周 游，陳建豐，范宇豐，夏詩畫

(招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司，重慶 400067)

0 引 言

BIM(建筑信息化模型)概念，最早由美國的E. CHUCK[1]在1975年提出。他提出一種假設(shè)的計算機系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對建筑物進行智能模擬，并能從中提取包括工程圖紙、工程量、施工進度等工程相關(guān)信息。該系統(tǒng)被命名為“建筑描述系統(tǒng)(building description system, BIM)”。該系統(tǒng)為BIM的原型，雖然在之后相當(dāng)長的一段時期內(nèi)，BIM的發(fā)展受到了CAD沖擊，但關(guān)于BIM的研究一直在持續(xù)[2]。

BIM的定義有多種版本，相對而言，美國國家BIM標準對BIM的定義比較完整，認為“BIM是一個設(shè)施(建設(shè)項目)物理和功能特性的數(shù)字表達；BIM是一個知識資源，是一個分享有關(guān)這個設(shè)施的信息，為該設(shè)施從概念到拆除全生命周期中的所有決策提供可靠依據(jù)的過程；項目不同階段，不同利益相關(guān)方通過在BIM中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映其各自職責(zé)的協(xié)同作業(yè)”[3]。

BIM由歐特克公司在2002年引入中國建筑行業(yè)，現(xiàn)已被越來越多的行業(yè)及工程師所了解和使用。雖然國內(nèi)已經(jīng)開展了基于BIM技術(shù)的工程施工管理及運維管理的應(yīng)用研究[4-5]，但目前國內(nèi)BIM技術(shù)仍主要應(yīng)用于設(shè)計階段[6]。相較于建筑業(yè)，我國交通行業(yè)雖起步較晚，但發(fā)展極其迅速，從業(yè)者為提高項目建設(shè)及管理水平，對市政、公路、鐵路等工程開展了BIM理論、方法、工具和標準的研究[7-8]。但是總體而言，缺少整個工程全生命周期總的規(guī)劃，造成了目前各階段的BIM信息及應(yīng)用成果無法相互使用[9]。

2016年8月住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)的《2016—2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》，以及2017年1月交通運輸部印發(fā)的《推進智慧交通發(fā)展行動計劃2017—2020年》中，都指出將加強BIM技術(shù)在基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域的作用。筆者依托重慶市蔡家嘉陵江大橋工程項目，以設(shè)計階段模型建立和應(yīng)用為主要研究內(nèi)容，以期為BIM技術(shù)在立交工程設(shè)計階段的應(yīng)用提供實踐經(jīng)驗與思路。

1 立交工程BIM模型建立

1.1 模型組成

圖1 立交工程BIM模型結(jié)構(gòu)Fig. 1 BIM model structure in interchange project

1.2 模型建立

小灣立交比較復(fù)雜，筆者通過Civil 3D、Power Civil、Micro Station和Generative Components等軟件相結(jié)合的方式來建立立交模型。

1.2.1 三維地形模型建立

立交工程是與實際地形發(fā)生關(guān)系的構(gòu)造物。BIM模型的建立基于地形圖，只不過地形模型由二維CAD圖變成了三維數(shù)字地形模型。筆者采用Civil 3D或Power Civil先對CAD圖紙進行高程點和等高線提取，再通過控制三角網(wǎng)最大長度來建立三維地形模型，對于錯誤的高程孤點，采用篩選功能進行刪除，逐步完成一個精確的三維地形模型[10]，如圖2。

圖2 數(shù)字地形模型Fig. 2 Digital terrain model

1.2.2 路線設(shè)計

筆者主要是將DICAD繪制的路線導(dǎo)入到Power Civil軟件中，用平面幾何工具提取平面線形，由于立交是由多條匝道組成，因此分別提取各匝道平面線形并繪制縱斷面線，進而完成整個立交線形繪制，如圖3。

圖3 路線設(shè)計Fig. 3 Route design

1.2.3 參數(shù)化橫斷面設(shè)計

語文和傳統(tǒng)文化的關(guān)系非常緊密。教師作為語文教學(xué)的引導(dǎo)者，肩負著培養(yǎng)學(xué)生的語文綜合素養(yǎng)，傳播中華傳統(tǒng)文化的責(zé)任。教師一定要認識到傳統(tǒng)文化中的精髓，自覺加強語文和文化修養(yǎng)，使語文課堂不但成為學(xué)生學(xué)習(xí)語文知識的課堂，而且也是學(xué)生接觸和認識中華傳統(tǒng)文化的重要課堂。

