BIM技術(shù)在蘇州某道路工程設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用

劉 琦

（華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210000）

1 應(yīng)用項(xiàng)目概況

蘇州某道路工程路線起于吳江區(qū)七都鎮(zhèn)，接已建的S230環(huán)太湖公路，向南跨越G50滬渝高速公路，繼續(xù)向南在八都社區(qū)和震澤鎮(zhèn)之間布線、上跨G318滬聶線、長(zhǎng)湖申線（規(guī)劃Ⅲ級(jí)航道），下穿待建滬蘇湖高鐵橋，在桃源鎮(zhèn)西側(cè)布線，止于蘇浙省界，終點(diǎn)順接待建的浙江段道路；其建設(shè)對(duì)進(jìn)一步完善區(qū)域快速路網(wǎng)布局，加強(qiáng)蘇浙城際交通聯(lián)系，提升路網(wǎng)整體效益，推動(dòng)長(zhǎng)三角一體化發(fā)展，改善蘇州西部地區(qū)交通出行條件，服務(wù)沿線旅游資源開(kāi)發(fā)，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有重要意義。

該項(xiàng)目位于蘇南地區(qū)、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、土地指標(biāo)緊張、人均耕地少，經(jīng)綜合比選主線一般路段采用橋梁方案，主線橋梁占比達(dá)90.1%，工程規(guī)模大，工點(diǎn)密集，工程建設(shè)條件較復(fù)雜，以該復(fù)雜道路工程項(xiàng)目作為BIM技術(shù)應(yīng)用的示范性項(xiàng)目。

2 BIM可視化平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 BIM模型的創(chuàng)建

在初步設(shè)計(jì)階段采用Infraworks軟件建立BIM模型，在施工圖階段采用Catia軟件建立BIM模型。初步設(shè)計(jì)階段建模按照LOD200精度、施工圖階段建模按照LOD300精度。根據(jù)建模標(biāo)準(zhǔn)建立項(xiàng)目全線模型，作為BIM可視化平臺(tái)應(yīng)用基礎(chǔ)。同時(shí)根據(jù)地質(zhì)測(cè)繪資料構(gòu)建全線地質(zhì)模型，通過(guò)可視化展示，輔助設(shè)計(jì)對(duì)不良地質(zhì)進(jìn)行判別。

2.2 BIM+GIS電子沙盤創(chuàng)建

項(xiàng)目通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜攝影如圖1所示、機(jī)載激光點(diǎn)云掃描如圖2所示，多種技術(shù)生成周邊最真實(shí)的GIS環(huán)境，在環(huán)境中體現(xiàn)了周邊地物與道路的相對(duì)平面關(guān)系及高程關(guān)系，可用于展示現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。

圖1 道路GIS環(huán)境（無(wú)人機(jī)傾斜攝影）

圖2 道路GIS環(huán)境（機(jī)載激光點(diǎn)云掃描）

結(jié)合BIM+GIS的技術(shù)，形成道路全路線方案、橋型方案、互通布設(shè)方案的模型成果，在三維環(huán)境中進(jìn)行可視化展示提升溝通效率?；谝惑w化的BIM+GIS基礎(chǔ)平臺(tái)還可實(shí)現(xiàn)全壽命周期的管理可視化。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，在Web端展示BIM+GIS模型已成為BIM應(yīng)用系統(tǒng)的主流需求，因此，對(duì)基于WebGL的BIM+GIS模型可視化方法研究是一體化BIM系統(tǒng)的基礎(chǔ)。通過(guò)研究與開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)對(duì)BIM模型數(shù)據(jù)Web環(huán)境中的輕量化展示。該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了傾斜攝影、激光點(diǎn)云等GIS數(shù)據(jù)的融合展現(xiàn)。運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的相關(guān)知識(shí)，使用射線相交法、矩陣運(yùn)算、軌跡球鏡頭控制等方法實(shí)現(xiàn)模型的交互，其中包括縮放、拖拽、旋轉(zhuǎn)、場(chǎng)景漫游等[1]。將LOD優(yōu)化算法引入WebGL技術(shù)中，使GPU渲染效果和渲染速度相對(duì)平衡。通過(guò)基于Cesium的三維模型網(wǎng)絡(luò)服務(wù)研發(fā)，最終實(shí)現(xiàn)BIM+GIS模型的Web端可視化平臺(tái)運(yùn)行。

在已有模型上添加準(zhǔn)確、完整的設(shè)計(jì)信息，形成可視、可查、可用的數(shù)字化設(shè)計(jì)成果，為跨階段的數(shù)據(jù)共享提供基礎(chǔ)。此外，該項(xiàng)目還開(kāi)發(fā)了設(shè)計(jì)管理平臺(tái)和踏勘用App，用于展示工程方案和周邊控制因素，App的實(shí)現(xiàn)方便了現(xiàn)場(chǎng)踏勘數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)記錄。

3 基于BIM技術(shù)的安全檢查及設(shè)計(jì)

在BIM模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合交通仿真，在設(shè)計(jì)階段可有效地模擬道路建成后的交通運(yùn)營(yíng)狀況，得到滿足實(shí)際需求的交通工程，提高道路運(yùn)營(yíng)的安全性。

