基于BIM技術的道路改擴建研究與應用

沈照慶，魏鵬飛,董朝輝，魯武當

(長安大學公路學院，陜西西安 710064)

BIM(Building Information Modeling)為“建筑信息模型”的簡稱，由美國喬治亞理工大學查克伊士曼博士提出，其被定義為：建筑信息建模是將一個建設項目在整個生命周期內所有構件的幾何特性和功能整合到一個三維的模型中，這個模型還包括施工進度、建造過程的過程信息。BIM的核心不是模型本身(幾何信息、可視化信息)，而是存放在其中的專業信息(建筑、結構、機電、熱工、聲學、材料、價格、采購、規范、標準等)。當下國內道路設計領域中有關BIM技術的應用參差不齊，關于A(AutoDesk)好還是B(Bentley)好的爭論更是仁者見仁智者見智，本文旨在通過實際道路改擴建中的應用，為道路三維設計提供參考[1]。

國內的BIM技術應用已經有十幾年，尤其是最近幾年BIM技術的發展更加迅猛，相較于建筑行業BIM的發展速度，道路行業的發展相對緩慢，因為道路多呈帶狀分布，與地形緊密結合，涉及的面廣，不可控因素較多，且數據量龐大。

李俊超指出在道路的三維建模領域中，通過將Civil 3D做出的成果導入到3ds Max Design中渲染加工，最終獲取道路的三維景觀模型，結果表明Civil 3D的渲染能力有限，其研究結論給本文中的SWOT分析提供一種參考[2]。殷愛國等針對BIM技術在交通領域的應用以及在應用各個階段中遇到的問題進行了詳細說明，結果表明，應選擇復雜程度低、規模較小的工點，并著重理順某專業的BIM三維設計過程[3]。張波將BIM技術應用于道路設計領域，通過Infraworks 360與Civil 3D進行協同設計提高了道路三維可視化的設計質量，但是Civil 3D在國內路線和立交出圖標準的設計庫方面不夠豐富[4]。蔣藝等將BIM技術應用于道路建模領域，闡述了PowerCivil for China可以根據現有的規范標準對道路進行設計，也可根據二維設計成果導入自身構建三維模型，并著重對橫斷面模板的定制、擋墻的設置等設計要點進行了說明，結果表明“PEPCTO”項目模式的全生命周期管理是未來發展的趨勢[5]。張波將BIM技術應用于道路設計領域，將二維道路設計成果導入CATIA軟件進行三維建模，結果表明CATIA不能套用現有的規范標準直接對道路進行三維建模[6]。李銀將BIM技術應用于道路設計領域，運用SWOT分析法對國際上主流的數字化平臺Dassault Catia、Bentley MicroStation、Auto Desk Revit進行了對比分析，結果表明Bentley平臺的產品模塊可以覆蓋設計過程中的全部專業[7]。曾俊等將BIM技術應用于道路設計領域，采用理論結合實踐的方法對Power InRoads使用中問題進行分析，結果表明Power InRoads在施工圖出圖方面實現現行規范樣式要求程度比較繁瑣[8]。王麗園等對在道路勘察設計階段中需要滿足BIM的條件進行了研究，結果表明在完整的BIM公路全生命周期應用、BIM設計效率與設計質量等方面仍有待研究[9]。吳守榮等結合實際的地鐵施工項目構建3D施工模型，研究了BIM技術在軌道交通施工管理中各環節的應用，結果表明利用BIM技術可以更好地對城市地下空間及城市交通進行施工管理[10]。張人友等對近年來國內外不同種類的BIM類建模軟件進行了功能上以及優劣勢的分析，其研究結論使我們對BIM類軟件的了解更加清晰[11]。蔣先進等分析了BIM技術在實際城市軌道交通項目中的應用前景，結果表明需要各方共同努力才能更好地推廣BIM技術[12]。戴榮里將BIM技術應用于施工領域，證明了BIM技術能夠很好地解決施工現場的各種棘手問題[13]。劉占省等將BIM技術應用預應力結構施工領域，在鋼結構施工中運用參數化的設計方法，結果表明這種方法可以有效提高效率且減少出錯率[14]。孫倩在道路交通建設整個過程應用BIM技術進行模擬，結果表明其三維化的形態可以幫助設計人員簡化設計過程[15]。朱明等在道路設計的全過程應用BIM的方法，結果表明其設計成果具有一處變動，引起多處聯動的效果[16]。冀程在軌道交通設計全過程應用BIM技術的方法，結果表明BIM技術在協同、優化設計以及碰撞檢測等方面具有很大的優勢[17]。張春麗通過與傳統算量軟件功能進行對比分析，結果表明BIM技術在工程造價上有很大的應用價值，但由于軟件功能有限，在造價領域并不能得到完全的推廣[18]。周鵬光等在項目管理中融入現代化信息的方法，結果表明運用BIM技術進行工程設計，可以有效避免設計錯誤，提高工程質量[19]。曾華等通過在項目全生命周期內運用BIM的方法，結果表明相較于傳統設計方法，BIM技術在交通領域各關鍵建設過程中具有顯著的優勢[20]。王進豐等在水電工程設計領域運用BIM技術中的CATIA軟件及其附屬模塊進行三維協同設計，結果表明這種方法能夠有效減少出錯率且加快設計進程[21]。許相宜在三維道路設計領域對比分析當下各大建模軟件的優缺點，結果表明在設計的初期階段運用Google Earth會有效提高設計效率[22]。王河川等在水利工程進場道路設計領域采用三維分析的方法，結果表明Civil 3D軟件進行道路設計的成果顯得更加真實[23]。榮幸在提取DEM數據領域，將DEM導入Civil 3D軟件中，結果表明利用BIM技術中的Civil 3D軟件提取DEM中的斷面數據可以有效提高測量行業的自動化水平[24]。陳立楠等在數字地形模型構建領域，通過將Civil 3D構建的DEM與傳統軟件構建的DEM對比分析，結果表明利用BIM技術中的Civil 3D軟件進行數字地面模型的創建，能夠更加直觀地反映出其真實的地形地貌等信息[25]。

