孫建誠，李永鑫，王新單

(河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津 300400)

BIM技術(shù)在公路設(shè)計中的應(yīng)用

孫建誠，李永鑫，王新單

(河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津 300400)

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

道路工程；BIM；公路設(shè)計；信息化；技術(shù)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(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。BIM在建設(shè)工程行業(yè)中的應(yīng)用服務(wù)于建設(shè)項目的設(shè)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(zhì)量、節(jié)約成本、縮短工期等方面具有顯著的優(yōu)勢。BIM技術(shù)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(shù)在公路工程行業(yè)的應(yīng)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(xué)建筑與計算機學(xué)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(shè)項目在整個生命周期內(nèi)的幾何特性、構(gòu)件要求與構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)，筆者將公路工程BIM定義為：利用三維信息化技術(shù)，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(jù)，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(shù)為基礎(chǔ)，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(shè)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(chǎn)力，BIM的本質(zhì)即利用信息化技術(shù)提高整個建筑行業(yè)的生產(chǎn)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(shè)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(wǎng)絡(luò)體系。

1.2.3 協(xié)同化

協(xié)同化是BIM技術(shù)變革整個工程建設(shè)行業(yè)的重要途徑。BIM技術(shù)可以改善以往工程建設(shè)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(shù)字信息模型將各方協(xié)同到一個平臺，提高設(shè)計質(zhì)量[2-3]。

2 公路BIM模型設(shè)計技術(shù)路線

2.1 公路構(gòu)件結(jié)構(gòu)樹的建立

系統(tǒng)的公路構(gòu)件結(jié)構(gòu)樹，是建造整體BIM模型的基礎(chǔ)任務(wù)。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(shè)項目全生命周期構(gòu)件及相關(guān)信息的精確查找，方便信息管理和利用。

面向?qū)ο蟮姆诸愂墙Y(jié)構(gòu)樹建立的主要方法，按照功能對構(gòu)件進行拆分是結(jié)構(gòu)樹建立的主要原則。筆者將公路構(gòu)件結(jié)構(gòu)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(zhì)、地貌、里程等特征點分段；第2層依據(jù)施工縫為界的功能組合體細(xì)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(gòu)建；第4層根據(jù)方便建模的要求將構(gòu)件細(xì)化至單元并完成構(gòu)建樹的建立,如圖1。

圖1 公路構(gòu)件結(jié)構(gòu)樹模型Fig. 1 Structure tree model of road component

2.2 公路BIM設(shè)計技術(shù)路線

在BIM環(huán)境下，設(shè)計階段主要包括兩方面的任務(wù)：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(yīng)用。

建立三維地面模型是開展公路BIM設(shè)計的首項工作。公路工程建設(shè)具有點多線長的特點[4]，因此其對地形數(shù)據(jù)的要求較高。BIM軟件首先應(yīng)該支持多種格式的測量數(shù)據(jù)(如常規(guī)外業(yè)測量數(shù)據(jù)、GPS RTK測量數(shù)據(jù)、航空攝影數(shù)據(jù)、激光掃描、衛(wèi)星遙感等空間信息數(shù)據(jù))創(chuàng)建數(shù)字地面模型(DTM)。其次，BIM軟件應(yīng)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(shù)是最具前景的三維地面模型生成技術(shù)，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(cè)面詳細(xì)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(shù)Fig. 2 Real three-dimensional modeling techniques

參數(shù)化設(shè)計是BIM模型建立的關(guān)鍵，一般可理解為參數(shù)化構(gòu)件和參數(shù)化修改。無論是工程整體BIM模型還是構(gòu)件模型都采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法，對象通過參數(shù)所代表的信息反映。參數(shù)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(jié)構(gòu)約束和尺寸約束。結(jié)構(gòu)約束是指幾何元素之間的拓?fù)浼s束關(guān)系，如平行、垂直、相切、對稱等；尺寸約束則是通過尺寸標(biāo)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(guān)系，通過定義尺寸變量及它們之間在數(shù)值上和邏輯上的關(guān)系來表示[6]。公路工程項目設(shè)計中，構(gòu)件以及構(gòu)件之間、設(shè)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(shè)計中是無法體現(xiàn)的，而在BIM模型中定義參數(shù)化關(guān)系，即可實現(xiàn)自動化設(shè)計，又可實現(xiàn)設(shè)計中的動態(tài)關(guān)聯(lián)和動態(tài)修改。例如，公路橫斷面設(shè)計中可以通過定義邊坡與路基的不同約束關(guān)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(shè)計過程以及延至全生命周期其都是圍繞信息來運轉(zhuǎn)。BIM軟件應(yīng)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(shè)計階段模型應(yīng)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(yīng)用是模型建立的最終目的。在設(shè)計階段，BIM的應(yīng)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(shè)計整體技術(shù)路線如圖3。