橫斷面是線形構(gòu)造物的重要組成部分，它隨線形反映著整個構(gòu)造物的外部及內(nèi)部形態(tài)。在傳統(tǒng)二維設(shè)計當(dāng)中，橫斷面的設(shè)計大多都是按20 m一個階段進行設(shè)計，但立交段地形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)設(shè)計會造成設(shè)計的橫斷面與實際有很大出入。筆者使用的Power Civil參數(shù)化橫斷面設(shè)計，可以對整條道路進行“戴帽子”，并且按照設(shè)計師設(shè)置的各個構(gòu)件之間的空間邏輯關(guān)系，自動隨所處地形條件的不同而變化，見圖4。

建立一個適應(yīng)多種地形條件的參數(shù)化橫斷面模板，需滿足以下幾個條件：

1)邊坡的挖填根據(jù)實際地面線自動判斷；

2)邊坡的高度及坡度應(yīng)隨著邊坡級數(shù)不同，按要求自動調(diào)整變化；

3)可通過設(shè)計師設(shè)置的條件(如邊坡多于3級時，自動設(shè)置路肩或路塹擋土墻)，減少填方的工程量；

4)根據(jù)邊坡的形式，自動判斷是否生成排水溝、截水溝或碎落臺等結(jié)構(gòu)。

參數(shù)化橫斷面模板制作過程中，可以定義多項參數(shù)[11]，其中構(gòu)件的命名、尺寸、材質(zhì)和標記應(yīng)符合設(shè)計文件要求，并按資產(chǎn)管理的方式對其進行編碼，使模型在工程量計算和運維管理時能更加精確及便捷。

1.2.4 立交橋梁模型建立

立交橋梁大多同時位于縱曲線和平曲線上，使用Generative Components對上部進行建模。建模過程利用了可視化編程技術(shù)，箱梁截面根據(jù)參數(shù)實時修改，解決了曲線復(fù)雜箱梁參數(shù)化建模這一技術(shù)難題。箱梁建模思路采用了中心線驅(qū)動加參數(shù)化橫斷面的模式，對箱梁的外輪廓、內(nèi)腔、倒角、橫隔板等都采用了參數(shù)驅(qū)動，可動態(tài)修改箱梁的寬度、長度、腹板厚度等信息，確保了箱梁建模的精確性，如圖5。

圖5 箱梁模型建立Fig. 5 Box girder model establishment

橋梁橋臺及橋墩采用Micro Station建立參數(shù)化橋墩或橋臺構(gòu)件(構(gòu)件的樁長、樁徑、承臺長等幾何參數(shù)及材質(zhì)參數(shù)皆可按實際調(diào)整)，并參照坐標及支座高程放置在橋梁文件中。

1.2.5 其他部分模型

排水工程模型采用Power Civil中的排水模塊進行制作。整體思路是先將各個檢查井作為節(jié)點，先插入到對應(yīng)的高程及坐標位置，再設(shè)置不同的管道直徑，將各個節(jié)點連接起來，形成完整的排水工程。

附屬設(shè)置的布置采用Micro Station制作所有的交安及照明設(shè)施構(gòu)件，并參照附屬設(shè)施的平面布置圖，按照平面所在位置布置相關(guān)構(gòu)件。由于立交工程空間交叉復(fù)雜，在進行附屬構(gòu)件布置時，容易造成錯誤，因此在建立模型時應(yīng)提前規(guī)劃好文件結(jié)構(gòu)組成(筆者是以專業(yè)及結(jié)構(gòu)物段落來劃分)分別布置，模型完成后總裝，并附上衛(wèi)片貼圖后導(dǎo)入LumenRT軟件，如圖6。

圖6 立交模型總裝Fig. 6 Interchange model assembly drawings

2 立交BIM模型在設(shè)計階段的應(yīng)用

BIM模型建立后，如何運用模型才是BIM技術(shù)的重點，筆者主要論述在設(shè)計階段利用BIM技術(shù)對道路線行進行優(yōu)化，并實現(xiàn)工程量統(tǒng)計和出圖功能，以及與VR技術(shù)結(jié)合。

