BIM技術(shù)在公路工程中的應(yīng)用研究

孫建誠(chéng)， 朱雙晗， 蔣浩鵬

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

如果說(shuō)Auto CAD的應(yīng)用是工程領(lǐng)域的第一次技術(shù)飛躍，那么BIM(Building Information Modeling)技術(shù)無(wú)疑是第二次技術(shù)飛躍。BIM不僅為工程領(lǐng)域帶來(lái)技術(shù)上的革新，還以其共享化、信息化、一體化特點(diǎn)為工程領(lǐng)域提供了不同維度的理念思路。近年來(lái)，中國(guó)國(guó)內(nèi)工程領(lǐng)域?qū)IM技術(shù)越來(lái)越重視，尤其在建筑、土木行業(yè)，BIM技術(shù)不斷參與到工程實(shí)踐中，取得了一定的成果。但公路工程領(lǐng)域?qū)IM技術(shù)的應(yīng)用還處于起步階段，欠缺規(guī)范化的應(yīng)用流程，技術(shù)經(jīng)驗(yàn)較少，BIM優(yōu)勢(shì)還有很大的發(fā)揮空間。

基于此，該文以IFC(工業(yè)基礎(chǔ)類(lèi))標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)則為框架，對(duì)BIM技術(shù)在公路工程中的應(yīng)用技術(shù)路線進(jìn)行梳理和優(yōu)化。以公路BIM設(shè)計(jì)技術(shù)路線為基準(zhǔn)，結(jié)合工程實(shí)例，選用Civil 3D對(duì)公路設(shè)計(jì)階段進(jìn)行過(guò)程實(shí)踐，對(duì)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)的Civil 3D的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行總結(jié)說(shuō)明，以期在符合IFC標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)則的基礎(chǔ)上為BIM技術(shù)在中國(guó)公路設(shè)計(jì)中的發(fā)展提供技術(shù)路線、設(shè)計(jì)理念和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

1 IFC標(biāo)準(zhǔn)

1.1 IFC標(biāo)準(zhǔn)概述

IFC(Industry Foundation Class)標(biāo)準(zhǔn)即工業(yè)基礎(chǔ)類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，最早于1997年由IAI( International Alliance for Interoperability)提出。IFC提供了建筑工程實(shí)施過(guò)程所處理的各種信息描述和定義的規(guī)范，目的在于促成建筑業(yè)中不同軟件數(shù)據(jù)源的有效鏈接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在產(chǎn)品全生命周期各階段的共享和交互。2005年，IFC標(biāo)準(zhǔn)正式通過(guò)了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織的認(rèn)證，各BIM應(yīng)用軟件也基本上完成了對(duì)IFC數(shù)據(jù)格式的支持開(kāi)發(fā)，IFC標(biāo)準(zhǔn)成為了實(shí)質(zhì)上的還在發(fā)展的BIM數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)。IFC運(yùn)作流程圖如圖1所示。

圖1 IFC運(yùn)作流程圖

1.2 IFC標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)

IFC標(biāo)準(zhǔn)將建筑全生命全專(zhuān)業(yè)信息架構(gòu)分為4個(gè)功能層，從下到上依次為資源層、核心層、共享層、領(lǐng)域?qū)樱總€(gè)功能層都是由獨(dú)立的模塊組成，且模塊之間的信息相互獨(dú)立，其功能層結(jié)構(gòu)如圖2所示。IFC標(biāo)準(zhǔn)為模型層級(jí)架構(gòu)之間定義了嚴(yán)格的引用關(guān)系，即一個(gè)類(lèi)型不能引用上一層級(jí)的類(lèi)型，但能引用相同或下層級(jí)的類(lèi)型，此種繼承規(guī)則使IFC標(biāo)準(zhǔn)保持了良好的穩(wěn)定性和信息延續(xù)性。

