BIM技術(shù)在市政道路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

肖愛(ài)民

(中建五局第三建設(shè)有限公司，湖南長(zhǎng)沙410006)

0 引言

自BIM 技術(shù)問(wèn)世以來(lái)，已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用，尤其在基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域，相關(guān)從業(yè)者為應(yīng)對(duì)知識(shí)經(jīng)濟(jì)的挑戰(zhàn)，提高行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，正快速向BIM 領(lǐng)域轉(zhuǎn)型。隨著信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展以及建筑領(lǐng)域中BIM技術(shù)的成熟，在市政道路領(lǐng)域，傳統(tǒng)的CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）技術(shù)將在不久的將來(lái)被信息智能BIM 技術(shù)所取代，建筑信息模型相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用也越來(lái)越多，以期解決在道路設(shè)計(jì)過(guò)程中獲取數(shù)字化、自動(dòng)化信息等相關(guān)問(wèn)題[1]。這是目前基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域中被廣泛討論的熱點(diǎn)話題之一，也被認(rèn)為是推動(dòng)整個(gè)土木工程領(lǐng)域數(shù)字化發(fā)展的重要推動(dòng)因素之一[2]。

1 BIM 的起源及概念

1.1 BIM 的起源

BIM 是英文Building Information Modeling 的縮寫(xiě)，在建筑中直譯為建筑信息模型。該概念起源于30年前，由美國(guó)Georgia wave-tech College 的教授Chuck Eastman 提出。通過(guò)一段時(shí)間的信息技術(shù)發(fā)展，1982年，圖形公司開(kāi)發(fā)了基于BIM 概念的ArchiCAD 軟件，但當(dāng)時(shí)BIM 并非現(xiàn)在的BIM，而被稱(chēng)為“虛擬建筑”。1984年，圖形化軟件引入了虛擬建筑模型的技術(shù)概念，用于ArchiCAD 軟件的架構(gòu)設(shè)計(jì)。但由于技術(shù)的限制，當(dāng)時(shí)BIM 技術(shù)并沒(méi)有得到廣泛的推廣，3D 技術(shù)也沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用，在土木工程領(lǐng)域的表現(xiàn)并不突出。直至近年來(lái)信息技術(shù)壁壘的打破，以及計(jì)算機(jī)硬件、軟件功能的提升，BIM 技術(shù)才真正開(kāi)始引起人們的注意，并于2002年正式推出，相關(guān)功能也在近年來(lái)得到大幅度提升。由此，BIM 技術(shù)才得以實(shí)現(xiàn)它的真正價(jià)值。

1.2 BIM 的概念

BIM 是在三維數(shù)據(jù)模型中收集不同類(lèi)型的工作部門(mén)之間的項(xiàng)目信息。在整個(gè)項(xiàng)目的生命周期中，BIM不僅僅是作為一個(gè)項(xiàng)目的三維體現(xiàn)，更能夠?qū)崿F(xiàn)項(xiàng)目的數(shù)字化呈現(xiàn)，提高項(xiàng)目的設(shè)計(jì)效率，并可在項(xiàng)目進(jìn)行的任何階段對(duì)設(shè)計(jì)方案以及設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)進(jìn)行調(diào)整，以保持設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)過(guò)程的完美結(jié)合。

2 道路設(shè)計(jì)中應(yīng)用BIM 技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

如在道路設(shè)計(jì)中，以建筑信息模型構(gòu)建的材料代表的不僅是虛擬物品，還能切實(shí)反應(yīng)道路構(gòu)建真實(shí)狀態(tài)的三維數(shù)據(jù)屬性，除視覺(jué)構(gòu)建之外，它還可以是道路設(shè)計(jì)中的線型、道路瀝青的材料性能、道路路基的寬度等重要因素。在設(shè)計(jì)之初，通過(guò)BIM 技術(shù)還能夠?qū)⒌匦蔚孛布霸O(shè)計(jì)單元等重要參數(shù)快速呈現(xiàn)給設(shè)計(jì)人員。

