金雪峰, 張志清, 肖書影, 張貴陽

(北京工業(yè)大學(xué)交通工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100124)

0 引言

隨著公路運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展，暴露出傳統(tǒng)道路工程中信息傳遞效果差、生產(chǎn)及管理效率低的問題[1]，因此在道路工程中應(yīng)用了BIM(Building Information Modeling 建筑信息模型)技術(shù)用于解決這一問題[2]. 但隨著BIM的不斷應(yīng)用，卻在道路設(shè)計(jì)方面出現(xiàn)了嚴(yán)重的“翻模”(也稱逆向設(shè)計(jì))問題. 這種問題導(dǎo)致建模的工作量巨大，不僅沒有發(fā)揮BIM的優(yōu)勢提高設(shè)計(jì)效率，反而還有所降低. 并且模型所儲(chǔ)存的信息是否完整、準(zhǔn)確還有待商榷，模型可重復(fù)利用性小[3-5]. 因此研究基于BIM的道路正向設(shè)計(jì)方法，對(duì)于解決“翻?！眴栴}，切實(shí)提高信息傳遞效率具有重要意義.

1 BIM的內(nèi)涵和特點(diǎn)分析

1.1 BIM的內(nèi)涵

BIM的雛形來自于美國的查爾斯·伊斯曼(Charles M. Eastman)博士在1975提出的建筑描述系統(tǒng)(Building Description System BDS)，該系統(tǒng)目的在于降低圖紙的冗雜、保證圖紙信息的有效更新并在數(shù)據(jù)分析中降低人工成本，從而可提高整個(gè)項(xiàng)目的效益[6]. 隨著BIM技術(shù)的不斷應(yīng)用與發(fā)展，BIM的定義也在不斷更新. 綜合國內(nèi)外學(xué)者對(duì)BIM的研究,將道路 BIM 定義為：將道路工程項(xiàng)目的各項(xiàng)信息包含在1個(gè)三維信息模型系統(tǒng)中. 并通過收集、儲(chǔ)存、管理、分析和反饋項(xiàng)目信息，為建設(shè)項(xiàng)目全生命周期中的各階段、各參與方提供高效、準(zhǔn)確、可視的信息交流與共享平臺(tái)，進(jìn)而提高整個(gè)行業(yè)的生產(chǎn)效率，其核心內(nèi)涵在于“信息”.

1.2 BIM的特點(diǎn)分析

通過對(duì)文獻(xiàn)的研究與分析，結(jié)合BIM的內(nèi)涵，對(duì)BIM總結(jié)出6個(gè)核心特點(diǎn)[7].

1.2.1 完備性

BIM是項(xiàng)目或設(shè)施對(duì)象的物理和功能特性的數(shù)字化表達(dá)，與傳統(tǒng)只包含三維空間信息的3D模型不同，在BIM模型中既要包含對(duì)象的空間信息也要包含必要的非空間信息.

1.2.2 關(guān)聯(lián)性

模型信息的關(guān)聯(lián)性是保證項(xiàng)目高效性的重要前提，在修改方案時(shí)顯得尤為明顯，在發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)不合理或與其他專業(yè)沖突時(shí)，只需修改1次，相關(guān)關(guān)聯(lián)的對(duì)象便會(huì)自動(dòng)修改，而無需重復(fù)修改.

1.2.3 一致性

一次建模多次使用，在全生命周期不同階段的模型信息可保持一致，同一信息無需重復(fù)輸入. 實(shí)現(xiàn)信息在全生命周期中的互用，保證信息在傳輸與交換的過程中不會(huì)造成信息的丟失與出錯(cuò).

1.2.4 可視化

可視化即“所見即所得”，不同于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法與效果圖，BIM可視化既表示模型外觀的三維可視化，更是表示BIM技術(shù)的操作環(huán)境是三維可視化的，設(shè)計(jì)、碰撞檢查、施工模擬以及運(yùn)維分析都是處于可視化的環(huán)境中.

1.2.5 協(xié)調(diào)性

協(xié)調(diào)性也即不同專業(yè)設(shè)計(jì)師之間的協(xié)同性，在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中常會(huì)由于各專業(yè)設(shè)計(jì)師之間的溝通不到位，而會(huì)出現(xiàn)各種專業(yè)之間的碰撞、疏漏等問題.

