BIM在公路設計中的應用研究

吳欣剛，黃立虎

(1.江西省現代路橋集團，江西 上饒 334000；2.江西省公路工程監理有限公司，江西 南昌 330002)

0 引 言

BIM技術即建筑信息化模型的簡稱，是一種新興工程化數字方式，應用于建設工程的整個周期，對建筑模型進行虛擬，將其物理特性與功能等用數字化方式進行表達，并依此完成建筑設計、施工組織、運營全部過程。BIM技術能夠建筑工程項目建設全過程的不同階段工程信息與資源，集成于一個信息化模型中，以便工程各參與方能夠在項目監管中使用同一模型進行信息傳遞與共享，進而確保工程的整體施工效益，降低公路在后續施工中的成本，提高整體建設管理水平。BIM技術在我國應用發展較晚，應用于公路設計行業更是起步階段，因此加強對BIM在公路設計行業的應用研究是十分重要的。

1 公路BIM模型設計技術路線

1.1 建立公路構件結構樹

公路構建的結構設計應當以結構樹方式進行，其屬于保障整個公路BIM模型的有效途徑，其不僅可以實現借助BIM的模型輕量化設計，還可以通過模型的建設實現對項目中不同項目、不同過程的精確化尋找，同時應用信息化方式進行管理。借助細化對象的分類形式，可以按照結構樹當中的構建實現相應的分析。結構樹主要可以劃分為四個層次，第一個層次是以地形地貌為主，第二個層次則是以施工過程中的縫隙為界限對功能組合體進行細化，第三個層次是按照工程量統計的要求，構建功能組合體，第四層次是為了利于建模將構件細化至單元，并完成結構樹建立。

1.2 公路BIM設計技術路線

采用BIM技術進行支持，可以在設計過程中完成三維的公路信息模型的建設以及三維公路信息模型的應用。構建完善的三維公路信息模型可以通過BIM技術實現公路設計，通過公路建設期間的多線點同時需要落實地形數據的精準性與全面性分析。對此，BIM軟件的應用過程中，需要先采用直尺不同格式的測量數據，例如可以借助GPS數據與航空攝影數據的結合方式進行處理，依據這些數據創建地面模型(DTM)，此外，BIM軟件的應用還可以實現對地面模型的分析，例如高程分析與匯水分析，可以以不同的形式展現三維的模型。當前，實景建模技術的應用已經可以有效應用于三維地面模型的生長分析方面，它能夠生成地面物體的幾何特征、物體側面輪廓以及詳細的紋理信息等，最大程度的還原真實世界。

BIM模型建立的一個關鍵便是參數化設計，分為參數化構件與參數化修改。因為BIM技術的模型支持，可以以面對對象的設計方式進行構建，例如可以通過國參數實現對象的反應，參數化的修改涉及到對象之間的結構約束和尺寸約束等方面。結構約束主要是指結合元素的關聯性，尺寸的約束則是借助尺寸的約束，一般是以對尺寸變量的定義控制或者是以尺寸數值、邏輯關系的方式進行展現。在公路建設項目的設計期間，對于不同的設計元素、構建之間都存在約束，例如幾何、邏輯等方面的約束。在公路建設項目的設計期間，這一些約束都可以通過三維模型進行展現，這也是三維模型相對于二維模型的主要優勢，但在BIM模型中，通過參數化設計，便能夠進行自動化設計，在設計期間可以實現動態化的修改與關聯，例如在公路橫斷面設計期間，可以借助邊坡和路基的約束關系實現比例的控制。在BIM技術應用過程中，信息屬于最為核心的內容，其主要涉及到幾何與非幾何信息，其中非幾何的信息主要是以材料和成本為主。在設計期間以及項目建設期間都可以圍繞著信息進行分析，BIM軟件在構建三維模型方面，可以實現對信息的集成化管理。以路徑的施工設計為例，在路基設計階段，模型主要涉及到地基處理、填料以及邊坡的坡率計算等方面，這一些都是三維公路信息模型的重要構成因素。在公路設計期間，BIM技術的應用主要涉及到工程量的統計、可視化的展現以及施工圖紙的設計、施工內容的報表等。