同時(shí)，BIM 在輸出信息時(shí)，能盡可能反映BIM 的優(yōu)點(diǎn)：如可視化、協(xié)同作業(yè)、高維仿真等。具體表現(xiàn)在BIM 技術(shù)可以輸出各個(gè)不同角度的視圖，如道路的橫縱斷面圖、橫縱斷面剖面視圖等，同時(shí)還可以展現(xiàn)其他數(shù)據(jù)形式。除此之外BIM 最大的特點(diǎn)便是BIM 技術(shù)的高維模擬功能以及信息技術(shù)共享功能，高維模擬能夠使道路設(shè)計(jì)者直觀地了解設(shè)計(jì)中的道路參數(shù)及由設(shè)計(jì)或其他因素引發(fā)的問(wèn)題。信息技術(shù)共享功能為傳統(tǒng)建筑工程領(lǐng)域的各個(gè)專(zhuān)業(yè)提供了良好的技術(shù)合作平臺(tái)。

3 BIM 技術(shù)在道路設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用

3.1 地勘資料的收集

對(duì)比房屋建筑工程領(lǐng)域，道路工程的分布形式不一樣，基本為條狀分布；分布地區(qū)也與房屋建筑工程領(lǐng)域不同，道路工程多穿越區(qū)域河流、房屋建筑等，且路線距離較長(zhǎng)，短則幾公里，長(zhǎng)則上百公里；所處的地理、地質(zhì)環(huán)境也不同，房屋建筑領(lǐng)域工程概況較為單一，多為單一形地質(zhì)，而道路工程由于其跨度較長(zhǎng)，穿越的工程地質(zhì)也更多更復(fù)雜，因此，在進(jìn)行設(shè)計(jì)中，面臨的困難也越多，其建設(shè)活動(dòng)的進(jìn)展也將與該地區(qū)的原始地質(zhì)條件密切相關(guān)。BIM 技術(shù)在這一環(huán)節(jié)中的應(yīng)用，主要是建立一個(gè)區(qū)域地質(zhì)模型，以顯示區(qū)域地形、土層變化等內(nèi)容。這也為后續(xù)發(fā)展的協(xié)作工作提供了參考條件。

所有獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)，如區(qū)域地形、建筑、管道數(shù)據(jù)，將匯總到數(shù)字平臺(tái)上進(jìn)行處理。以地形三維建模為例，利用軟件中的三角剖分網(wǎng)和等高線等有限的條件，可以整理出區(qū)域地形的坡度、相鄰山坡的分布及方向等，得到圖1所示的虛擬圖像。隨后，利用三維平傾斜進(jìn)行細(xì)化，獲得可靠的分析結(jié)果。

圖1 道路所在區(qū)域BIM 三維地質(zhì)虛擬構(gòu)造示意圖

3.2 設(shè)計(jì)方案比選

在進(jìn)行道路工程設(shè)計(jì)時(shí)，以進(jìn)行最優(yōu)化方案選擇，為后續(xù)道路相關(guān)建設(shè)活動(dòng)奠定基礎(chǔ)。而B(niǎo)IM 技術(shù)將充分結(jié)合它的優(yōu)勢(shì)，即道路設(shè)計(jì)過(guò)程中的數(shù)據(jù)可視化展現(xiàn)功能，建立一個(gè)虛擬的信息模型。主要內(nèi)容包括參與設(shè)計(jì)計(jì)劃、地理位置條件、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等。在程序選擇過(guò)程中，它將調(diào)整其他開(kāi)發(fā)因素來(lái)仿真過(guò)程中的視覺(jué)內(nèi)容，并根據(jù)仿真結(jié)果評(píng)估程序的可行性，進(jìn)而進(jìn)行最佳線路擇選。

