淺析BIM 技術在城市道路設計中的應用

周 旭 (安徽建工集團股份有限公司建筑設計研究院 安徽 合肥 230031)

引言

住建部印發的《“十四五”住房和城鄉建設科技發展規劃》提出,“十四五”期間,研究基于BIM 的跨建設階段管理流程和數據融合標準,研發貫通工程建設全過程的數字化管理平臺,推進BIM 技術在勘察、設計、制造、施工、運維全生命周期的集成與深入應用。近年來,在國家及省市各級主管部門相關政策指導和推動下,建筑信息模型(BIM)成為工程建設領域數字化轉型的推動力,越來越多的工程建設項目開始應用BIM 技術,在縮短工程周期、降低工程成本和質量起到了促進作用,提高了工程建設領域信息化應用水平,促進了建筑行業高質量發展。在市政道路設計中,BIM 技術的使用已經越來越成熟,從市政道路的初步設計到后期的施工圖紙的設計,均能夠看見BIM 技術的身影。

1 BIM 技術概述

1.1 BIM 的定義

BIM 是英文“Building Information Modeling”的縮寫,即建筑信息模型。BIM 是一個設施(工程項目)實體和功能特性的數字表達,也是一個共享的知識資源,同時是分享有關這個設施的信息,為該設施從概念到拆除的全生命期中的所有決策提供可靠依據的過程。在項目不同階段,不同利害關系人通過在BIM 中插入、提取、更新和修改信息,以支持和反映其各自職責的協同作業。

BIM 是一個完善的信息模型,能夠連接建筑項目生命期不同階段的數據、過程和資源,是對工程對象的完整描述,可被建設項目各參與方普遍使用。BIM 具有單一工程數據源,可解決分布式、異構工程數據之間的一致性和全局共享問題,支持建設項目生命期中動態的工程信息創建、管理和共享。建筑信息模型同時又是一種應用于設計、建造、管理的數字化方法,這種方法支持建筑工程的集成管理環境,可以使建筑工程在其整個進程中顯著提高效率和大量減少風險。

1.2 特點與作用

BIM 最直觀的特點是三維可視化應用于項目全生命期,重點的優勢在于優化設計減少后期變更,精確指導施工,實施高效運維管理。

對于設計企業采用BIM 具有如下優勢:基于帶有屬性信息的參數化三維協同設計,促進設計數據的重復使用;實際情景可視化模擬、預演;設計分析和碰撞檢測進行設計優化,最大程度減少設計變更,快速精確預測工程成本。通過高質量的設計交付,可以直接和間接的控制施工安裝,直至最后竣工建筑的質量。這會為業主帶來實質的好處。同時提高設計企業的品牌價值和口碑。

2 實施BIM 前準備工作

2.1 信息模型分類和編碼標準

城市道路工程信息模型中的信息,包括城市道路工程全生命期涉及到的所有活動、對象及相關信息,一般可分為建設成果、建設進程、建設資源、建設屬性。其中建設成果一般包括:建筑物、空間、元素、工作成果;建設進程包括:工程建設項目階段、行為、專業領域;建設資源包括:建筑產品、組織角色、工具、信息;建設屬性包括:材質、屬性、地理信息。

城市道路工程信息模型分類編碼的核心功能在于實現城市道路工程信息的分類、檢索、信息傳遞,這依賴信息技術(主要是關系型或面向對象的數據庫技術),運用該技術通過算法提取信息并生成報告,實現比文件存儲管理更加靈活、強大的信息管理方式。

2.2 BIM 模型精細度LOD標準

工程建設項目是隨著規劃、設計、施工、運營各個階段逐步發展和完善的,從信息積累的角度觀察,項目的建設過程就是項目信息從宏觀到微觀、從近似到精確、從模糊到具體的創建、收集和發展過程。

BIM 技術在項目實際應用過程中,首先要根據項目在不同階段的目標和任務,確定BIM 建模的精細度,也就是說需要將BIM 精細化程度進行分類。LOD(Level of Details)是模型的精細化程度,也稱為Level of Development,是描述一個BIM 模型構件單元從最低級的近似概念化程度發展到最高級的精細化程度。

