黃亞棟 劉 闊 郭雨鑫

(湖北省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司 武漢 430051)

建筑信息模型(building information modeling，BIM)技術(shù)是在信息化背景下提出來的一種創(chuàng)新工具與生產(chǎn)方式。其已在歐美等發(fā)達(dá)國家引發(fā)了建設(shè)行業(yè)的變革。我國BIM技術(shù)起步相對較晚且發(fā)展速度較為緩慢，目前在公路設(shè)計方面，仍然以傳統(tǒng)設(shè)計為主。在公路設(shè)計中BIM技術(shù)相對于傳統(tǒng)二維設(shè)計具備以下優(yōu)勢：①公路設(shè)計具有可視化；②工程量計算準(zhǔn)確性提升；③自動關(guān)聯(lián)減少工作量及提升工作效率；④可多領(lǐng)域協(xié)作。

目前比較主流的BIM核心建模軟件生產(chǎn)商為：Autodesk 公司(Revit 建筑、Civil3D等)、Bentley公司(Bentley 建筑、Power Civil 平臺等)、Graphisoft 公司(Archi CAD、BIMx、Nemetschex等)、和Gery Technology Dassault公司的CATIA等。這些軟件在使用中均存在一些共性問題：用戶使用流程復(fù)雜，難以入門；不同行業(yè)之間的功能模塊不盡相同，很難在短時間內(nèi)完全掌握；互用性差也使得具有不同功能的系統(tǒng)需要單獨應(yīng)用。這些缺點使得采用BIM技術(shù)進行正向設(shè)計難度非常大，很難在設(shè)計院推廣開來[1-2]。

公路工程設(shè)計BIM系統(tǒng)則較好地解決了上述BIM設(shè)計軟件的弊端，為高速公路BIM正向設(shè)計提供了較好的技術(shù)支撐。該系統(tǒng)針對公路設(shè)計全周期，基于GIS、BIM和互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)提供一整套全流程、全專業(yè)的數(shù)字化、信息化、智能化的公路工程設(shè)計與管理的集成式解決方案。公路工程設(shè)計BIM系統(tǒng)有如下7個特點：①三維可視化；②智能設(shè)計；③系統(tǒng)性，全面性；④經(jīng)驗庫思想；⑤圖紙全面性、自動性；⑥支持各種平臺的BIM成果轉(zhuǎn)換格式；⑦團隊協(xié)同。

本文以宜都至來鳳高速公路宜昌段工程為例，以公路工程設(shè)計BIM系統(tǒng)軟件為基礎(chǔ)，詳細(xì)介紹了BIM技術(shù)在高速公路正向設(shè)計中的應(yīng)用，以為今后類似的高速公路工程設(shè)計提供理論和實例依據(jù)。

1 工程概況

宜都至來鳳高速公路宜昌段位于宜昌宜都市、五峰縣境內(nèi)，是《湖北省綜合交通運輸“十三五”發(fā)展規(guī)劃》及《湖北省省道網(wǎng)規(guī)劃(2011-2030年)》中“橫五”通道——陽新至咸豐高速公路通道的重要組成部分。是實施國家長江經(jīng)濟帶發(fā)展戰(zhàn)略，強化長江中游城市群與成渝經(jīng)濟區(qū)經(jīng)濟交通聯(lián)系的需要。是完善鄂湘渝毗鄰區(qū)路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，打通“橫五”大通道的需要。

項目區(qū)沿線地形復(fù)雜，地勢起伏較大，沿線多高山峽谷，高速公路建設(shè)需穿越高山，跨越溝谷，勘察設(shè)計難度大。項目全長約93.6 km，為雙向四車道高速公路，設(shè)計車速80 km/h，路基橫斷面寬度25.5 m，橋隧占比74%，設(shè)置互通式立交5處，服務(wù)區(qū)3處。

本項目設(shè)計全面建成全線BIM模型，解決多處復(fù)雜節(jié)點的BIM正向設(shè)計技術(shù)難題，完成了從方案設(shè)計到施工圖設(shè)計階段的BIM技術(shù)應(yīng)用，為山區(qū)復(fù)雜環(huán)境下大型高速公路BIM技術(shù)應(yīng)用提供了實踐依據(jù)。