1.2.6 模擬與優(yōu)化性

模擬仿真與分析優(yōu)化，在信息模型的基礎(chǔ)上，通過軟件的模擬、仿真、計(jì)算等功能對(duì)模型進(jìn)行模擬分析，從而對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行相關(guān)的決策與評(píng)估，并可提前預(yù)測施工或運(yùn)維階段可能出現(xiàn)的問題，可在設(shè)計(jì)階段及時(shí)進(jìn)行優(yōu)化.

2 道路BIM正向設(shè)計(jì)理念及關(guān)鍵問題分析

2.1 “翻?！爆F(xiàn)象及分析

“翻模”現(xiàn)象，即設(shè)計(jì)人員在傳統(tǒng)的環(huán)境信息(二維平面地形圖、文字說明、二維地質(zhì)剖面圖)的基礎(chǔ)上，先用原有的道路設(shè)計(jì)工具完成道路設(shè)計(jì)，生產(chǎn)出二維設(shè)計(jì)圖紙，再交由“建模人員”根據(jù)二維圖紙的設(shè)計(jì)信息構(gòu)建出三維信息模型(三維地面模型、道路模型、橋梁隧道以及其他構(gòu)造物模型)，最后進(jìn)行仿真分析[8]. 流程結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 翻模的流程

這種模型構(gòu)建方法缺少BIM技術(shù)所應(yīng)具有的完備性、關(guān)聯(lián)性以及一致性等核心特點(diǎn). 雖然在可視化方面可較好滿足需求，但設(shè)計(jì)環(huán)境仍處于傳統(tǒng)二維環(huán)境中，并且設(shè)計(jì)與信息模型分離，這也是翻模最大的特點(diǎn)也是最大的弊端. 設(shè)計(jì)與模型無法同步更新，數(shù)據(jù)之間無法保持動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián). 這也就導(dǎo)致翻模與修改的工作量巨大.

2.2 道路BIM正向設(shè)計(jì)理念的提出

為解決翻?，F(xiàn)象，提出了道路BIM正向設(shè)計(jì)的理念，即在三維數(shù)字環(huán)境模型的基礎(chǔ)上，利用相關(guān)軟件，完成從設(shè)計(jì)到三維關(guān)聯(lián)建模以及仿真的過程，三維模型的設(shè)計(jì)環(huán)境貫穿始終. 但需要注意的是BIM正向設(shè)計(jì)并不是意味著完全推翻傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路(即平、縱、橫的設(shè)計(jì)思路)，而是在延續(xù)已經(jīng)較為成熟的設(shè)計(jì)思路的基礎(chǔ)之上，讓BIM真正融入設(shè)計(jì)方案從無到有的設(shè)計(jì)過程，可實(shí)現(xiàn)基于設(shè)計(jì)方案的自動(dòng)或手動(dòng)三維參數(shù)化建模. 核心在于強(qiáng)調(diào)三維環(huán)境信息以及設(shè)計(jì)與模型之間保持動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)、動(dòng)態(tài)更新，將設(shè)計(jì)融入到建模之中，在模型應(yīng)用時(shí)也無需重復(fù)設(shè)計(jì)或重復(fù)建模，實(shí)現(xiàn)一模多用的目標(biāo). 流程結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 道路BIM正向設(shè)計(jì)思路

2.3 關(guān)鍵問題分析

實(shí)現(xiàn)以上內(nèi)容最關(guān)鍵的問題在于如何使設(shè)計(jì)軟件以及核心建模軟件之間的文件相互兼容并且動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián). 目前，通過已有軟件主要有2種方法可解決這個(gè)問題.

方法1：研發(fā)不同軟件與核心建模軟件之間關(guān)聯(lián)的接口，但該方法難度較大，而且不同信息是否能同時(shí)放在同1個(gè)模型中，并被不同設(shè)計(jì)者使用仍是個(gè)問題；

方法2：基礎(chǔ)設(shè)計(jì)軟件以及核心建模軟件為同1個(gè)軟件，以此為基礎(chǔ)個(gè)別設(shè)計(jì)單獨(dú)設(shè)置接口，并結(jié)合其他仿真軟件搭建軟件平臺(tái). 該方法技術(shù)難度較低，最為可行，只需找到1個(gè)滿足要求的核心軟件，再通過軟件之間已有的數(shù)據(jù)交互功能即可實(shí)現(xiàn). 本文采用的便是此方法.

