破：工程構件結構樹和技術路線為三維BIM模型的建立提供了理論基礎;公路BIM模型的建立證明了公路工程設計階段采用BIM技術的可行性，為BIM的推廣提供了一定的實踐經驗;基于BIM的二維出圖和工程量統(tǒng)計等應用顯著的提高了設計的效率和質量。

由于工程實例的局限性以及BIM軟件的限制，公路設計技術路線有待進一步完善，同時BIM在公路行業(yè)設計階段的應用優(yōu)勢并沒有完全體現(xiàn)，如讓施工圖更符合中國設計習慣。但總體來說，BIM技術能夠極大的提高設計質量、設計效率，降低建造成本，提升運維管理水平。

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ApplicationofBIMTechnologyinHighwayDesign

SUN Jiancheng, LI Yongxin, WANG Xindan

(School of Civil and Traffic Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300400, P. R. China)

The application of BIM technology has become more frequent in the traditional building industry. However, the application of BIM technology is still in its infancy in China’s highway industry. Based on the concept and characteristics of BIM technology, BIM structure tree and technical route were established for highway engineering design phase. Taking a secondary highway project in China as an example, PowerCivil software was used to elaborate the model building process and the application process of BIM at the design stage.Some technical ideas and practical experience were provided to promote the application of BIM technology in the design phase of China’s highway engineering.

highway engineering; BIM; highway design; informatization; technical route

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.11.05

2016-11-09；

2016-12-24

孫建誠(1969—)，男，河北冀州人，副教授，博士，主要從事道路方向研究和教學工作。E-mall: 459158808@qq.com。

F540.33

A

1674-0696(2017)11-023-05

(責任編輯：朱漢容)