圖3 BIM設(shè)計技術(shù)路線Fig. 3 BIM design technology roadmap

3 參數(shù)化公路BIM模型的建立

3.1 軟件平臺的選擇

BIM時代公路設(shè)計師在設(shè)計階段不再是單純的提供設(shè)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(nèi)外軟件的綜合分析，選擇Bentley公司系列軟件作為核心的技術(shù)支持[8]。

1)PowerCivil For China：公路工程的核心建模軟件，負(fù)責(zé)在三維環(huán)境下的平縱橫等公路主體設(shè)計。

2)MicroStation：產(chǎn)品設(shè)計平臺，作為公路主要構(gòu)造物的三維模型生產(chǎn)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(shù)據(jù)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(shè)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(jīng)濟發(fā)展有重要作用。依據(jù)交通量將路線設(shè)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(shù)化模型項目管理模式，對項目文件樣式、土木模型數(shù)據(jù)進行參數(shù)化的管理，實現(xiàn)自定義設(shè)置和實時的動態(tài)關(guān)聯(lián)。同時，軟件支持我國公路工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)并可對特殊路段進行單獨設(shè)置，提高了設(shè)計過程的科學(xué)性。如圖4。

圖4 參數(shù)化模型項目管理及標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計Fig. 4 Project management and standardized design of parametric model

3.3 地質(zhì)模型

筆者首先將二維的地形圖生成三維的三角網(wǎng)模型，然后修正和補全三角網(wǎng)中的出差點，最終生成數(shù)字地面模型。道路要素的設(shè)計圍繞DTM格式的三維地面模型展開，使設(shè)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(shè)計

筆者首先從原公路設(shè)計文件(二維DWG格式)中提取平曲線，通過powercivil軟件在三維數(shù)字地面模型中完成參數(shù)化建模的基礎(chǔ)——平曲線設(shè)計(見圖6)。在縱斷面設(shè)計中，視圖主要反映兩條線：一是地面線；二是設(shè)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(shè)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(shè)計標(biāo)準(zhǔn)工具檢查了復(fù)雜圖元的適用性。

圖6 平曲線設(shè)計Fig. 6 The plane curve design

圖7 縱斷面設(shè)計Fig. 7 The profile design

3.4.2 參數(shù)化橫斷面設(shè)計

PowerCivil的橫斷面設(shè)計整合了路面結(jié)構(gòu)、尺寸、路肩、護欄、路緣石、擋土墻、加寬、超高、邊坡以及排水設(shè)施等構(gòu)件和要素，即實現(xiàn)了全參數(shù)化的設(shè)計，又可對構(gòu)件賦予名稱、材質(zhì)等信息。在橫斷面設(shè)計中，每個構(gòu)件都是由相互約束的點構(gòu)成，構(gòu)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(shè)置參數(shù)化關(guān)系。如圖8為該路段一參數(shù)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(guān)系實現(xiàn)參數(shù)化，同時對該橫斷面的每個構(gòu)件賦予名稱、材質(zhì)信息。完成橫斷面模板設(shè)計后，再根據(jù)不同路段的地形環(huán)境、交通環(huán)境、用地經(jīng)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(shè)置超高和加寬。圖9為該路段整體BIM模型。

圖8 參數(shù)化橫斷面設(shè)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(shè)計階段的具體應(yīng)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(shè)置樁號即可查看橫斷面屬性并進行標(biāo)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(gòu)件數(shù)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(shù)據(jù)文件(PDF/DOC/XLS)，提高了設(shè)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(jié)果如表1。

由表1可知，兩種計算結(jié)果差別較大，傳統(tǒng)計算方法得出的計算結(jié)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(jié)果更為準(zhǔn)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(guān)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(chǔ)上形成的施工圖能夠較為準(zhǔn)確的反映工程信息。

4 結(jié) 語

筆者通過闡述BIM概念和特點，提出了公路工程構(gòu)件結(jié)構(gòu)樹和設(shè)計階段的技術(shù)路線。以某二級公路工程為依托，基于Bentley系列軟件將BIM技術(shù)應(yīng)用于公路設(shè)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(gòu)件結(jié)構(gòu)樹和技術(shù)路線為三維BIM模型的建立提供了理論基礎(chǔ);公路BIM模型的建立證明了公路工程設(shè)計階段采用BIM技術(shù)的可行性，為BIM的推廣提供了一定的實踐經(jīng)驗;基于BIM的二維出圖和工程量統(tǒng)計等應(yīng)用顯著的提高了設(shè)計的效率和質(zhì)量。

由于工程實例的局限性以及BIM軟件的限制，公路設(shè)計技術(shù)路線有待進一步完善，同時BIM在公路行業(yè)設(shè)計階段的應(yīng)用優(yōu)勢并沒有完全體現(xiàn)，如讓施工圖更符合中國設(shè)計習(xí)慣。但總體來說，BIM技術(shù)能夠極大的提高設(shè)計質(zhì)量、設(shè)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(xué)工作。E-mall: 459158808@qq.com。

F540.33

A

1674-0696(2017)11-023-05

(責(zé)任編輯：朱漢容)