2 建立參數化公路BIM模型

2.1 軟件平臺的選擇

BIM技術在公路設計當中的應用不僅在于設計方案，同時還可以應用在工程信息的模擬分析方面，以便于后續工程施工、管理等方面的應用。在BIM公路設計中，一款軟件是不能滿足所有要求的，因此需要多款軟件協同應用，這些軟件能夠支持模型與信息在其中進行無縫交換。通過對國內外的軟件分析，認為Bentley公司的軟件屬于項目的核心技術支持，其中主要涉及到PowerCivil For China、MicroStation、ProjectWise，其中PowerCivil For China屬于對平縱橫等公路進行整體設計的方式，而MicroStation則是公路中不同構建的三維模型，ProjectWise屬于項目協作和信息化管理的主要途徑，可有效應用在公路建設項目的信息數據處理與管理方面。

2.2 項目概況

選取我國西北地區某二級公路作為建設工程項目，根據公路的交通量，將線路設計為60 km/h的二級公路，雙向雙車道。筆者選取了該項目的部分路段，路線總長3 520 m。

2.3 地質模型

筆者依據二維地形圖，將其生成三維的三角網模型，然后對三角網中的出差點進行修正和補充完整，最終生成了三維數字地面模型。之后就圍繞三維地面模型進行道路要素的設計，使得設計更加高效率與立體化。

2.4 主體模型

(1)平縱曲線設計

筆者先根據原二維公路設計文件，將其中的平面線提取出來，利用powercivil軟件進行平曲線設計，這是在三維地面模型中完成參數化建模的第一步工作。然后在縱斷面設計中，視圖中主要顯示地面線與設計線這兩條線。三維數字地面模型中的地面線，能夠精確反映出地面的高低起伏變化。通過精準繪圖功能，根據從二維公路設計圖提取的豎曲線進行設計，最后對平曲線與縱曲面進行擬合，形成完整的空間曲線。在這個幾何布置過程中，利用設計標準工具進行檢驗，確保了本模型中復雜圖元的適用性。

(2)參數化橫斷面設計

利用PowerCivil軟件可以實現對橫斷面的設計，在設計期間可以對路面的尺寸、結構以及護欄、邊坡、擋土墻等不同的結構和要素進行整合，并對所有的構建和要素實現參數化的設計，在構建方面可以對材料的性能與名稱進行定義，將各種構件與要素都進行了整合，對所有構建和相關的要素進行設計。在橫斷面設計期間，可以通過不同點構成一個構建，不同構建也可以存在多個約束點，不同的點位可以自定義的方式進行設置，并以不同的參數進行關系計算。在參數橫斷面設計期間，橫斷面圓點和路面中線點中，可以通過“父約束”的方式完成參數關系的分析，橫斷面當中不同構建都有具體的材料性能與名稱。在參數橫斷面模板設計完成之后，按照路面的地形底膜啊以及交通環境等因素，可以實現最終BIM模型的建設。

3 BIM模型在設計階段的具體應用

3.1 信息管理與二維出圖

本項目在模型構建過程中對各構件與元素的信息進行了附加，以便后期能夠精確查詢到模型信息。例如，根據公路點多線長的特點，可設置樁號，根據樁號可查看橫斷面屬性，從而實現菜單式的信息管理，同時可以通過多視圖動態聯動同時顯示出不同屬性信息。BIM的重要價值之一便是能夠快速繪制施工圖紙，由于施工圖紙與模型之間具有動態關聯性，因此對模型進行修改后，施工圖紙也能得到及時更新，并得到二維圖紙。本項目利用軟件定制出了平縱橫等施工圖模板，在模板基礎上形成施工圖，能準確反映工程信息。

3.2 工程量統計

三維地面模型建立完成后，按照樁號5 m為間隔自動進行填挖方、構件數量等統計報表的生成，報表格式輸出可為不同文件類型(PDF/DOC/XLS)，從而提高設計的效率與質量。在計算填挖方土量時，分別應用BIM軟件和傳統的計算方法進行計算，計算結果如表1。從表中可看出，兩種計算結果相差較大，傳統方法算出的結果粗略，而BIM軟件算出的結果更加準確。

表1 土方量報

4 結 語

根據對我國西北地區某二級公路利用BIM進行設計，利用Bentley 系列軟件完成公路設計，對公路平面、縱斷面、橫斷面等都建立了信息模型，公路BIM主體模型建立表明BIM應用于公路設計的可行性，而基于BIM技術的信息管理與二維出圖以及工程量統計等都提高公路設計的效率與質量。盡管該工程實例具有一定局限性，BIM在公路設計也處于初步應用階段，但總的來說，將BIM應用于公路設計具有重要的意義，如提高設計效率，降低工程成本，提高管理水平。