以道路路面為例,參照各等級模型精細度對應的描述如下:LOD100級滿足二維化識別需求的幾何表達精度。在幾何上應建立可體現基本外輪廓、位置和方向等信息的三維模型;LOD200級滿足方案及初步設計需求的幾何表達精度。在幾何上表達工程對象的整體與重要局部的尺寸、形狀、位置和方向等主要外觀的幾何特性。如在LOD100級 的基礎上,對道路路面的結構層、路肩等構件進行建模,體現道路路面的基本結構;LOD300級滿足施工圖設計中需體現的幾何表達精度。在幾何上準確表達構件的主要組成部分,精確尺寸與位置。如在LOD200的基礎上,增加道路路面橫坡、超高等信息。

2.3 現狀基礎模型的構建

現狀基礎模型一般包含場地的位置、氣候、地形地貌和地質等要素。與傳統的二維或者獨立的信息不同,BIM 技術通過與GIS(地理信息系統)的結合,通過數據交換獲得GIS中的信息,結合高分辨率影像地形,無人機實景三維模型,激光點云等空間數據,和紅線,地質,自然保護區,行政區劃,國土空間規劃,耕地保護矢量數據等業務數據,三維展示路基,橋梁,隧道,互通等全項目、全專業BIM 模型信息,將多種來源,各種專業的數據進行高效整合。構建城市道路項目的現狀基礎模型(三維地理信息模型)。實現地理信息與城市道路信息的互通,讓設計人員能非常直觀地了解工程的情況,滿足項目設計的需要。

隨著無人機傾斜攝影技術的發展及相對成熟,通過傾斜攝影獲取項目所在區域的三維實景模型,構建出場地現狀三維基礎數據模型,可以客觀的對地理信息進行精準反饋,直觀地反映出場地內現狀地形,可以作為BIM 設計的基礎數據信息。在項目設計階段,可以基于實景模型對道路平縱橫進行設計,相比傳統二維設計方法,更有利于驗證設計方案的合理性,衡量方案與現狀的匹配程度。其不僅可應用于道路設計的前期方案階段,同時在道路應急項目及成果展示上具有極大的優勢。

3 BIM 設計的一般流程

3.1 BIM 設計軟件簡介

現在國際上主流的BIM 軟件廠商有三家,Autodesk、Bentley、Dassault。Autodesk公司的Civil3D 可以完成道路設計,Civil3D是基于AutoCAD軟件開發的,這也導致其三維能力較差,對于復雜橋梁和構件,還可將Civil3D數據導入其公司產品Revit中實施。Bentley公司的產品中,Open-Roads 是可實現對道路、橋梁、隧道、排水等基礎設施設計的專業BIM 軟件,適用于項目的整個生命周期。Dassault公司目前還沒有針對市政道路工程開發專用的BIM 軟件,只有一個大平臺catia,其軟件構件參數化能力很強,在制造業應用較廣。針對市政道路設計,傳統的道路設計軟件如鴻業、緯地、EICAD、DICAD、海地、CARD1等也都針對BIM需求進行了相應的升級,增加了相應的三維設計功能,也促進了市政道路行業BIM 正向設計的發展。

3.2 道路BIM 建模

以路易BIM 道路設計系統為例,軟件完整地包含了市政道路設計的各個階段,能夠較好地完成地形處理、線形設計、平面設計、縱斷面設計、橫斷面設計、邊坡設計、交叉口設計、立交設計、工程量統計、方案分析、跨平臺多專業合模、飛行漫游及數據導出二次渲染等。通過BIM 正向設計、快速建模工作,可快速生成三維方案。采用路易建立三維道路模型,一般流程由地形識別、路線設計、縱斷設計、橫斷設計、生成道路、道路編輯幾步完成。