3.1 互通樞紐凈空、視距核查

充分利用模型的三維可視化特點(diǎn)，結(jié)合軟件功能，行車漫游，對(duì)凈空、視距等指標(biāo)進(jìn)行核查，避免部分匝道縱面控制凈空不足的問(wèn)題，同時(shí)驗(yàn)證道路是否存在視距不足、眩光影響等二維設(shè)計(jì)無(wú)法體現(xiàn)的設(shè)計(jì)要素。

對(duì)于線形復(fù)雜匝道，建立高精度模型，對(duì)分合流鼻段進(jìn)行車流模擬，空間視距分析，提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，提升設(shè)計(jì)品質(zhì)。

凈空核查如圖3所示，采用Fuzor軟件的凈高分析功能，視距核查如圖4所示，采用Infraworks軟件中的視距分析功能。

圖3 凈空核查

圖4 視距核查

3.2 標(biāo)志標(biāo)牌設(shè)計(jì)方案模擬

基于BIM技術(shù)的交通標(biāo)志方案模擬，能全面直觀地反映整個(gè)交通路段標(biāo)志的實(shí)際情況，并能高效調(diào)整交通標(biāo)志的模型參數(shù)和相對(duì)位置，及時(shí)反饋并修正設(shè)計(jì)方案，不但可以減少由于設(shè)計(jì)方案不合理可能對(duì)施工過(guò)程產(chǎn)生的影響，還能有效提升道路的管理和運(yùn)行水平。

在標(biāo)志標(biāo)牌設(shè)計(jì)中，須考慮醒目度、視角、觀察角、觀察距離及背景等因素，利用BIM軟件模擬工程與周邊環(huán)境的三維空間，通過(guò)駕駛模擬、漫游等形式提供身臨其境的視覺(jué)、空間感受，及時(shí)發(fā)現(xiàn)不易察覺(jué)的標(biāo)志標(biāo)線設(shè)計(jì)缺陷或問(wèn)題，減少由于事先設(shè)計(jì)不周而造成的損失，有利于設(shè)計(jì)與管理人員對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)與方案評(píng)審。

3.2.1 技術(shù)要求及準(zhǔn)備工作

技術(shù)要求及準(zhǔn)備工作包括以下3點(diǎn)：1）準(zhǔn)備資料。道路平縱橫設(shè)計(jì)圖紙；交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)圖；帶狀地形圖；傾斜攝影數(shù)據(jù)。2）道路、橋梁、交安設(shè)施嚴(yán)格按設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行1∶1比例建模。3）車輛視線及前燈光線高度按照相關(guān)規(guī)范要求。

3.2.2 建模范圍

建模范圍如下：1）道路主體模型。按照設(shè)計(jì)圖紙和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行建模，平縱線形嚴(yán)格按設(shè)計(jì)圖紙，道路的寬度、坡度等與實(shí)際一致，新建道路模型根據(jù)設(shè)計(jì)進(jìn)展情況進(jìn)行更新鏈接。2）橋梁建模依據(jù)三維道路中線和地面線，建立下部結(jié)構(gòu)單元和上部梁結(jié)構(gòu)。3）周邊環(huán)境模型可反映周邊地形環(huán)境，位置準(zhǔn)確，地形逼真，可使用傾斜攝影模型。4）道路上的交通標(biāo)示線與實(shí)際一致，道路兩邊的指示牌及指示牌上的文字和顏色等與實(shí)際一致。5）車輛模型。主要考慮駕駛員視線高和前燈光線高，分別建立大車和小車模型。

3.2.3 標(biāo)志標(biāo)牌模擬應(yīng)用

根據(jù)標(biāo)志標(biāo)牌設(shè)置原理，建立大小型車輛模型，創(chuàng)建車輛相機(jī)高度，前燈高度，按照小型車—小型車、小型車—大型車、大型車—大型車的組合，分別在不同車道進(jìn)行車輛模擬運(yùn)行，同時(shí)設(shè)置雨天、晴天、夜間等不同天氣情況，檢驗(yàn)標(biāo)志標(biāo)牌設(shè)置效果如圖5所示。

圖5 標(biāo)志標(biāo)牌模擬

3.3 中央分隔帶防眩模擬

在道路的豎曲線路段，防眩設(shè)施高度的計(jì)算須考慮豎曲線半徑、縱坡、路拱或超高等影響因素。特別是凹形豎曲線路段，防眩設(shè)施的高度應(yīng)根據(jù)豎曲線半徑、縱坡、橫坡等因素適當(dāng)增加防眩設(shè)施高度。凸形豎曲線的高位路段對(duì)相向行駛處于低位路段的駕駛員會(huì)產(chǎn)生眩光，即使相距超出遠(yuǎn)光燈理論光照范圍，在上下坡道中駕駛員也會(huì)看到對(duì)向車輛前照等遠(yuǎn)光燈的強(qiáng)烈光源，如果交通量較大就會(huì)出現(xiàn)連續(xù)的眩光照射，須對(duì)該路段的防眩高度進(jìn)行驗(yàn)算和完善，保證夜間行車安全[2]。不僅如此，夜間道路上的眩光現(xiàn)象會(huì)造成駕駛員視覺(jué)短期失能，對(duì)駕駛員的判斷與操作產(chǎn)生非常不利的影響，從而引發(fā)嚴(yán)重的交通事故，因此道路中央分隔帶防眩設(shè)施參數(shù)對(duì)行車安全有重要的影響。

