魏國(guó)容

（中國(guó)市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，四川 成都 610000）

0 引 言

科技的進(jìn)步與發(fā)展為道路工程設(shè)計(jì)注入了新的動(dòng)力，以BIM 為代表的3D 數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)提升了從業(yè)人員效率，推動(dòng)了行業(yè)的整體發(fā)展[1]。

BIM 技術(shù)興起于20世紀(jì)70年代，由美國(guó)學(xué)者Chuck[2]提出。我國(guó)道路工程設(shè)計(jì)行業(yè)大多停留在CAD 時(shí)代，近年來(lái)已有專家、學(xué)者將目光轉(zhuǎn)向了BIM 技術(shù)。2011年，Shim 等[3]將BIM 技術(shù)應(yīng)用到橋梁設(shè)計(jì)中，建立3D 全橋模型，并基于此對(duì)全橋荷載計(jì)算進(jìn)行輔助應(yīng)用。國(guó)內(nèi)王良國(guó)等[4]應(yīng)用BIM 技術(shù)對(duì)高速公路隧道工程施工工序進(jìn)行拆解并細(xì)化，將施工步驟和結(jié)構(gòu)實(shí)體有機(jī)結(jié)合。王小寧等[5]基于BIM 技術(shù)理論，以平塘特大橋工程為工程實(shí)例，得出設(shè)計(jì)和施工兩方面技術(shù)應(yīng)用方案。徐開(kāi)華等[6]進(jìn)行BIM 技術(shù)在公路工程設(shè)計(jì)中的嘗試應(yīng)用，討論BIM 技術(shù)所具備的技術(shù)特點(diǎn)。孫夢(mèng)夢(mèng)[7]研究道路工程施工環(huán)節(jié)中對(duì)BIM 技術(shù)的靈活應(yīng)用，利用PDCA循環(huán)原理，優(yōu)化施工整體環(huán)節(jié)銜接。

綜上所述，現(xiàn)有BIM 技術(shù)在道橋工程的應(yīng)用更多體現(xiàn)在橋梁設(shè)計(jì)和道路施工兩方面，在道路工程設(shè)計(jì)方向已有嘗試，但具體應(yīng)用流程（包括操作和銜接）仍有較大空白。本研究討論了BIM 技術(shù)在道路工程設(shè)計(jì)階段的功能實(shí)現(xiàn)，針對(duì)BIM 建模功能展開(kāi)具體討論，旨在為BIM 技術(shù)的進(jìn)一步推廣和提升道路工程設(shè)計(jì)效率提供借鑒。

1 BIM 典型特征

BIM 是建筑行業(yè)新興的一種生產(chǎn)理念，能將工程建設(shè)各工種或部門(mén)所掌握的項(xiàng)目相關(guān)信息高度集成于3D 數(shù)據(jù)模型內(nèi)，以此貫穿工程項(xiàng)目的全生命周期，包括項(xiàng)目整體方案確定、設(shè)計(jì)方案確定、施工進(jìn)程和運(yùn)營(yíng)維護(hù)等，如圖1 所示。此外，BIM 對(duì)各工程項(xiàng)目環(huán)節(jié)相關(guān)信息集成并非簡(jiǎn)單合并，而是在參數(shù)模型基礎(chǔ)上建立緊密關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)無(wú)障礙傳遞共享，具備可視性、可出圖性、模擬性、協(xié)同性和優(yōu)化性典型特征。

圖1 BIM 的全生命周期示意圖

2 道路工程設(shè)計(jì)功能實(shí)現(xiàn)

2.1 地質(zhì)勘測(cè)

相較單點(diǎn)式建筑工程項(xiàng)目，道路工程具備條帶式分布特征，需和沿線地形地質(zhì)、水文氣象等因素緊密結(jié)合，道路工程設(shè)計(jì)方案要素也隨之動(dòng)態(tài)調(diào)整。BIM技術(shù)在道路地質(zhì)勘測(cè)方面主題為周邊地質(zhì)地貌，建模過(guò)程中需與道橋相關(guān)專業(yè)人員協(xié)同工作。呈現(xiàn)出的電子3D 地質(zhì)模型可準(zhǔn)確反映出現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況，各測(cè)繪數(shù)據(jù)能以3D 形式置于模型內(nèi)，按地形測(cè)繪數(shù)據(jù)創(chuàng)建出的地形曲面表達(dá)豐富，利于制定最佳設(shè)計(jì)方案，如圖2 所示。