一、主流道路建模軟件應用的對比分析

當下國際上主流的幾款針對道路進行三維建模的軟件有AutoDesk公司的Civil 3D，Bentley公司的PowerCivil for China，以及Dassault公司的Catia，表1～表4運用SWOT分析法做對比分析。

Bentley旗下的產品可謂是覆蓋了道路交通領域的全部專業，PowerCivil for China 是一款面向道路、鐵路、橋隧、場地、雨水道等基礎設施設計的專業軟件，也是土木行業的BIM平臺(內嵌MicroStation,可集成其他專業產品設計的模型)，可為土木工程和交通運輸基礎設施項目的整個生命周期提供支持。這些軟件提供了信息量豐富的建模功能，這些功能與CAD工具、地圖工具、GIS工具以及諸如PDF、i-model及超模型等業務工具完美集成。通過詳細的比較，以及結合項目的實際情況，本文最后選用PowerCivil對商洛市香菊路進行改擴建。

表1主流道路建模軟件對比分析

二、BIM技術在商洛市道路改擴建中的應用案例

(一)數字地面模型(DTM)的建立

使用PowerCivil軟件進行道路設計時，首先要做地形的處理，它支持文本數據、點云數據、圖形文件等多種方式創建地形模型。數字地面模型(DTM)生成以后，它提供高程過濾、最大三角網長度等方式對DTM進行過濾檢查，對錯誤的三角網進行修正，提高構建模型的準確性。當地形比較大時，一次性建模不僅增加了建模時間，對電腦的硬件設施要求也比較高，它支持合并地形模型，通過分區域建立模型，最后合并成一個整體，有效地解決大地形建模容易“死機”的難題。