3.2.1 地形識別

除了利用測量地形圖、測量數據文件、橫斷測量文件等以外,路易還可利用內置聯機地圖功能,便捷下載獲取各地高程、建筑物及衛圖數據,生成地形曲面。

如采用DWG文件生成地形曲面,需先將地形圖導入,然后依據等高線和高程點生成地形文件,通過消除錯誤數據和劣質三角形后,生成出正確的地形曲面。

3.2.2 路線設計

對于規劃給定的道路中線,路易支持導入多種格式的路線數據文件或識別DWG 文件中已有的路線兩種模式。支持手工選擇或以圖面搜索的形式把DWG文件中的一組連續的直線段、圓弧、多段線識別為系統的路線。整個路線可以放到一根多段線中。對直線以及圓曲線,軟件能自動識別,對緩和曲線,軟件會根據曲線前后數據單元,以及緩和曲線段的幾何信息,求出曲線信息。同時可以采用導線法及智能化線形設計模塊進行選線,并實時呈現規范檢查結果,對于立交線形設計,也可采用積木法、接線法等進行設計。

3.2.3 縱斷面設計

由于地形識別階段已定義了地形曲面,自然縱斷面數據可直接從地形曲面中賦值,也可以地形圖或者縱斷面數據文件里獲取,其中如果是從地形曲面中提取,可以設計是否關聯,如果關聯,路線改動或者地形曲面改動時會自動更新縱斷面數據。

豎向設計采用平、縱、橫多維度視口,可進行平縱橫可視化拉坡調整。各視口是實時聯動更新的。旨在為設計人員提供盡可能多的信息輔助拉坡操作。

縱斷中可進行多方案比選、參考點、動態拉坡、夾點修改、回退刪除等常規操作,并且支持實時規范檢查,會輔以紅色及氣泡進行提醒。

橫斷視圖實時顯示當前操作的樁號處橫斷,并可以添加監視樁,點擊監視樁,縱斷可以快速定位過去。監視樁在不滿足對其設定的凈空要求時,會變紅提醒。

圖1 豎向設計采用平、縱、橫多維度視口示意圖

3.2.4 生成道路

基于裝配式道路設計理念,通過創建道路命令,結合道路基本信息的輸入、板塊方案的確定、布置設施及平面交叉處理等一系列參數化設置后,可以直接創建出帶道路全屬性的BIM 模型。道路BIM 模型生成后,也可以用構件編輯等功能對道路、交叉口、導流島、環島、附加車道、道路出入口、公交車港、緊急停車帶、錯車道、爬坡車道、路邊停車場、橋梁、隧道、涵洞等進行優化調整。

如果道路上設置了橋梁、隧道或立交等構筑物,也可通過橋隧和立交菜單進行添加。

道路BIM 模型建立后,通過路易,可生成道路平縱橫及土方橫斷面等圖紙、提取道路的路面及土方工程量,并可生成相應的大樣,滿足施工圖出圖的需求。

3.2.5 交通設施智能設計

基于道路BIM 模型,可以進行標志標線自動化設計,智能化布設。只需通過傳統的二維設計,即可展現三維成果,所見即所得。同時可實現標志牌結構計算成果一鍵輸出,大樣圖、統計表一鍵出圖,支持標志牌定制與擴充,設計成果可分享與復用。

3.3 三維漫游

BIM 模型建立后,可設置不同漫游路徑,生成三維漫游,可以在任意位置,任意角度查看BIM 模型,并保存BIM 模型圖片,可以生成行車虛擬,在不同的位置定義視點,加入視點管理,也可以根據設計需要錄制視頻。為了便于匯報和展示,模型可生成脫離軟件平臺直接運行的.exe 程序,并能導入到Revit、PDMS、Sketch Up、LUMION、3DMAX等軟件中,對模型進行深層處理,實現模型合并展示,三維仿真分析、場景渲染等需求,增強視覺表現力。

結語

BIM 技術的應用已被國家列入提升建筑企業信息技術發展的重要方向,逐步被國內大型建筑設計、施工、咨詢管理等企業及業主認同并著手實施。建筑信息模型BIM的應用是建筑工程信息化發展的必由之路。目前建筑信息模型的概念已經在學術界和建筑企業中獲得共識,隨著信息技術的快速發展,BIM 技術產品的應用將可以極大地提高建設工程的管理效率和效益,提升工程管理的水平和能力,有助于建設工程項目順利實施。