圖2 3D 地質(zhì)模型

2.2 方案比選

道路工程建設(shè)項(xiàng)目多為政府投資基建項(xiàng)目，項(xiàng)目能否立項(xiàng)很大程度上取決于項(xiàng)目可行性報(bào)告。報(bào)告中所體現(xiàn)的區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃狀況、交通經(jīng)濟(jì)預(yù)測(cè)、建設(shè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和推薦建設(shè)方案，將最終決定項(xiàng)目資金配置和實(shí)施方案。政府部門(mén)將召集相關(guān)國(guó)土、水利、環(huán)境和建設(shè)管理部門(mén)對(duì)多方案進(jìn)行可行性探討，最終做出決策。探討決策過(guò)程中，常因各部門(mén)關(guān)注點(diǎn)差異或溝通隔閡問(wèn)題，使方案的不確定性很大，所需調(diào)整內(nèi)容繁雜，缺少集中交流平臺(tái)。而B(niǎo)IM 技術(shù)所提供的多因素電子3D 虛擬社會(huì)中包含的各影響因子均可靈活調(diào)整變動(dòng)，并能實(shí)現(xiàn)可視化實(shí)時(shí)對(duì)比，如圖3 所示。相對(duì)于常規(guī)文字方案比選，更能提高交流對(duì)比論證效率。

圖3 方案比選對(duì)照

2.3 3D 可視化設(shè)計(jì)建模

Revit 等3D 可視化BIM 設(shè)計(jì)軟件，能夠明顯降低業(yè)主相關(guān)專業(yè)能力要求，降低與專業(yè)設(shè)計(jì)人員間的溝通門(mén)檻。相較于常規(guī)3D 渲染軟件，Revit 不僅是簡(jiǎn)單地進(jìn)行立體效果展示，而且能夠內(nèi)置幾何物理分析功能，進(jìn)行模擬計(jì)算分析，具備更佳表現(xiàn)效果。其可以高效地建立起道路交叉口、匝道出入口、橋梁墩臺(tái)梁板等模型，并能實(shí)現(xiàn)單元化利用和個(gè)性化更新，通過(guò)簡(jiǎn)單參數(shù)設(shè)置即可實(shí)現(xiàn)模型變動(dòng)。道路工程設(shè)計(jì)者更新設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，可即時(shí)通過(guò)3D 可視化模型進(jìn)行校正，大大提升設(shè)計(jì)效率。設(shè)計(jì)過(guò)程中，Revit 軟件可以自動(dòng)進(jìn)行碰撞沖突檢測(cè)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算驗(yàn)證，如圖4 所示，在設(shè)計(jì)階段即可避免有可能出現(xiàn)的各類施工風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約整體項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)成本。

圖4 可視化設(shè)計(jì)建模

2.4 協(xié)同設(shè)計(jì)

BIM 技術(shù)在道路工程設(shè)計(jì)中的最大特點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)協(xié)同設(shè)計(jì)?；贐IM 技術(shù)平臺(tái)所搭建的共享信息模型，能讓道路工程設(shè)計(jì)和施工多方人員共同參與，如圖5 所示。在同一信息模型平臺(tái)上，各方發(fā)揮各自專業(yè)技術(shù)特長(zhǎng)，共同進(jìn)行模型協(xié)作、業(yè)務(wù)協(xié)作、文檔協(xié)作和任務(wù)協(xié)作，盡可能地降低交流難度，實(shí)現(xiàn)高效率、低錯(cuò)誤率協(xié)同設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)項(xiàng)目的平面、縱橫斷面和地形曲面可直接傳達(dá)給各方。各方信息集合完成后，BIM 技術(shù)構(gòu)造的協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)將對(duì)其進(jìn)行綜合性碰撞檢查，計(jì)算地形曲面和路線平面、縱斷面和橫斷面等設(shè)計(jì)要素的可執(zhí)行性。