3.3 設(shè)計(jì)建模

在進(jìn)行設(shè)計(jì)建模時(shí)，首先進(jìn)行數(shù)字建模。根據(jù)收集的地質(zhì)資料，進(jìn)行測(cè)量點(diǎn)數(shù)計(jì)算，并由此完成三維模型的計(jì)算。在數(shù)字建模完成后，再進(jìn)行相關(guān)路基路面建模，BIM 技術(shù)將利用現(xiàn)有的程序在道路建模處理中進(jìn)行三維分析。在市政道路項(xiàng)目的水平、垂直設(shè)計(jì)完成后，路線內(nèi)容將在三維模型中進(jìn)行拉伸，利用它可以實(shí)現(xiàn)各種點(diǎn)結(jié)構(gòu)的平滑連接，并規(guī)避相關(guān)建筑物的特點(diǎn)，通過(guò)構(gòu)建一個(gè)三維分析網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)立體建模。建模示意圖如圖2所示。由于BIM 技術(shù)道路設(shè)計(jì)應(yīng)用的特殊性，在路基和路面建模的過(guò)程中，還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

圖2 三維模型示意圖

3.3.1 合理選擇特征點(diǎn)。主要特征點(diǎn)包括道路工程的邊緣點(diǎn)、道路工程的中心點(diǎn)、城市建筑等。此外，還需要對(duì)約束關(guān)系和特征點(diǎn)進(jìn)行排序，為后續(xù)建模提供方便的條件。

3.3.2 組件結(jié)構(gòu)的選擇。在特征點(diǎn)選取完畢之后，為達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，宜對(duì)主要構(gòu)建進(jìn)行選擇，這也是后期建模和分析的重要參考因素之一。

3.3.3 結(jié)束條件。它是一種用于解決路基限制條件的憑證，以獲得可靠的數(shù)據(jù)分析模型。

3.4 工程數(shù)量及成本計(jì)算

市政道路工程的設(shè)計(jì)施工過(guò)程包含的內(nèi)容眾多，其主要成本包含了占地費(fèi)、設(shè)計(jì)費(fèi)、人工費(fèi)以及材料費(fèi)。為明確工程成本，設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)將相關(guān)參數(shù)進(jìn)行導(dǎo)入，包括基層作業(yè)、底層作業(yè)、土方開(kāi)挖作業(yè)、路緣分布、地面作業(yè)等。在這些內(nèi)容的實(shí)際應(yīng)用中，計(jì)算機(jī)也被用于完成數(shù)據(jù)集成，并使用云計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)，BIM 技術(shù)還將在應(yīng)用過(guò)程中建立虛擬模型，幫助計(jì)算機(jī)完成不同施工階段的成本核算，降低人工計(jì)算中的容錯(cuò)率，并提高精度。此外，在工程量分析過(guò)程中建立的模型可以實(shí)現(xiàn)1∶1 的減少。

3.5 設(shè)計(jì)圖紙輸出

在道路工程同行業(yè)的設(shè)計(jì)中，一般由CAD 進(jìn)行圖紙輸出，輸出圖形也多為低維空間模型，在進(jìn)行輸出之后再將圖紙送審。但在此過(guò)程中，需耗費(fèi)較大的人力、物力，造成不必要的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失。但在BIM 技術(shù)中，由于圖形的高維，BIM 的設(shè)計(jì)方案無(wú)須出具具體圖紙，便可以以虛擬模型進(jìn)行高維視覺(jué)產(chǎn)出，這樣不僅有利于圖紙審核，也方便針對(duì)審核意見(jiàn)進(jìn)行修改。由此，不僅可以給設(shè)計(jì)單位帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益，也利于業(yè)主單位參與整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程，提高項(xiàng)目滿意度、可靠度，也使得整個(gè)過(guò)程具有較強(qiáng)的自動(dòng)化特性，有助于降低時(shí)間成本。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在道路設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)用BIM 技術(shù)，一方面可以提高道路設(shè)計(jì)過(guò)程中的可靠性與合理性，另一方面也可以降低設(shè)計(jì)人員的工作量、有效提高設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)效率和提高工程作業(yè)的質(zhì)量，為工程創(chuàng)造價(jià)值。