3 道路BIM正向設(shè)計(jì)方法

3.1 搭建軟件平臺(tái)

目前，國內(nèi)外主流的BIM核心建模軟件主要是Autodesk(產(chǎn)品：Revit、Civil3D等)、Bentley(產(chǎn)品：Power Civil、MicroStation等)、Graphisoft(產(chǎn)品：Archi CAD、Nemetschex等)、Dassault(產(chǎn)品：CATIA、Digital Project等)等公司研發(fā)的相關(guān)產(chǎn)品. 本文通過文獻(xiàn)閱讀以及實(shí)踐情況，最終選擇Autodesk公司的Civil 3D軟件作為核心軟件[9-10]. 并結(jié)合Subassembly Composer、3ds Max、Navisworks等設(shè)計(jì)、仿真軟件，通過單向或雙向的連接方式，搭建軟件平臺(tái)，如圖3所示.

圖3 軟件平臺(tái)

3.2 三維地面模型

將外業(yè)測量中得到的地面數(shù)據(jù)(點(diǎn)文件、多段線、GIS數(shù)據(jù)等)導(dǎo)入到Civil 3D軟件中，通過三角構(gòu)網(wǎng)的方法對(duì)任意一點(diǎn)進(jìn)行Delaunay三角剖分，并連接彼此最近的曲面點(diǎn)進(jìn)而構(gòu)成三維地面模型，如圖4所示.

圖4 三維地面模型

三維地面模型在儲(chǔ)存地形信息的同時(shí)可直觀的為設(shè)計(jì)人員提供地形情況，使定線與選線工作更為方便、準(zhǔn)確.

3.3 道路平、縱設(shè)計(jì)

3.3.1 平面設(shè)計(jì)

在三維地面模型的基礎(chǔ)上，可通過道路設(shè)計(jì)中常用的線元法與導(dǎo)線法進(jìn)行道路平面設(shè)計(jì)，通過確定導(dǎo)線的位置以及圓曲線半徑等參數(shù)完成設(shè)計(jì)[11].

3.3.2 縱斷面設(shè)計(jì)

縱斷面設(shè)計(jì)主要分為創(chuàng)建動(dòng)態(tài)縱斷面和創(chuàng)建設(shè)計(jì)縱斷面2步[12]. 動(dòng)態(tài)縱斷面指的是從地形模型、道路模型等三維對(duì)象進(jìn)行縱向剖切得到的斷面線，并且能根據(jù)剖切對(duì)象數(shù)據(jù)的變化而保持動(dòng)態(tài)的更新. 設(shè)計(jì)縱斷面是在動(dòng)態(tài)縱斷面之上創(chuàng)建傳統(tǒng)縱斷面設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)線，如圖5所示. 設(shè)計(jì)時(shí)還可通過設(shè)置“設(shè)計(jì)規(guī)范檢查集”實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)規(guī)范動(dòng)態(tài)自動(dòng)檢測，減少設(shè)計(jì)人員檢索、核對(duì)規(guī)范指標(biāo)的時(shí)間與精力.

圖5 縱斷面設(shè)計(jì)

3.4 參數(shù)化橫斷面設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)的橫斷面設(shè)計(jì)思想上引入了部件與裝配的概念，從而在道路設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)參數(shù)化橫斷面設(shè)計(jì).

3.4.1 部件

部件是參數(shù)化橫斷面設(shè)計(jì)中最基本的單元，可看作傳統(tǒng)橫斷面設(shè)計(jì)中的基本組成結(jié)構(gòu)(例如：行車道、路肩、路緣石、護(hù)欄等)，區(qū)別在于將其信息化、參數(shù)化以達(dá)到快速動(dòng)態(tài)建模的目的[13]. 通過部件編輯器軟件(Subassembly Composer)，可根據(jù)情況構(gòu)建自定義部件，每個(gè)典型部件的平面圖形都是由3種基本單元構(gòu)成：點(diǎn)(標(biāo)記)、連接、造型，并通過代碼進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，如圖6所示.

圖6 部件

圖6(a)中點(diǎn)是幾何圖形的頂點(diǎn)；連接是點(diǎn)之間的連線；造型即連線圍成的閉合區(qū)域. 圖6(b)中P1～P4是部件的點(diǎn)代碼，L1～L4是部件的連接代碼，S1是部件的造型代碼.

