BIM技術在一級公路工程協同設計中的應用

曹峰杰,蔡健

(中交第二航務工程勘察設計院有限公司,湖北 武漢 430071)

建筑信息模型(BIM)技術作為“十三五”期間交通新技術發展的重要內容,具有可視化、模擬性、協調性、優化性等特點。在公路工程設計中應用BIM技術,通過三維數字化技術模擬工程項目所具有的真實信息及數字地面信息,各專業及各參建方協同作業,可大大降低工程生產成本,提高工作效率及資源利用率,保障工程按時按質完成。該文以G319瑞金至興國段公路改線工程一期為工程背景,利用BIM技術對其進行參數化協同設計,并與傳統公路設計進行對比,分析其優勢。

1 傳統公路設計模式

傳統公路設計模式(見圖1)涉及多專業協同設計,每個專業又相互獨立,各專業間主要通過緊密聯系、多方溝通、互提中間資料等保證公路設計的合理性及準確性,減少返工量。但各專業間的溝通很難做到及時、準確,易造成各專業間設計沖突,產生不同程度的設計返工,嚴重影響設計效率。

圖1 傳統公路設計流程

2 BIM技術

以G319瑞金至興國段公路改線工程為例,采用Civil 3D等BIM應用軟件進行公路協同設計和參數化設計,解決傳統設計模式協同關聯性差、可視化程度低等缺陷,提高公路設計的協同性、參數化及可視化程度,避免專業間設計沖突,減少設計返工。同時利用Infraworks搭建公路協同設計平臺,對設計成果進行實景展示及分析,并對平交口進行交通組織設計,三維直觀展示平交口車流交通分布,提高平交口設計效率。

公路BIM參數化建模過程主要包含數字地面模型建立、路線平面繪制、縱斷面繪制、道路橫斷面裝配、橋隧參數化、交通安全設施等,其流程見圖2。

圖2 公路BIM可視化建模流程

3 公路BIM三維參數化設計過程

3.1 建模軟件選擇

該項目設計中采用Autodesk平臺系列軟件,主要包含Civil 3D(集項目地形曲面、工程模型、構筑物信息于一體的路線三維設計軟件)、Revit(構造物三維參數化建模軟件)、AutoCAD Civil 3D部件編輯器(復雜邊坡、斷面參數化設計)、Infraworks(大場景方案展示及總體裝配軟件)等。

3.2 地形曲面創建

傳統的地形圖文件是由點、線構成的簡單二維圖形(見圖3),很難直觀展示工程區域的地勢起伏變化。利用前期的項目航測地形圖,通過Civil 3D軟件創建地形曲面,并提取航測地形圖中具有高程信息的等高線、高程點等圖元,快速生成三維數字地面模型(見圖4)。模型中任意點均具有空間三維信息,公路相關專業在三維地形曲面中展開設計,效率更高,道路模型更直觀。

圖3 傳統二維地形圖

圖4 三維地面模型

3.3 平縱面設計

傳統公路設計模式中,路線平面和縱斷面分別設計,由于公路工程受地形、控制點等影響大,設計范圍呈帶狀分布,方案調整頻繁,平面或縱面若一方變動,需手動對另一方進行同位修改,存在手動工作量大、易遺漏、協同差等問題。利用Civil 3D軟件中路線及縱斷面創建工具對公路平面線形及縱斷面高程進行參數化設計,能快速進行平面布線及縱斷拉坡。同時利用BIM技術的協同性將公路平面和縱斷面關聯起來,可保證后續設計中公路平縱面信息同步更新,相比于傳統方式的修改,其效率更高(見圖5、圖6)。

圖5 基于Civil 3D的公路路線平面設計

圖6 基于Civil 3D的公路縱斷面設計示意圖

3.4 橫斷面設計

所選試驗段地勢較平緩,主要利用Civil 3D軟件中裝配命令進行參數化橫斷面設計,對路面尺寸、結構、橫坡度、超高、加寬、路肩、路緣石、護欄、邊坡、邊溝等參數進行自定義參數化設計,形成公路工程標準橫斷面裝配圖(見圖7)。對于地勢復雜路段的多級邊坡、隧道等復雜裝配部件,利用AutoCAD Civil 3D部件編輯器進行參數化設計(見圖8)。采用Civil 3D軟件進行橫斷面設計,能實現自動批量完成橫斷面工程量統計,快速出圖、出表。

3.5 三維道路模型整合

傳統公路設計僅能展示二維平面成果,很難展示道路三維模型,通過BIM技術的三維模型可清晰地展示道路的填挖情況。利用Civil 3D軟件創建道路,將道路平面、縱面及橫斷面裝配動態鏈接,并關聯數字曲面模型,生成結合平、縱、橫信息的道路模型(見圖9)。與傳統二維設計相比,通過BIM模型可實現公路平、縱、橫的有機結合,展示路線的填挖情況,及時對設計不合理區段及填挖方可優化區段的平、縱進行反復調整,重新生成道路模型,從而獲得較優的路線設計方案(見圖10)。

圖7 公路橫斷面裝配圖

圖8 參數化橫斷面設計

圖9 公路平、縱、橫整體模型

圖10 三維道路可視化模型

3.6 搭建公路BIM協同設計平臺

利用Infraworks搭建公路BIM協同設計平臺,道路、橋梁、隧道、交通安全、景觀、電氣等各專業設計人員均可在該平臺協同設計,高效地進行信息交流,并進行設計碰撞檢查,及時發現設計沖突；將設計方案、地理位置直觀地展示給項目各參建方,同時對設計過程進行動態實時追蹤,及時進行問題交流并提出解決方案。借助公路BIM協同設計平臺,可極大地減少各專業間協調不到位導致的問題,避免不必要的重復工作,使設計變更減少30%。圖11為項目分離式路段BIM模型,圖12為平交口交通組織設計BIM模型。

圖11 分離式路段BIM模型

圖12 G319與G238平交口模型

4 BIM設計優勢分析

如圖13所示,采用BIM技術進行公路設計,各專業協同性達到95%,相比傳統設計模式有大幅度提升,解決了傳統設計模式中各專業間協同性差的缺陷；模型參數化得到顯著提升,項目可視化程度達到98%。

圖13 傳統公路設計方式與BIM方式對比

另外,利用BIM技術的動態關聯特性,減少了設計返工,顯著提高了設計效率及精度,節省了設計時間和成本。

5 結語

(1)通過Civil 3D軟件對公路平面、縱斷面、橫斷面等進行動態數據聯結,可實現公路工程協同設計和參數化設計,解決傳統設計模式中協同性差的缺陷,避免大量返工及重復工作,節約工程設計時間和成本。

(2)BIM應用軟件自帶的道路標準裝配與各項目橫斷面形式存在出入,設計中可對自帶標準裝配參數進行自定義或利用部件編輯器自定義標準橫斷面樣式,以便后續相似斷面項目使用,提升BIM設計效率。

(3)利用Infraworks搭建BIM協同設計平臺,直觀地將Civil 3D創建的三維模型展示在實景谷歌地圖中,設計人員協同設計,可及時發現并解決設計沖突,準確、完善地表達設計意圖,給項目參建方帶來項目完工后視覺上的先前體驗。

(4)與傳統公路設計模式相比,基于BIM技術的公路設計可顯著提高各專業間的協同性及成果可視化程度,設計更快速、合理、高效。