2 公路BIM應(yīng)用規(guī)范化技術(shù)路線

2.1 公路BIM設(shè)計(jì)技術(shù)路線

BIM以信息的應(yīng)用為根本目的，公路設(shè)計(jì)中對(duì)BIM技術(shù)的應(yīng)用需要在保證信息數(shù)據(jù)順利交流的前提下，將BIM技術(shù)與一般意義上的公路設(shè)計(jì)模式相結(jié)合，并且規(guī)范BIM設(shè)計(jì)流程，使BIM技術(shù)發(fā)揮其最大優(yōu)勢(shì)。因此，基于IFC數(shù)據(jù)傳輸規(guī)則和功能層結(jié)構(gòu)，給出公路BIM設(shè)計(jì)技術(shù)路線，如圖3所示。

圖2 IFC功能層結(jié)構(gòu)圖

圖3 公路BIM設(shè)計(jì)技術(shù)路線

2.2 公路BIM施工及運(yùn)維管養(yǎng)技術(shù)路線

不同于傳統(tǒng)公路項(xiàng)目竣工即完成主要的項(xiàng)目跟進(jìn)，BIM技術(shù)不僅在公路實(shí)際建造前以數(shù)字化方式探索關(guān)鍵物理特征和功能特征，而且作用于公路全生命周期。在公路BIM模型基礎(chǔ)上，BIM技術(shù)應(yīng)用于施工和運(yùn)維管養(yǎng)階段，能夠?qū)崿F(xiàn)指導(dǎo)施工、全面管理、實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能，使得公路項(xiàng)目進(jìn)程趨于智能化。但同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，且工作內(nèi)容繁多。因此，該文結(jié)合BIM技術(shù)功能，以IFC數(shù)據(jù)傳輸規(guī)則為框架，在保證信息順利傳輸?shù)那疤嵯拢?guī)范BIM技術(shù)在公路施工和運(yùn)維管養(yǎng)階段的應(yīng)用，具體技術(shù)路線如圖4所示。

圖4 公路BIM施工及運(yùn)維管養(yǎng)技術(shù)路線

3 基于BIM的公路設(shè)計(jì)實(shí)踐和關(guān)鍵技術(shù)

BIM技術(shù)應(yīng)用于公路項(xiàng)目中，最直觀的體現(xiàn)是各BIM軟件的協(xié)同配合，其中，Civil 3D主要針對(duì)公路設(shè)計(jì)，是Autodesk公司開(kāi)發(fā)的BIM眾多軟件中的一款，于Auto CAD是維度上的飛躍，其在公路三維模型平面、縱斷面、橫斷面等設(shè)計(jì)時(shí)處處體現(xiàn)其聯(lián)動(dòng)性特點(diǎn)，這也是對(duì)BIM理念的直接體現(xiàn)。

BIM技術(shù)應(yīng)用于公路工程，更重要的是信息的無(wú)差傳輸、共享、管理和應(yīng)用。因此，該文結(jié)合中國(guó)某二級(jí)公路工程項(xiàng)目，以公路BIM設(shè)計(jì)技術(shù)路線為基準(zhǔn)，在保證信息順利傳輸和設(shè)計(jì)流程規(guī)范的前提下，選用Civil 3D對(duì)公路設(shè)計(jì)階段進(jìn)行過(guò)程實(shí)踐，對(duì)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)的Civil 3D的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行總結(jié)說(shuō)明。

3.1 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目為西北某丘陵區(qū)二級(jí)公路建設(shè)工程，設(shè)計(jì)速度60 km/h，路線設(shè)計(jì)為雙向四車(chē)道。該文截取其中部分路段作為試驗(yàn)段進(jìn)行建模說(shuō)明，采用參數(shù)化項(xiàng)目管理模式，對(duì)數(shù)據(jù)文件格式和模型數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)化管理。

3.2 Civil 3D公路設(shè)計(jì)實(shí)踐和關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 三維地形模型創(chuàng)建

Civil 3D地形模型的創(chuàng)建不僅可以通過(guò)點(diǎn)文件，還可以通過(guò)電子地形圖創(chuàng)建。在Civil 3D中打開(kāi)電子地形圖，任選一條等高線，由屬性窗口顯示具有標(biāo)高數(shù)字，此種情況下才可以認(rèn)為電子地形圖是有效的。特別地，Civil 3D可以在已生成的三維地形模型中顯示匯水區(qū)域和水流方向，幫助涵洞等排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3.2.2 平面設(shè)計(jì)