3.4.2 裝配

裝配可理解為道路的標(biāo)準(zhǔn)橫斷面，它由數(shù)個(gè)部件組成，并可統(tǒng)一管理部件，用于生成道路三維模型[14]. 1個(gè)裝配對(duì)象由插入點(diǎn)(選擇圖形的初始位置，與道路的中心線相對(duì)應(yīng))、基準(zhǔn)線(視覺輔助線，用于表示道路中線的垂直軸)、基準(zhǔn)線點(diǎn)(通常與插入點(diǎn)重合，作為第1個(gè)部件的初始位置)、偏移點(diǎn)(用于表示偏移路線與道路中線的相對(duì)位置)、偏移線(視距輔助線，與基準(zhǔn)線類似，用于表示偏移路線的垂直軸)5部分組成. 在裝配中添加相應(yīng)的部件即可組成完整的裝配.

3.5 道路建模

3.5.1 建模原理

建模原理是程序通過部件的代碼來控制道路模型的拼接，從路線的起點(diǎn)開始，通過設(shè)置步長來控制裝配水平與垂直方向加密的程度. 點(diǎn)的連接可構(gòu)成模型縱向的要素線，連線的拼接可構(gòu)成面，所以1個(gè)部件會(huì)生成頂面與底面，例如：行車道的頂面，基層的底面等等，而造型的連接可構(gòu)成道路的鋪裝層，路緣石、邊溝等三維信息模型.

3.5.2 建模的基本流程

創(chuàng)建道路模型主要分為3個(gè)步驟：第1步是確定基準(zhǔn)線類型，通常是以路線和縱斷面設(shè)計(jì)線為基準(zhǔn)線；第2步是為模型確定橫斷面裝配并設(shè)置目標(biāo)曲面，目標(biāo)曲面是作為路線的放坡對(duì)象，根據(jù)邊坡和縱斷面的設(shè)計(jì)生成路堤或路塹；第3步是設(shè)定樁號(hào)步長，控制裝配沿線的加密情況，數(shù)值越小所構(gòu)建的模型越精準(zhǔn)，但構(gòu)建模型的時(shí)間也越長. 生成之后的道路BIM模型如圖7所示，該模型可在后續(xù)的土石方計(jì)算、創(chuàng)建道路曲面、駕駛仿真、施工模擬以及出圖等方面進(jìn)行應(yīng)用.

圖7 道路BIM模型

在道路BIM模型的基礎(chǔ)上可進(jìn)一步對(duì)道路設(shè)計(jì)方案進(jìn)行多窗口審核與修正，設(shè)計(jì)與模型保持動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，設(shè)計(jì)發(fā)生變化，模型也會(huì)自動(dòng)進(jìn)行更新.

4 BIM模型的具體應(yīng)用

4.1 信息管理

4.1.1 信息查看與修改

構(gòu)建完模型之后，可對(duì)其中的信息進(jìn)行查看與修改，在Civil 3D中信息的查看主要有標(biāo)簽(可與夾點(diǎn)編輯相配合)、特性、全景窗口以及子圖元編輯器這4種方法，其中第1種方法本身只能查看信息但無法直接在其上進(jìn)行修改，而后3種方法既可查看信息又可進(jìn)行動(dòng)態(tài)修改.

4.1.2 信息提取

信息的提取方法主要有3種，①以某一格式對(duì)設(shè)計(jì)信息加以解釋，以文件的形式進(jìn)行保存輸出，如：保存成dwg格式文件、IFC格式文件、vsp3d格式等等，可在不同軟件之間實(shí)現(xiàn)信息的共享；②通過“Dataextraction”命令進(jìn)行提取，該方法可將對(duì)象的文本、幾何、線形等信息進(jìn)行提取，如：通過該方法可提取地形曲面上的高程點(diǎn)；③通過生成動(dòng)態(tài)圖表對(duì)信息進(jìn)行提取與整理，其中的動(dòng)態(tài)是指當(dāng)設(shè)計(jì)方案發(fā)生變化時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)更新圖表中的內(nèi)容，或是直接在圖中對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改，相應(yīng)的道路模型也會(huì)進(jìn)行更新.

4.2 工程量統(tǒng)計(jì)

在Civil 3D中為道路模型設(shè)置采樣線與土方量標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)道路材料以及填挖方量進(jìn)行計(jì)算與統(tǒng)計(jì). 土方量計(jì)算的方法有平均端面積算法、棱柱體算法以及組合體積算法3種方法. 前2種方法是道路中常用的斷面法，該方法使用的公式是在采樣線之間內(nèi)插體積，計(jì)算結(jié)果的誤差較大，并且在地形復(fù)雜的地方計(jì)算量會(huì)比較大. 而組合體積法是DEM法(Digital Elevation Model，數(shù)字高程模型)，核心是三角網(wǎng)格法，通過道路模型生成道路曲面，然后與地形曲面進(jìn)行比較來計(jì)算土方量，該方法使用實(shí)際曲面數(shù)據(jù)，不使用公式，數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確，但該方法不能計(jì)算構(gòu)造類型的材質(zhì)以及多材質(zhì)曲面之間的計(jì)算.