PowerCivil軟件提供了對DTM的分析功能，可以根據高程的高低，用不同的顏色顯示。如圖1所示，深色表示高程越高，淺色表示高程越低，同時可以根據高程不同對水流方向進行分析。這樣就很直觀地反映了地形的大致情況，方便快速、準確地進行選線工作，也為后續根據匯水情況設置排水構造物提供了依據。

(二)道路幾何線形設計

道路三維建模過程如圖2所示，各設計模塊最終通過“參考”組成道路三維模型。

1.道路平面線形設計

在道路平面線形設計階段，根據規范對圓曲線半徑、緩和曲線長度、平曲線長度等合理取值。設計人員通常需要不斷通過規范對設計成果進行檢查，以免出現不滿足規范要求的情況。PowerCivil軟件通過導入設計規范，選擇相應的設計速度，只要進行規范檢查就能夠對設計成果完成檢查，并輸出結果，極大地方便設計人員設計與修改。

圖1 不同高程顯示的地形圖

當前道路平面設計大都采用“交點法”或者“積木法”，在一些復雜線形的處理上變的很繁瑣。而PowerCivil提供了多種設計模式，不僅有傳統的“交點法”，還把直線與緩和曲線、圓曲線與緩和曲線等單獨組合成一種設計方法，設計人員可以根據設計線形靈活的選擇設計模式，簡化以往的組合設計，提高設計效率。

2.道路縱斷面設計

路線平面設計完成以后，需要對道路進行縱斷面設計，只要把之前建立的三維地形模型激活，則設計線的地面線會自動生成，更重要的是只要道路的平面線形發生變化，則縱斷面地面線會自動發生變化，沒必要像“緯地設計軟件”那樣重新進行插值計算。

同樣，在豎曲線設計時也提供了多種設計方法。它不僅包含“插入變坡點設計豎曲線”的方式，還提供了“按豎曲線單元”“按豎交點”“插入反向豎曲線”等設計方式。當兩條道路相交或者在同一地形模型時，可以通過“縱斷面投影”功能將已設計道路的縱坡信息投影到未設計的道路，尤其在平面交叉、立體交叉設計時，極大簡化了設計流程。

圖2 道路三維建模過程

PowerCivil軟件是參數化的設計，對設計參數的修改不僅可以通過設計菜單進行修改，還可以對參數進行修改。它的聯動不僅包含模型中個別變化導致導致其他部分也發生變化，還包含設計時對平曲線、豎曲線參數值的修改，它會自動調整設計值。這樣就可以減少打開對話框調整所需要的時間，此外，PowerCivil軟件提供了8個視口，在縱斷面設計時，可以在同一個畫面中采用3個視口實時觀看道路平面、縱斷面、三維模型，從而使縱斷面設計更加快速流暢。

如圖3、圖4所示，PowerCivil和Civil 3D在縱斷面設計中的原則是相同的，都是基于地面線進行縱斷面的拉坡設計，而且兩者都可以實現聯動設計，即修改了平面線形，縱斷面也隨之改變。

(三)定制橫斷面模板

定制橫斷面模板包含對路面、路基、道路構造物(如橋梁、隧道、涵洞等)和附屬設施等模板的定制，廊道中的代碼是結構三維建模的基礎。通過定義不同的約束條件，建立不同形式的構造物模型，更加切合實際地實現道路的整體三維建模。

1.路基路面

首先根據路基的組成情況，定義各組成部分的厚度、寬度、坡度和材質特征，三維路基是隨著線形中心的變化而變化，以適應曲線、超高、加寬路段變化的要求。路基邊坡因地形不同邊坡放坡形式不同，PowerCivil采取條件約束的方式進行邊坡計算，直到與地面相交為止。如圖5所示，以填方為例，具體步驟如下：