2.1 道路線形優(yōu)化

2.1.1 利用實時更新的功能優(yōu)化路線方案

傳統(tǒng)二維設(shè)計在土方調(diào)整時整個過程繁瑣復(fù)雜，在設(shè)計過程中由于主要參考的縱斷面設(shè)計線，會出現(xiàn)大填大挖的情況。通過BIM模型的三維可視化、實時動態(tài)更新土方統(tǒng)計功能，對照三維模型橫斷面填挖土方量的實際情況來調(diào)整線形，達到工程土方平衡的目的。例如對蔡家大橋工程主線路基段K3+123.637—K3+561.672段(位于立交段范圍內(nèi))進行縱斷面調(diào)整，根據(jù)調(diào)整后的土方平衡情況再進行反復(fù)優(yōu)化，調(diào)整后路基段土方總量由116 260 m3減少為66 912 m3，填挖相差由56 829 m3減少為8 915 m3，基本達到土方平衡目的，如圖7。BIM模型還有高程及土方分析功能，可對地形及工程模型進行高程分析，并通過場地的高程，分析所建場地到地形所需挖填土方量，為前期路線方案及土方平衡提供參考依據(jù)。

圖7 土方調(diào)整Fig. 7 Earthwork adjustment

2.1.2 利用視距檢查功能優(yōu)化路線線形

城市道路停車視距是在路線設(shè)計過程中比較難以判斷的參數(shù)，傳統(tǒng)路線設(shè)計未考慮附屬結(jié)構(gòu)物在曲線段對視線的遮擋情況，因此會發(fā)生施工完成后道路視距不足的情況，但BIM模型是模擬的施工完成后的整體三維模型，可以準確的利用BIM軟件視距檢查功能運算出視距是否符合要求，根據(jù)CJJ 193—2012《城市道路路線設(shè)計規(guī)范》對最小視距和視線、障礙高的規(guī)定，對模型主線路基段進行視距檢查，可根據(jù)檢查結(jié)果對線性進行調(diào)整。

2.1.3 利用碰撞檢查功能優(yōu)化路線及管道線形

立交線路之間交錯復(fù)雜，路、結(jié)構(gòu)、邊坡、管線專業(yè)之間交互設(shè)計較傳統(tǒng)單條道路更為復(fù)雜。碰撞檢測是BIM技術(shù)針對復(fù)雜結(jié)構(gòu)物的一項重要應(yīng)用。筆者對小灣立交雨水管道、污水管道以及橋梁下部進行了碰撞檢測，解決了管道工程與橋梁下部結(jié)構(gòu)間存在的碰撞沖突，優(yōu)化路線平面線形設(shè)計，減少施工變更。由于建模時已將不同種類的模型建立在不同文件與特征中，檢測管道間的碰撞時只需將雨水管道放入A集，污水管道放入B集；檢查管道工程與橋梁下部結(jié)構(gòu)時，將雨水管道與污水管道放入A集，橋梁下部結(jié)構(gòu)放入B集，然后將A集與B集進行碰撞檢測。檢測一共發(fā)現(xiàn)小灣立交雨水管道與污水管道有5處發(fā)生碰撞，管道工程與橋梁下部共發(fā)生2處碰撞，具體碰撞結(jié)果如圖8，并根據(jù)檢查結(jié)果對道路匝道平面線形進行調(diào)整，避免碰撞的發(fā)生。

圖8 碰撞檢測Fig. 8 Collision inspection

2.1.4 利用三維可視化功能優(yōu)化路線線形及高程

立交設(shè)計由于線形復(fù)雜且空間相互交錯，傳統(tǒng)的二維設(shè)計由于其局限性，往往設(shè)計得較為保守，凈空會留有很大富余使工程量增加。而采用BIM輔助設(shè)計可以優(yōu)化線形，使立交設(shè)計更為合理，減少因保守帶來的工程量浪費，并通過三維可視性，檢查調(diào)整后的凈空高度是否滿足規(guī)范要求，如圖9。