4.3 環(huán)境建模與駕駛模擬

利用Civil View插件，搭建Civil 3D與3ds Max軟件之間的動(dòng)態(tài)鏈接，通過3ds Max的建模、渲染以及漫游功能，實(shí)現(xiàn)道路環(huán)境的快速建模與駕駛模擬. 可讓設(shè)計(jì)者從駕駛?cè)藛T的視角發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的不足[15]，如圖8所示.

圖8 駕駛模擬仿真

4.4 視距檢測

在設(shè)計(jì)時(shí)常常會(huì)出現(xiàn)視線遮擋的問題，而傳統(tǒng)平面視距包絡(luò)圖的方法無法有效解決三維視距檢測的問題，但通過BIM模型可對(duì)空間三維視距進(jìn)行檢測. 利用空間兩點(diǎn)的通視原理，在道路模型中設(shè)置視線、目標(biāo)高度以及最小視距等參數(shù)，計(jì)算判斷視點(diǎn)與目標(biāo)之間是否存在模型遮擋的問題[16].

4.5 4D/5D施工模擬

4D/5D施工模擬可在施工階段為對(duì)施工人員提供詳細(xì)的時(shí)間進(jìn)度(4D)以及費(fèi)用(5D)信息[17]. 預(yù)先模擬施工的過程，一方面可便于統(tǒng)計(jì)與管理施工成本；另一方面便于設(shè)計(jì)師與施工人員之間的交流. 通過BIM技術(shù)，可將Civil 3D中的設(shè)計(jì)信息快速、準(zhǔn)確的導(dǎo)入到Navisworks軟件中，對(duì)施工過程進(jìn)行精確模擬.

5 結(jié)束語

目前，越來越多的“翻?！爆F(xiàn)象，使BIM不僅沒有達(dá)到應(yīng)有的預(yù)期，反而更增添了道路設(shè)計(jì)的工作量. 本文就是以此問題為切入點(diǎn)，研究分析BIM的理論內(nèi)涵與“翻?！爆F(xiàn)象產(chǎn)生的原因，明確道路BIM正向設(shè)計(jì)理念，提出道路BIM正向設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行了相關(guān)的模型應(yīng)用. 在以下方面取得了一定的突破：

1)明確了道路BIM正向設(shè)計(jì)理念. 基于對(duì)BIM的理解，對(duì)“翻?！爆F(xiàn)象及原因進(jìn)行深入分析，認(rèn)為其最大的問題在于設(shè)計(jì)環(huán)境仍處于傳統(tǒng)的二維環(huán)境，并且設(shè)計(jì)與建模分離. 基于此理念對(duì)關(guān)鍵問題進(jìn)行分析，提出核心軟件的解決方法，為實(shí)現(xiàn)BIM正向設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)；

2)提出了道路BIM正向設(shè)計(jì)方法. 基于BIM正向設(shè)計(jì)理念中關(guān)鍵問題的分析，對(duì)不同軟件進(jìn)行比選，搭建以Civil 3D為核心的軟件平臺(tái)，并研究出了道路BIM正向設(shè)計(jì)的方法，通過部件代碼以及建模原理，將設(shè)計(jì)信息與模型動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，設(shè)計(jì)發(fā)生變化時(shí)，模型也會(huì)自動(dòng)進(jìn)行更新，解決了“翻?！钡谋锥耍?/p>

3)通過軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了一模多用的模型應(yīng)用，證明該方法初步滿足了BIM的關(guān)聯(lián)性、一致性、出圖性、仿真與優(yōu)化性等核心特點(diǎn)，并有利于提高設(shè)計(jì)的質(zhì)量以及整個(gè)項(xiàng)目的生產(chǎn)效率.

道路工程并非只有道路平、縱、橫幾何設(shè)計(jì)，還有橋涵、隧道、交通工程等多方面設(shè)計(jì)，所以還應(yīng)進(jìn)一步對(duì)設(shè)計(jì)的內(nèi)容進(jìn)行擴(kuò)展. 同時(shí)，也應(yīng)立足于項(xiàng)目全生命周期，搭建更為完整的BIM軟件平臺(tái).