由路基中心點的高程和路拱橫坡值可得出路基邊界點的高程Z1，設地面點的高程為Z2，定義一級邊坡的坡度和最大坡高H1，若Z1-Z2≤H1，則只需要設置一級邊坡；若Z1-Z2>H1，則需要設置二級邊坡；并依據二級邊坡的最大坡高H2，依據上述算法進行計算，直至Z1-Z2≤i時停止放坡，邊坡最終級數為i。有時邊坡放坡級數太多，需要在坡腳設置擋墻，可通過設置“約束條件”，當級數超過設置級數時，自動放置擋墻。

如圖6、圖7所示，PowerCivil和Civil3D在道路橫斷面模板定制上原則也是相同的，都需要根據項目的標準橫斷面圖構建模板，類似于“搭積木”，每塊“積木”之間通過“約束點”進行相互約束，最終構建的模板都可以滿足改動每相鄰兩個約束點的距離，模板的整體樣式也會相應變動。

2.橋梁

橋梁橫斷面模板庫中有一些橋梁的橫斷面模板可以直接利用，但由于PowerCivil的本土化程度不高，所以很多類型的橋梁結構模型還需要自己定制，這樣就無形中增大了工作量。橋梁的整體模型可以通過一系列標準構件組成，構件可分為兩種類型：一種是與地面標高沒有關系的組件，如梁板、防護墻、欄桿等，對這些組件模型的構建只需要通過參數設計構造出模型斷面形狀，最后沿路線設計中線放樣就可以構建三維模型；另一種是與地面標高有關系的構件，如橋墩、墩臺，這一類構件可細分為方體、柱體等體元素，應用第一種構建方法，將體元素進行組合拼接形成橋墩模型。除了在橫斷面模板中直接定制模板外，另外一種方法是通過在Microstation中切換不同的視圖模式來畫好自己需要的橋梁結構，而后通過“參考”的方法進行模型的組裝，如圖8所示橋梁模型。

3.隧道

隧道模型建立包括洞口、洞門、洞身等，由于隧道模型建立在地形內部，其最復雜的工序是開挖隧道口及洞身。為了簡化建模過程，將隧道洞身橫斷面分為直線段和圓弧段，對于洞頂圓弧段的處理可采用直線段近似代替，以洞頂圓弧中點為分界，將圓弧左右兩邊各平均分為n段，n越大，精度越高。通過連接各分段點從而形成整個隧道模型，本文采用PowerCivil中廊道模型的代碼約束條件，通過設置相鄰兩點水平和豎直的約束構建出整個隧道的模型。

圖9中，根據道路中線的坐標，可得出A、A1、B、

B1、P點的坐標，P1、P2為分段點，依據A1(xa,ya)、B1(xb,yb)的坐標，以及W、A，得圓弧的半徑為:

圖3 PowerCivil縱斷面設計頁面

圖4 Civil 3D縱斷面設計頁面

圖5 三維路基邊坡放坡示意圖

(1)

(2)

則ΔP1P的(ΔXP1P，ΔYP1P)的坐標為:

ΔXP1P=Rsinφ

(3)

ΔYP1P=YP-Rcosφ

(4)

ΔYP1P2=R(cos2φ-cosφ)

(5)

依次類推，可得出ΔPnPn-1的(ΔXPnPn-1，ΔYPnPn-1)的坐標為:

ΔXPnPn-1=R(sinnφ-sin(n-1)φ)

(6)

ΔYPnPn-1=R(cosnφ-cos(n-1)φ)

(7)

圖6 PowerCivil 道路橫斷面模板定制結果

圖7 Civil 3D道路橫斷面模板定制結果

圖8 橋梁模型

根據φ的取值，以P點為控制點，計算得出相鄰兩點的水平和豎直約束條件，構造隧道模型如圖10所示。

4.附屬設施

道路附屬設施主要有護欄、交通標志標線、中央隔離帶等，可通過廊道中的代碼約束條件建立模型。首先構建出模型的邊界，然后建立不同的約束規則，并對其賦予材質特征，最后指定模型放置的位置，按路線走向掃描放樣完成三維建模。同樣，附屬設施的構建也可以在Microstation中通過各種構建體塊的快捷功能輸入參數化數據來構建實體模型，或者通過線拉伸成面，面拉伸成體來構建實體模型，最后將構建的實體模型dgn文件“參考”到路廊模型中，完成模型的組裝。