通過(guò)BIM技術(shù)建立道路、橋梁、交安設(shè)施的三維模型，并賦予相應(yīng)的材質(zhì)和屬性，模擬車輛在不同車道、不同位置時(shí)防眩設(shè)施的效果，對(duì)該路段的防眩高度進(jìn)行驗(yàn)算和完善，確保防眩設(shè)施設(shè)計(jì)方案的合理性。

3.3.1 技術(shù)要求及準(zhǔn)備工作

技術(shù)要求及準(zhǔn)備工作：1）準(zhǔn)備資料。道路平縱橫設(shè)計(jì)圖紙；交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)圖；帶狀地形圖；傾斜攝影數(shù)據(jù)。2）道路、橋梁、交安設(shè)施嚴(yán)格按設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行1∶1比例建模。3）車輛視線及前燈光線高度按照相關(guān)規(guī)范要求。

3.3.2 建模范圍

建模范圍如下：1）選擇典型路段，創(chuàng)建包括周邊環(huán)境的工程主體模型和附屬設(shè)施模型，模擬真實(shí)的道路交通環(huán)境。2）道路主體模型。按照設(shè)計(jì)圖紙和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行建模，平縱線形嚴(yán)格按設(shè)計(jì)圖紙，道路的寬度、坡度等與實(shí)際一致，新建道路模型根據(jù)設(shè)計(jì)進(jìn)展情況更新鏈接。3）橋梁建模依據(jù)三維道路中線和地面線，建立下部結(jié)構(gòu)單元和上部梁結(jié)構(gòu)。4）周邊環(huán)境模型可反映周邊地形環(huán)境，位置準(zhǔn)確，地形逼真，可使用傾斜攝影模型。5）中分帶防眩設(shè)施。防眩設(shè)施位置，大小尺寸、間距等按照設(shè)計(jì)圖紙1∶1比例建模。6）車輛模型。主要考慮駕駛員視線高和前燈光線高，分別建立大車和小車模型。

3.3.3 防眩模擬應(yīng)用

根據(jù)防眩模擬原理，建立大小型車輛模型，創(chuàng)建車輛相機(jī)高度，前燈高度，按照小型車-小型車，小型車-大型車，大型車-大型車的組合，分別在不同車道進(jìn)行車輛模擬運(yùn)行，全程檢驗(yàn)路段防眩效果如圖6所示。

圖6 防眩設(shè)計(jì)模擬

4 基于BIM的精細(xì)化設(shè)計(jì)

4.1 預(yù)留預(yù)埋件三維一體化設(shè)計(jì)

應(yīng)用BIM技術(shù)對(duì)預(yù)留預(yù)埋件進(jìn)行集中可視化交底，讓施工作業(yè)人員對(duì)于設(shè)計(jì)的理解更為透徹，為具體施工提供虛擬化參照，避免錯(cuò)誤發(fā)生。

4.2 小箱梁正向設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目主線橋梁以小箱梁為主，基于BIM的參數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)進(jìn)行三維出圖，通過(guò)數(shù)字化成果為后期數(shù)字化加工和管理提供基礎(chǔ)。

采用BIM正向設(shè)計(jì)手段，對(duì)復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，利用 BIM模型對(duì)復(fù)雜空間預(yù)應(yīng)力鋼束進(jìn)行碰撞檢查與優(yōu)化設(shè)計(jì)，所見(jiàn)即所得，解決二維設(shè)計(jì)中存在的“錯(cuò)、漏、碰、缺”問(wèn)題，避免碰撞問(wèn)題遺留到施工階段，整體提高設(shè)計(jì)精準(zhǔn)度、精細(xì)化以及現(xiàn)場(chǎng)的施工交底效率。

5 結(jié)語(yǔ)

BIM技術(shù)的應(yīng)用使道路工程在設(shè)計(jì)過(guò)程中道路設(shè)計(jì)效果更加直觀、可視化。在設(shè)計(jì)階段建立了BIM可視化平臺(tái)，還應(yīng)注重設(shè)計(jì)階段的BIM成果向后續(xù)施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段的傳遞。基于BIM的安全設(shè)計(jì)、精細(xì)化設(shè)計(jì)，更有利于提升項(xiàng)目的品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)耐久、安全舒適、經(jīng)濟(jì)環(huán)保的目標(biāo)。

蘇州某道路設(shè)計(jì)項(xiàng)目旨在踐行“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開(kāi)放、共享”發(fā)展理念，打造蘇州市道路工程BIM技術(shù)應(yīng)用的示范，推動(dòng)設(shè)計(jì)理念的轉(zhuǎn)變，為后續(xù)大力推廣BIM技術(shù)在道路工程中的應(yīng)用起到一定的示范作用。