Civil 3D可采用多種方式創(chuàng)建路線。

(1) 由對(duì)象創(chuàng)建道路。在繪制多段線基礎(chǔ)上，使用由對(duì)象創(chuàng)建道路命令，在路線命名的同時(shí)完成對(duì)平曲線半徑的設(shè)置。Civil 3D沿用了Auto CAD的功能以及部分操作指令，比如夾點(diǎn)功能，具有平移、刪除功能，調(diào)試方便。這是Civil 3D在平面線形設(shè)計(jì)時(shí)的一個(gè)便捷的功能。

特別地，由對(duì)象創(chuàng)建道路并非一定要基于連續(xù)的多段線，非連續(xù)的線段在全選的基礎(chǔ)上，也同樣可以生成連續(xù)的道路中心線，拖動(dòng)夾點(diǎn)可調(diào)整樁號(hào)連續(xù)。

(2) 交點(diǎn)法創(chuàng)建道路。此方法直接使用路線創(chuàng)建工具，整個(gè)平面線形的設(shè)計(jì)可全部使用路線布局工具條完成，不需要再關(guān)注其他工具和命令，簡(jiǎn)單快捷，是Civil 3D的一大特色功能。創(chuàng)建路線中心線時(shí)，同時(shí)可對(duì)前后緩和曲線、圓曲線參數(shù)詳細(xì)設(shè)置，路線繪制過(guò)程中，緩和曲線和圓曲線部分便隨之生成。

特別地，路線布局工具條插入交點(diǎn)和刪除交點(diǎn)命令可實(shí)現(xiàn)道路中心線交點(diǎn)數(shù)目的快速修改。子圖元編輯器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)沒(méi)有夾點(diǎn)部分的精確修改，包括圓曲線半徑、前后緩和曲線長(zhǎng)度、A值等參數(shù)數(shù)值的修改。回車(chē)鍵后整個(gè)平面線形模型就會(huì)隨之重新生成。

(3) 基于圖元思想創(chuàng)建道路中心線。Civil 3D的圖元可分為固定圖元、浮動(dòng)圖元和自由圖元。鑒于此三類(lèi)圖元對(duì)別類(lèi)圖元的依賴(lài)程度依次遞增的屬性，路線創(chuàng)建時(shí)需要首先創(chuàng)建固定圖元，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行浮動(dòng)圖元和自由圖元的創(chuàng)建。各圖元的參數(shù)設(shè)定在布局參數(shù)對(duì)話框中進(jìn)行設(shè)置和修改。

特別地，當(dāng)固定圖元之上有依托于它存在的浮動(dòng)圖元或自由圖元時(shí)，刪除順序則從自由圖元開(kāi)始，否則不能刪除固定圖元。圖元思想尤其適合于卵形曲線、復(fù)合曲線等復(fù)雜路線的創(chuàng)建。

(4) Civil 3D可以同時(shí)進(jìn)行多條路線設(shè)計(jì)，所以在進(jìn)行路線標(biāo)簽設(shè)置和修改時(shí)，要注意路線的選擇，以免出現(xiàn)錯(cuò)誤操作。

3.2.3 縱斷面設(shè)計(jì)

Civil 3D縱斷面設(shè)計(jì)方法與平面設(shè)計(jì)類(lèi)似，不再贅述，僅對(duì)關(guān)鍵技術(shù)操作進(jìn)行說(shuō)明。

(1) Civil 3D具有快速縱斷面功能，其相當(dāng)于縱斷面草圖，能夠幫助設(shè)計(jì)者迅速判斷某位置地形起伏情況，預(yù)估填挖方量。拖動(dòng)路線夾點(diǎn)，路線位置發(fā)生變化，快速縱斷面圖隨之更改，適用于對(duì)道路中心線位置進(jìn)行初次比選。