因為交通標志標線在交叉路口的形式多樣化，所以單純地在橫斷面模板中采用添加“空點”生成的方法就無法滿足通常需求。通常采用的方法是偏移路中心線及手動描繪，最后通過“蓋印章”的方法來“參考”到路廊模型里，完成標志標線的創建。

同樣，由于PowerCivil本土化程度低，模型中的邊坡綠化無法呈現出現實中的多種需求，所以需要采用自定義邊坡材質的方法使模型看起來更加美觀。自定義邊坡分“三步走”，第一步，將需要的邊坡樣式的圖片放入軟件的材質庫根目錄下，在“可視化”菜單中定義該材質；第二步，在元素模板中，新建一個元素模板并選擇上一步中定義的材質；第三步，在邊坡的橫斷面模板中將構件的特征定義為上一步中的元素模板，或在“項目瀏覽器”的“civil標準”中修改特征定義。

圖9 隧道洞頂示意圖

(四)廊道設計

廊道設計也就是道路橫斷面設計，廊道設計是PowerCivil在道路設計中最復雜的一部分，也是與其他二維道路設計軟件最大的不同之處。它是基于裝配式的設計理念，根據道路不同的斷面組成情況進行不同的裝配，通過打開創建橫斷面模板對話框，選擇組成斷面的組件，如行車道、中央分隔帶、硬路肩、土路肩、邊坡、擋墻、邊溝等，把各個組件連接起來，從而形成道路的橫斷面。同時，可根據組件的不同含義，添加其特征信息，根據路基各層材料材質的不同，分別賦予不同的厚度、材質顏色，可以直觀地看到道路的組成情況(圖11)，也為統計工程量奠定了基礎。

圖10 隧道模型

每個組件都有一些約束點，每個約束點都有一個代碼，組件之間的連接就是通過這些代碼來實現的，代碼是橫斷面設計中的精髓。如果說組件是橫斷面的基礎，那么代碼則是組件的核心。道路模型與隧道、橋梁模型的組合、填挖方放坡、土方和材料體積匯總、材質渲染等，這些屬于BIM技術的特色內容都是基于代碼實現的，表2是部分代碼的意義。

在進行組件連接時，需要對代碼的特性進行定義，其中最重要的就是約束條件，代碼的約束條件直接影響到道路三維斷面的生成情況，也影響到聯動設計的實現與否。如果約束條件不合理，當道路斷面發生變化時，有些組件不發生聯動設計，則會出現非正常的扭曲斷面，不符合設計要求。代碼的約束條件設置好以后，對組件的特性進行定義，需要根據實際情況定義優先級順序，尤其在定義坡度系數時，根據不同的填挖高度，需要采用不同的坡度值。優先級越高，就優先采用這個坡度系數，一級坡是優先級最高的，其次是二級坡，依此類推。

以上所描述的都是道路基本路段橫斷面設計的相關內容，在實際情況中常會遇到道路加寬、道路設置超高、路基分離等情況，現分別對其進行分析。

1.超高、加寬處理

當圓曲線半徑小于不設超高最小半徑時，需要對道路設置超高，通過軟件中的“創建超高區間”對話框進行超高設置，軟件會根據選擇的規范、旋轉軸的方式、超高過渡方式自動計算超值，當超高計算完成時，會生成一個超高報告，通過報告可以清楚查看超高設置情況，同時會在道路平面圖中顯示設置超高的區間、超高類型，方便設計人員查看。