圖5 協(xié)同設(shè)計(jì)流程圖

3 設(shè)計(jì)計(jì)算和輸出

3.1 工程量造價(jià)計(jì)算

常規(guī)道路工程設(shè)計(jì)一般采用人工計(jì)算的方式得出項(xiàng)目工程量和對(duì)應(yīng)造價(jià)，需耗費(fèi)工程技術(shù)人員較大精力，用于閱讀和理解圖紙內(nèi)容并進(jìn)行繁雜計(jì)算工作。因2D 紙質(zhì)圖紙整體呈現(xiàn)出的點(diǎn)線面系統(tǒng)不夠直觀，因此人工計(jì)算得到的工程量造價(jià)往往存在一定誤差，后續(xù)的校核、審核工作也需重復(fù)上述工作，存在同樣缺陷。BIM 技術(shù)所提供的3D 數(shù)據(jù)模型，能直觀體現(xiàn)道路設(shè)計(jì)整體的路基、底基層、基層、面層和附屬結(jié)構(gòu)，并將內(nèi)置工程信息集中整合，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件調(diào)用即可實(shí)現(xiàn)高精度、快速計(jì)算。涉及工程變更，僅需要更改道路3D 模型和部分參數(shù)，整體工程量造價(jià)計(jì)算結(jié)果將隨之動(dòng)態(tài)變化。

3.2 自動(dòng)化輸出

道路工程最終設(shè)計(jì)方案往往以圖紙形式交付，BIM 技術(shù)設(shè)計(jì)成果形式則體現(xiàn)為信息技術(shù)模型。在BIM 技術(shù)全面覆蓋推廣前，圖紙?jiān)诠こ淘O(shè)計(jì)領(lǐng)域仍發(fā)揮著重要作用。但在傳統(tǒng)2D 圖紙使用過(guò)程中，會(huì)不可避免地出現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖難以被充分解讀、圖紙?jiān)O(shè)計(jì)布施存在紕漏等問(wèn)題。一旦出現(xiàn)圖紙變更場(chǎng)景，通常會(huì)需要大量工作量對(duì)一系列相關(guān)圖紙進(jìn)行變更。應(yīng)用BIM 技術(shù)設(shè)計(jì)人員的工作重點(diǎn)則轉(zhuǎn)向整體模型精細(xì)化提升和信息集成，由BIM 相關(guān)軟件進(jìn)行自動(dòng)化輸出。圖紙變更僅需在模型中對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)校，可實(shí)現(xiàn)全方位圖紙實(shí)時(shí)變動(dòng)。

4 道路工程設(shè)計(jì)建模

4.1 3D 路線設(shè)計(jì)

4.1.1 BIM 地形模型

BIM 技術(shù)搭建的地形模型是基于測(cè)繪結(jié)果得出的3D 三角坐標(biāo)，常用于定義各類地形面，同時(shí)也能繪入下層土體信息，被稱為DMT，是道路工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)性工作。通過(guò)DMT 建立得到的數(shù)學(xué)地形模型可以提供道路設(shè)計(jì)所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)?，F(xiàn)階段常用的BIM 技術(shù)相關(guān)軟件為PowerCivil，可提供Terrain 獨(dú)立元素文件，其地形創(chuàng)建編輯、分析應(yīng)用計(jì)算能力強(qiáng)大，根據(jù)狄羅妮三角構(gòu)建方案，可生成xml 和tin 格式文件，在地形檢查和修改更新方面有便利的操作性。通過(guò)常用附帶等高值的Autocad 的二次開(kāi)發(fā)dwg 文件即可生成3D BIM地形模型。

4.1.2 平縱設(shè)計(jì)