(2) Civil 3D可實(shí)現(xiàn)縱斷面設(shè)計(jì)線整體移動(dòng)，此功能對(duì)于橋梁、隧道等結(jié)構(gòu)物及舊路改建十分方便。

(3) 為避免混淆，特別指出，在Civil 3D中，縱斷面表示縱斷面設(shè)計(jì)線，縱斷面圖表示圖框，兩者都是路線的子對(duì)象，隸屬于路線對(duì)象，分清圖元隸屬關(guān)系對(duì)于Civil 3D的操作十分重要。

(4) Civil 3D可實(shí)現(xiàn)將縱斷面設(shè)計(jì)線所有數(shù)據(jù)整體調(diào)出，當(dāng)修改表格內(nèi)某一數(shù)據(jù)時(shí)，縱斷面設(shè)計(jì)線會(huì)以綠色三角形圖標(biāo)標(biāo)識(shí)直觀顯示出當(dāng)前被修改圖元，一目了然。

(5) 同一個(gè)縱斷面圖中可進(jìn)行多條路線的縱斷面設(shè)計(jì)，方便路線比選。對(duì)于重疊在一起的縱斷面，可通過(guò)操作常規(guī)工具實(shí)現(xiàn)前置、后置等操作，選擇性地進(jìn)行縱斷面的編輯。

(6) 從曲面創(chuàng)建縱斷面時(shí)，可通過(guò)采樣偏移功能進(jìn)行多位置采樣，例如設(shè)置為(-10，0，10)，即表示同時(shí)生成路中線和左、右偏移10 m處的縱斷面，通過(guò)設(shè)置不同樣式進(jìn)行區(qū)分。采用多個(gè)縱斷面地面線可判斷道路中心線橫坡陡緩程度。

3.2.4 裝配設(shè)計(jì)(橫斷面設(shè)計(jì))

在Civil 3D中，裝配這個(gè)概念，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)橫斷面，橫斷面的設(shè)計(jì)是由創(chuàng)建裝配選項(xiàng)入手的。以下是對(duì)裝配設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)操作說(shuō)明。

(1) Civil 3D提供了一系列裝配模型，包括行車(chē)道、路肩、邊溝等，在進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常只需調(diào)用即可，是Civil 3D的一大特色設(shè)計(jì)。

(2) Civil 3D專(zhuān)門(mén)設(shè)有視距等選項(xiàng)，可直觀地對(duì)視距進(jìn)行分析。

3.2.5 公路三維模型創(chuàng)建

公路三維模型的創(chuàng)建需要基于同一條公路中心線的平面、縱斷面和裝配設(shè)計(jì)，所以在選擇時(shí)需要尤其注意，否則將會(huì)出現(xiàn)公路模型不能生成的情況發(fā)生。關(guān)鍵技術(shù)操作如下：

(1) Civil 3D道路特性功能可對(duì)公路三維模型線形的曲線和直線部分分別設(shè)置步長(zhǎng)，此功能可實(shí)現(xiàn)類(lèi)似于回頭曲線等平曲線半徑比較小的曲線的加密，優(yōu)化道路三維模型視覺(jué)效果。

(2) 對(duì)于已生成的公路三維模型，可將公路曲面單獨(dú)提取出來(lái)，使其不再依賴(lài)于公路三維模型，方便單獨(dú)對(duì)曲面進(jìn)行編輯和參數(shù)修改。例如，在公路三維曲面剝離的基礎(chǔ)上，可通過(guò)參數(shù)編輯器對(duì)任意樁號(hào)處的公路橫斷面樣式分別查看，幫助設(shè)計(jì)人員對(duì)公路設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性進(jìn)行快速?zèng)Q策。

3.2.6 深化設(shè)計(jì)