2 BIM正向設(shè)計

2.1 利用BIM+GIS技術(shù)建立地形模型

傳統(tǒng)的公路設(shè)計是在利用無人機沿著設(shè)計路線航測得到的帶狀地形圖上進行，這種設(shè)計方法無法滿足公路設(shè)計在區(qū)域總體布置上的需求，給公路總體設(shè)計帶來很大的局限。該項目設(shè)計利用BIM+GIS技術(shù)進行輔助設(shè)計，實現(xiàn)了區(qū)域總體大場景下進行公路總體設(shè)計。

首先，使用衛(wèi)星遙感技術(shù)(RS)與地理信息技術(shù)(GIS)對設(shè)計路線兩側(cè)5 km區(qū)域的地形進行三維建模，并在三維的地形曲面上輔助以衛(wèi)星影像(DOM)[3-5]；其次，在大場景地形曲面內(nèi)部設(shè)計路線兩側(cè)300 m范圍內(nèi)，使用先進的Lidar機載激光雷達(dá)測量技術(shù)，沿擬定線位兩側(cè)各500 m范圍采集地面散點坐標(biāo)、高程數(shù)據(jù)，其點云圖見圖1。以此保證在公路設(shè)計時的局部設(shè)計精度。

圖1 Lidar機載激光雷達(dá)生成的點云圖

利用BIM+GIS技術(shù)輔助設(shè)計，導(dǎo)入數(shù)字高程模型Dem、數(shù)字影像文件Dom及各種地物矢量文件。構(gòu)建三維可視化的設(shè)計環(huán)境，還原項目區(qū)實際場景見圖2。

圖2 BIM+GIS生成的總體地形模型

2.2 利用BIM技術(shù)進行平面設(shè)計

在總體設(shè)計子系統(tǒng)中平面設(shè)計支持導(dǎo)線法、線元法。在項目設(shè)計中，設(shè)計人員可根據(jù)情況分別采用不同的設(shè)計方法完成路線的布設(shè)；對于復(fù)雜線形，采用導(dǎo)線法與線元法穿插使用。在公路工程設(shè)計BIM系統(tǒng)中，智能考慮圓、緩和曲線、偏角、超高長度等因素，減少工作量。在立交設(shè)計中，智能計算偏移值，快速布設(shè)變車道、分合流等，見圖3。平縱面實時聯(lián)動，有助于設(shè)計人員對項目線形的整體把控，使設(shè)計方案更合理、設(shè)計速率更高效。

圖3 互通平面設(shè)計

在平面設(shè)計過程中，設(shè)計人員利用總體設(shè)計子系統(tǒng)中的查詢功能，實時查詢設(shè)計模型中的線形單元的數(shù)據(jù)信息、交點的設(shè)計參數(shù)及設(shè)計要素信息、某一點處的樁號、坐標(biāo)、曲率半徑、高程等信息。對平面設(shè)計成果進行符規(guī)檢查，根據(jù)公路幾何設(shè)計專業(yè)特點和相關(guān)規(guī)范要求，審核路線相關(guān)設(shè)計指標(biāo)是否滿足規(guī)范要求。

2.3 利用BIM技術(shù)進行縱斷面設(shè)計

利用公路BIM設(shè)計系統(tǒng)進行動態(tài)互動式縱面設(shè)計，縱斷面設(shè)計中自動添加、更新控制點，快速創(chuàng)建變坡點并智能設(shè)置豎曲線，還搭配了智能的符規(guī)檢查系統(tǒng) ，能夠智能檢測縱坡、坡長、超高過渡、“平包縱”等是否違規(guī)。立交設(shè)計中智能接坡，并進行超高計算，縱斷面設(shè)計示意見圖4。

圖4 縱斷面設(shè)計

2.4 利用BIM技術(shù)進行構(gòu)造物布設(shè)

在完成路線的平縱面設(shè)計后，結(jié)合該項目地形地質(zhì)特點，BIM設(shè)計人員定制了適合該項目的相關(guān)路基模板，在路基模板庫內(nèi)通過添加、刪除邊坡模板，根據(jù)填挖方情況，定制符合該項目實際需要的邊坡參數(shù)。

根據(jù)地形填挖情況，在縱斷面設(shè)計界面內(nèi)指定橋梁、隧道、涵洞等的布置樁號，橋、隧布置過程中，實時顯示構(gòu)造物在平面及縱斷面的位置情況，使構(gòu)造物布置更加合理，準(zhǔn)確，其橋梁處界面示意見圖5。