PowerCivil 主要通過(guò)導(dǎo)線法實(shí)現(xiàn)道路工程主線設(shè)計(jì)，即按照測(cè)繪地形地貌和規(guī)定控制點(diǎn)等要素設(shè)置多條導(dǎo)線，并以各導(dǎo)線交點(diǎn)為基礎(chǔ)形成曲線參數(shù)，通過(guò)“緩和—圓—緩和曲線”將其平順連接，通過(guò)軟件運(yùn)算在地形曲面基礎(chǔ)上形成縱斷面地面線。輔以道路等級(jí)和排水要求等條件，設(shè)計(jì)縱坡豎曲線，設(shè)計(jì)結(jié)果如圖6 所示。

圖6 P owe rCivil 平縱設(shè)計(jì)圖

4.2 路基路面建模

利用PowerCivil 軟件進(jìn)行路基路面建模，在創(chuàng)建橫斷面時(shí)需要重點(diǎn)考慮3 個(gè)主要參數(shù)，分別為特征點(diǎn)、組件和末端條件。

常見(jiàn)的特征點(diǎn)有瀝青路面邊緣點(diǎn)、土路肩邊緣和道路中心線等，各節(jié)點(diǎn)間通過(guò)斜率或直線距離這兩個(gè)約束條件進(jìn)行定義。通過(guò)對(duì)各約束規(guī)定標(biāo)簽，可實(shí)現(xiàn)對(duì)橫斷面具體位置描述，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)目標(biāo)。組件是一個(gè)點(diǎn)組，對(duì)其規(guī)定開(kāi)口類型，可表征人行道或基層等材質(zhì)區(qū)域。末端條件主要為實(shí)現(xiàn)邊坡設(shè)計(jì)功能，通過(guò)邏輯分支確定邊坡設(shè)置，能和地形模型進(jìn)行自動(dòng)拾取。

4.3 快速道路整體建模

PowerCivil 軟件模型的建立基于2D 平面，設(shè)置各參數(shù)后，通過(guò)計(jì)算機(jī)算法形成3D 模型。完成平縱橫設(shè)計(jì)內(nèi)容后，將道路設(shè)計(jì)橫斷面按照路線設(shè)計(jì)方案進(jìn)行拉伸，可快速創(chuàng)建出道路整體3D 模型。部分道路工程設(shè)計(jì)方案各橫斷面存在差異，需應(yīng)用多個(gè)橫斷面模版，如城市道路斷面包含公路斷面、瀝青路面和水泥路面等各類場(chǎng)景。PowerCivil 軟件可通過(guò)計(jì)算機(jī)運(yùn)算，得出最佳過(guò)渡方案（見(jiàn)圖7），并反映至道路整體模型中。

圖7 過(guò)渡方案設(shè)置

5 結(jié) 語(yǔ)

本研究介紹了BIM 的典型特征，簡(jiǎn)述了BIM 技術(shù)在道路工程設(shè)計(jì)階段的功能實(shí)現(xiàn)，總結(jié)BIM 技術(shù)工程量造價(jià)計(jì)算、自動(dòng)化輸出功能。針對(duì)BIM 技術(shù)道路工程設(shè)計(jì)建模功能展開(kāi)討論，得出基于Power-Civil 軟件進(jìn)行道路工程設(shè)計(jì)的完整流程，有如下主要結(jié)論。

（1）BIM 技術(shù)可視性、可出圖性、模擬性、協(xié)同性和優(yōu)化性的典型特征，可實(shí)現(xiàn)道路工程信息傳遞共享，提升信息調(diào)用效率。

（2）道路工程設(shè)計(jì)功能實(shí)現(xiàn)包括地質(zhì)勘測(cè)、方案比選、3D 可視化設(shè)計(jì)建模和協(xié)同設(shè)計(jì)，可準(zhǔn)確反映現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況，提高交流對(duì)比論證效率，避免施工風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)多方人員參與設(shè)計(jì)。

（3）BIM 道路工程設(shè)計(jì)計(jì)算和輸出，可通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件調(diào)用實(shí)現(xiàn)高精度、快速計(jì)算，自動(dòng)化輸出全方位圖紙并能實(shí)時(shí)變動(dòng)。

（4）道路工程設(shè)計(jì)建模能夠進(jìn)行3D 路線設(shè)計(jì)、平縱橫設(shè)計(jì)，得出最佳橫斷面過(guò)渡方案，最終達(dá)到快速道路整體建模的目的。