圖9 凈空檢查Fig. 9 Headroom inspection

在傳統(tǒng)二維設(shè)計過程中，立交段的匝道橋梁設(shè)計由于地形復(fù)雜，確定承臺標高十分困難，因此承臺高度經(jīng)常超過實際地面高度。而根據(jù)BIM模型的三維可視化特點，可對模型橋梁下部結(jié)構(gòu)進行高程檢查，如圖10。龍溪河大橋Z6～Z8和Y9號橋墩承臺和樁基露出地面，可在設(shè)計階段依照檢查結(jié)果對道路縱斷面或橋墩的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化調(diào)整，減少施工變更的發(fā)生。

圖10 橋墩高程檢查Fig. 10 Bridge pier elevation inspection

2.2 工程量統(tǒng)計及清單

傳統(tǒng)的二維設(shè)計中工程量統(tǒng)計時，以道路為例，一般是以斷面法進行計算。由于地形的復(fù)雜程度不同，其計算的誤差很大。而BIM模型工程量統(tǒng)計，是依據(jù)路基段和匝道橋梁段模型的橫斷面模板及參數(shù)化構(gòu)件的定義自動進行分類統(tǒng)計，從而得出不同廊道段精確的各項工程量數(shù)據(jù)。根據(jù)《公路工程工程量清單及計量規(guī)范》對清單項進行構(gòu)件編碼，通過BIM軟件生成工程量Excel文件，使用VBA程序，對照相應(yīng)構(gòu)件編碼，把相關(guān)的工程量數(shù)據(jù)讀入對應(yīng)項的工程量清單中，完成符合現(xiàn)階段設(shè)計概預(yù)算要求的工程量清單，整個工作流程如圖11。

圖11 工程量信息編碼及清單編制Fig. 11 Engineering information coding and compiling the bill of quantities

2.3 三維出圖及深化

設(shè)計優(yōu)化完成后，可以通過BIM軟件對模型及構(gòu)件進行局部平、立、剖分面，或?qū)⑷S構(gòu)件調(diào)整至需要的視角，加入尺寸標注，即可對蔡家嘉陵江大橋項目BIM模型三維出圖。嘉陵江大橋項目包含道路、橋梁、隧道等專業(yè)，通過BIM模型出圖的內(nèi)容和標注滿足現(xiàn)行規(guī)范及標準的要求，如圖12。

圖12 BIM模型Fig. 12 BIM model

2.4 VR虛擬現(xiàn)實

在設(shè)計方案匯報時，往往使采用傳統(tǒng)的二維總體圖紙進行講解，由于立交結(jié)構(gòu)復(fù)雜交錯，短時間內(nèi)很難將設(shè)計思路清晰的傳達給業(yè)主管理人員。BIM優(yōu)秀的三維可視化能力可在匯報時，將蔡家嘉陵江大橋BIM模型與VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行結(jié)合，通過動態(tài)漫游和三維展示，提升了BIM模型與業(yè)主管理人員之間的交互體驗，使模型在整個使用和展示過程顯得更為直觀和具體化，并能更好的將設(shè)計意圖準確的傳達給業(yè)主。

3 結(jié) 語

筆者結(jié)合重慶市蔡家嘉陵江大橋小灣立交項目，通過BIM模型的建立和應(yīng)用，對傳統(tǒng)二維設(shè)計成果進行了優(yōu)化和調(diào)整。認為將BIM技術(shù)應(yīng)用在立交工程上是具有實際價值的，且該技術(shù)的要點和優(yōu)點如下：

1)BIM模型的精確性決定了后續(xù)技術(shù)應(yīng)用的準確性。對于立交工程這類專業(yè)多、空間交叉復(fù)雜的結(jié)構(gòu)物模型建立，應(yīng)提前規(guī)劃好建模思路，梳理出一個清晰的模型文件組成結(jié)構(gòu)，從而保證建立準確的BIM模型；

2)BIM技術(shù)可以提高設(shè)計成果的質(zhì)量，依靠BIM模型優(yōu)秀的三維可視化性、實時協(xié)調(diào)性和交互性的特點，檢查設(shè)計文件的準確性，并通過BIM技術(shù)優(yōu)化道路路線的設(shè)計，減少變更及返工的發(fā)生；

3)在模型建立足夠精確和完整的條件下，BIM模型可以完成準確的工程量計算，并可按照要求進行出圖；

4)BIM模型在匯報時可更加直觀的展示整個立交項目的位置分布和空間交叉情況，使工程各方提升溝通效率，減少因理解不同造成的工期和資金的浪費。