(1) 關(guān)于邏輯目標(biāo)概念。Civil 3D進(jìn)行道路設(shè)計(jì)，它不僅僅是通過(guò)常規(guī)操作完成道路三維模型的設(shè)計(jì)，其反映BIM理念之處更在于其對(duì)曲線、構(gòu)件的代碼設(shè)置，在邏輯從屬關(guān)系下，實(shí)現(xiàn)對(duì)曲線、構(gòu)件的快速、重復(fù)調(diào)用和單獨(dú)設(shè)計(jì)，極大地提高道路模型設(shè)計(jì)的效率。

邏輯目標(biāo)概念大大拓展了Civil 3D道路模型的創(chuàng)建，靈活地應(yīng)用道路邏輯目標(biāo)可以創(chuàng)建復(fù)雜的道路模型，尤其是非常規(guī)的道路設(shè)計(jì)。例如在已生成的道路模型基礎(chǔ)上，通過(guò)道路特性選項(xiàng)板修改車(chē)道寬對(duì)應(yīng)的邏輯目標(biāo)，即可實(shí)現(xiàn)道路模型行車(chē)道寬度隨邏輯目標(biāo)而變化，此時(shí)的邏輯目標(biāo)可以是一條參數(shù)設(shè)定復(fù)雜的道路中心線偏移線，即實(shí)現(xiàn)了行車(chē)道寬度由固定值向復(fù)雜變值的轉(zhuǎn)變，可幫助設(shè)計(jì)者完成復(fù)雜道路模型的設(shè)計(jì)工作。

(2) 以Civil 3D設(shè)計(jì)的公路三維模型可與同為Autodesk公司開(kāi)發(fā)的一系列BIM軟件實(shí)現(xiàn)無(wú)差別數(shù)據(jù)交換，例如，將公路三維模型導(dǎo)入Navisworks進(jìn)行施工模擬，對(duì)施工圖設(shè)計(jì)和模型優(yōu)化大有裨益。

(3) 對(duì)于土石方等工程量計(jì)算，公路三維模型具有的橫斷面數(shù)量要多于傳統(tǒng)模式，更貼合實(shí)際工程，因此計(jì)算精度會(huì)更高，且經(jīng)實(shí)地驗(yàn)證更具準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

(1) 以IFC標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)則為框架，提出了規(guī)范化的公路BIM設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維管養(yǎng)技術(shù)路線，為公路BIM設(shè)計(jì)和應(yīng)用實(shí)踐提供了理論依據(jù)和基礎(chǔ)，可以提高公路項(xiàng)目進(jìn)程的規(guī)范性和高效性。

(2) Civil 3D作為公路BIM設(shè)計(jì)的一款重要軟件，以其應(yīng)用于公路設(shè)計(jì)實(shí)踐為線索，在實(shí)踐過(guò)程中發(fā)現(xiàn)Civil 3D的夾點(diǎn)操作、快速縱斷面、同時(shí)可視化基礎(chǔ)上多條路線設(shè)計(jì)對(duì)比、采樣偏移、裝配調(diào)用、公路三維模型曲面剝離應(yīng)用、匯水、視距、深化設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，證明Civil 3D應(yīng)用于公路項(xiàng)目建設(shè)具有極大的優(yōu)勢(shì)，可提高工作效率，變革工作形式，規(guī)避工程失誤，由此提高經(jīng)濟(jì)效益，節(jié)約資源。

(3) 由應(yīng)用實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，Civil 3D不僅是技術(shù)上的革新和高效，基于圖元思想和邏輯目標(biāo)概念的軟件功能更體現(xiàn)出BIM理念，能夠促進(jìn)從業(yè)人員工作思路的轉(zhuǎn)變和對(duì)BIM理念的理解和應(yīng)用。

(4) 實(shí)踐證明在公路項(xiàng)目中應(yīng)用BIM技術(shù)可更快捷高效，但以Civil 3D為主的BIM公路應(yīng)用軟件各有側(cè)重，不同軟件公司開(kāi)發(fā)軟件的數(shù)據(jù)無(wú)差別交互還尚未實(shí)現(xiàn)，與中國(guó)公路項(xiàng)目實(shí)際情況完全貼合的軟件功能二次開(kāi)發(fā)還有待研究和探索。