圖5 橋梁布設(shè)

在平縱橫設(shè)計完成后即可進行模型的快速創(chuàng)建及傳統(tǒng)模式下的橫斷面帶帽工作。軟件可智能合理地確定道路加寬、超高方式及路基邊坡坡率和防護、排水等方案，在三維視圖下初步生成道路三維模型。通過查看道路三維模型，檢驗道路設(shè)計的合理性。

2.5 利用BIM技術(shù)進行高填深挖路段設(shè)計

將總體信息導(dǎo)入路基系統(tǒng)，對路基邊坡、防護及排水進行參數(shù)化設(shè)計，實時更新參數(shù)化BIM模型，便于設(shè)計人員查看與對比。對支擋進行參數(shù)化設(shè)計，相較于二維圖紙能更直觀地表達(dá)設(shè)計意圖，選取高填深挖路段設(shè)計界面展示見圖6。

圖6 高填深挖路段設(shè)計

針對高填深挖路段設(shè)計，在三維環(huán)境下，可直觀地查看邊坡防護設(shè)置的合理性，并對邊坡防護進行可視化的修改，并能實時顯示道路屬性及相關(guān)工程數(shù)量。

2.6 利用BIM技術(shù)進行隧道正向設(shè)計

在進行隧道BIM正向設(shè)計時，按照洞身內(nèi)輪廓設(shè)計、洞口設(shè)計、隧道頂坡邊坡設(shè)計，以及洞門設(shè)計流程進行。該軟件中的隧道BIM設(shè)計功能是基于我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)庫進行的，程序內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)庫，設(shè)計人員只需要輸入相關(guān)參數(shù)，即可自動生成滿足設(shè)計規(guī)范的隧道模型。在進行隧道洞門設(shè)計時，隧道洞門布設(shè)三維可視化，與地形交互，填挖方尺寸一目了然，極大地方便了隧道洞門布設(shè)方案的初步擬定。

在進行隧道縱向設(shè)計時，考慮隧址區(qū)域內(nèi)地質(zhì)、圍巖情況，對隧道的襯砌、超前支護等進行設(shè)計，對隧道偏壓情況、洞門、信號燈、鼓風(fēng)機、內(nèi)部照明進行三維漫游檢驗，提高隧道設(shè)計質(zhì)量。建立隧道延米模型，可實時查看路面、襯砌、圍巖、排水溝等結(jié)構(gòu)的組成及工程量。

2.7 自動生成二維圖紙

利用公路BIM設(shè)計系統(tǒng)可以一鍵自動生成dwg格式及對應(yīng)的PDF版圖紙并成冊，圖紙包括工程可行、初步設(shè)計、施工圖等各個階段的圖紙。

一鍵出圖前，需先進行圖紙設(shè)置和圖冊設(shè)置，其中圖紙設(shè)置可完成出圖風(fēng)格和出圖比例設(shè)置工作，圖冊設(shè)置是通過圖冊編輯，完成圖紙名稱、文件名稱、圖號等信息的統(tǒng)一管理。在完成通用圖紙設(shè)置及圖冊設(shè)置后，即可進行圖紙的一鍵出圖。圖紙一鍵出圖既可以實現(xiàn)所有圖冊的一次性集中出圖，也可實現(xiàn)某條線路的單冊圖紙出圖。

3 結(jié)語

1) BIM正向設(shè)計技術(shù)應(yīng)用于公路設(shè)計全過程，可更清晰地展現(xiàn)設(shè)計人員的設(shè)計意圖，提升設(shè)計水平。

2) 將GIS+BIM技術(shù)應(yīng)用于正向設(shè)計，可將設(shè)計方案展示在實地環(huán)境中，利于優(yōu)化設(shè)計方案，節(jié)約項目成本。

3) BIM正向設(shè)計中的多專業(yè)協(xié)同設(shè)計方式，可以及時對道路視距、凈空進行分析，并驗證設(shè)計合理性，進而提高設(shè)計質(zhì)量。

4) 采用參數(shù)化設(shè)計方式進行BIM正向設(shè)計，實現(xiàn)了設(shè)計參數(shù)與BIM成果實時聯(lián)動，可提高工作效率。