圖11 道路廊道模型

代碼表示含義CL道路中心線EOP路邊緣線SHDR路肩FILL挖方邊坡CUT填方邊坡DITCH邊溝CURB路緣石Guardrail護欄Median中央分隔帶

當道路需要加寬時，設計人員可以通過“創建曲線加寬”命令，按照設置超高的方法進行加寬設計設計完成時，打開橫斷面查看器，查看每個斷面的設置情況。

2.分離路基處理

設計高速公路時通常會遇到路基分離的情況，不僅要分段定義橫斷面組成部件，還要對分離式路基放坡線交織到一起進行處理。軟件通過“多重目標修改”這個命令，很方便地修改交織到一起的放坡線，從而使統計的土方工程數量更加準確。

(a)處理前

(b)處理后圖12 分離路基處理

總的來說，基于PowerCivil的廊道設計與傳統2D道路設計軟件方法有很大不同，從手工對數據編輯轉變為對組件的裝配，設計過程變得更加繁瑣，但其結果變得更加準確，內容變得更加豐富。

當道路完成平面、縱斷面、橫斷面設計時，軟件會根據整個路廊對象生成一個詳細的報表。報表包含整個道路設計中所有的材料用量。根據當地材料價格，通過編輯報表中的單價，可以快速準確地計算整個工程造價。而不用專門的造價人員分項去估算工程造價，極大地簡化設計流程，提高估價準確率。

如圖13、圖14所示，基于PowerCivil和Civil 3D的廊道設計結果都可以很好地展示BIM技術“可視化”的特點，設計方法上并沒有優劣之分，所不同的是AutoDesk和Bentley兩大公司的企業文化決定了各自的軟件在中國必定有不同的發展歷程。

圖13 Civil 3D廊道設計結果

圖14 PowerCivil廊道設計結果

(五)結合實景模型對改擴建道路進行三維效果的展示

使用無人機傾斜攝影得到的實景影像，可用Bentley公司的ContextCapture軟件進行快速計算處理，能輸出高分辨率的帶有真實紋理的三角網格模型，所輸出的三角網格模型能夠準確、精細地復原出建模主體的真實色澤、幾何形態及細節構成。將ContextCapture生成的實景網格與PowerCivil設計出的道路模型導入Bentley公司的Descartes CONNECT Edition，通過對兩者進行移動、縮放、旋轉最后實現配準。接著，在Descartes里對實景進行修剪，因為實景網格是由許多小三角網單元構成，因此很難做到嚴格按照邊界像刀切出來的那樣精確美觀，通常是使用Descartes主菜單下Selection工具組中的Place fence和Delete Fence Contents工具，通過畫線刪除指定區域的三角網，近似地和道路邊界平齊。

最后將修剪過的實景和道路模型一并導入到Bentley公司的LumenRT軟件中進行渲染，可用LumenRT在場景中模擬行駛中的車輛，行人散步，加入樹木、路燈、標志牌等，還能根據需要模擬不同季節及不同時段的場景變化。圖15是展示的渲染后的三維效果圖。

三、結語

本文運用SWOT分析法分析地較當前國際上流行的3種道路建模軟件。本文以商洛市香菊路道路改擴建建模為例，從建立數字地面模型、道路幾何線形設計、定制橫斷面模板、廊道設計、附屬設施(如標志標線、護欄等)及橋梁等構造物的建模限出發，結合實景模型進行三維效果展示介紹了PowerCivil for China在道路建模中的應用。結合商洛市香菊路道路改擴建實例展示的結果，本文總結出利用PowerCivil在道路改擴建過程中有以下4點優勢。第一，可以快速地從各個角度查看改擴建后的道路方案在實際場景中的情況，尤其是在城區道路改擴建過程中，拆遷問題可以更直觀地反映出來。第二，可以查看設計的道路在實際場景中與原有路網的交叉情況。第三，可以直觀地查看設計的道路線形在實際的自然地理環境中是否美觀。第四，設計成果可以渲染得到逼真的三維動畫，達到實景瀏覽的效果。

圖15 渲染后的三維效果圖

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