基于BIM技術的三維公路模型設計探討

孫建誠， 蔣浩鵬， 朱雙晗

(河北工業大學 土木與交通學院，天津 300400)

隨著建筑信息化模型技術(BIM技術，building information modeling)在巖土及結構工程中不斷應用，BIM技術已日趨成熟。建筑信息模型是對工程對象的完整描述，可被建筑項目各參與方普遍使用，達到幫助項目團隊提升決策效率與正確性[1-2]。BIM技術能將建設項目全壽命期內各個階段所有信息進行電子化集成應用與管理[3]。目前BIM研究和應用處于爆發式增長期，總體而言其研究對象主要為建筑物，且主要集中于從2D設計過渡到3D設計階段[4-5]。在使用BIM技術過程之中，不僅要求各個軟件相互配合，其數據文件可交互使用，同時信息技術集成和共享更需要標準來規范操作并進行明確界定。由于BIM技術在我國公路行業發展和應用較晚，因此研究如何在公路設計階段解決3D模型標準化建立和應用很有必要。

1 BIM標準

1.1 IFC標準

IFC(industry foundation class)標準即工業基礎類標準[6]。IFC提供了建筑工程實施過程所處理的各種信息描述和定義規范，可以是一個構件實體也可用于抽象概念。IFC標準總共由4個層次構建，分別為資源層、核心層、共享層和領域層。公路工程項目類型較多，同時運行多個軟件或程序可能存在數據無法完全兼容，導致數據無法交換等問題，而IFC標準極大程度上解決了數據交換和共享問題，節約了時間和經濟成本。

1.2 IDM標準

IDM(information delivery manual)標準即信息交付手冊標準[7]。IDM中描述信息是項目指定時間和地點基于特定目的的信息集合。在公路工程項目中，如路基工程、路面工程、交通附屬工程等都可定義為特定信息，并應用于工程特定階段上。IDM旨在將公路工程項目中的信息整理并經標準化處理后交給工程人員，最終與IFC標準形成映射。由于公路工程項目中所包含信息較多，IDM可降低信息傳遞過程中的丟失量，提高傳遞效率。

1.3 IFD標準

IFD(international framework for dictionaries)即國際字典框架標準。IFC和IDM標準只是給工程人員提供一個信息交互平臺，缺少信息交換過程中編碼標準。IFD采用GUID(global unique identifier)的方式可準確解決全球語言差異帶來的編碼不統一等問題。對公路工程而言，各類BIM軟件及編碼參差不齊，利用IFD能保證每個工程人員通過交換所得到的信息可以共享。

2 基于BIM的公路標準化設計

2.1 建模方式

對公路工程建設而言，建立3D地質和地形數據尤其重要。由于公路建設距離長、時間久等特點，因此其對于地形數據和選線設計要求較高。公路勘測設計階段所建立的DEM/DTM模型能支持多種數據傳輸模式，可同時適用于選線、平面設計、縱斷面設計、橫斷面設計、施工組織設計等要求。常規測繪方式包括外業測量、GPS測量、衛星遙感等方式，這些方式不僅費時費力，且需要的天氣條件、地形條件較為苛刻。目前，傾斜攝影與實景建模技術結合的方式將大大減少工程人員工作量并提升效率。

傳統3D地形建模通常使用3D-Max、AutoCAD等建模軟件，以這種方式構建的地形模型易出現少塊或丟失數據現象，而且其數據模型精度較低。其中傾斜攝影技術是國際測繪領域的一項高新技術，通過在無人機上搭載的多個傳感器，可同時從一個垂直、4個傾斜等5個不同角度進行影像采集[8]。由于清晰攝影無人機配備有4個傾斜攝像頭，可以最大范圍、最大精度去感知復雜路段或交叉口等位置。而實景建模技術可有效提升模型利用率，降低時間成本和經濟成本。最終通過傾斜攝影后利用實景建模技術將掃描的地形以3D方式展示出來。傾斜攝影無人機與實景建模技術如圖1。

圖1 傾斜攝影無人機與實景建模技術Fig. 1 Tilt photography UAV and virtual reality modeling

2.2 技術路線

公路工程項目設計中，構件與構件、設計要素之間存在著幾何約束和邏輯約束[9]，需通過BIM技術在3D模型中定義參數關系。同時信息模型是BIM技術核心，公路工程項目全生命周期全部圍繞信息傳遞進行運轉和工作[10]。在公路設計、施工及運維階段，各類報表的數據、施工圖信息、工程量統計數據等都要與工程項目有關人員共享，但與此同時可能會產生較多復雜數據或數據無法完全兼容的情況。筆者通過結合IFC標準，改進和優化了BIM公路設計技術路線，如圖2。

圖2 BIM公路設計技術路線Fig. 2 BIM highway design technology route

目前公路工程施工和運營問題比較嚴重，經常因質量管理不當，導致工程反復進行從而延誤工期。BIM技術施工應用主要包括：3D可視化施工、工程量統計報表的輸出、施工詳圖及物料實時管理等；運維應用包括：VR/AR交付手段、建立公路BIM信息庫等。在公路項目的設計、施工及運維階段使用BIM技術可提高工程信息傳遞效率，降低風險。筆者通過結合IFC標準的層次性，構建了BIM公路施工及運營管理技術路線，如圖3。

圖3 BIM公路施工及運營管理技術路線Fig. 3 BIM highway construction and operation managementtechnology route

3 基于BIM的公路3D模型建立

3.1 建模軟件

在設計階段使用BIM技術需考慮工程全生命周期信息，從而可將工程信息整合、歸類及管理[11]。一個工程項目不單單是一款BIM軟件能夠完成的，往往需要多款軟件協同工作完成，同時要注意軟件之間數據交換無差別進行。筆者通過分析工程項目及國內外BIM軟件，首用Bentely公司系列軟件進行公路主體設計，之后選用Autodesk公司系列軟件重新進行設計，最后將兩個系列軟件功能進行綜合對比。

3.2 項目概況

該項目為我國西北某丘陵區二級公路建設工程。該條公路對沿線礦產資源及農副產品開發與利用提供了便捷機會，對沿線各村莊經濟發展具有推動作用。因此該條公路修建具有非常重要的經濟建設和社會發展意義。該二級公路設計速度為60 km/h，路線設計為雙向雙車道。筆者以其中3 km路段作為工程試驗段，并進行建模，采用參數化項目管理模式對數據文件格式和模型數據進行參數化管理。

3.3 地形模型對比

筆者通過將2D地形圖生成3D模型，形成具體數字地面模型。與以往不同的是，本次分析采用兩款軟件對比的方式進行設計。其中Civil-3D和Powercivil都可讀取2D平面的DEM文件，經過消除粗差點處理之后，得到了各自地形圖，如圖4。

圖4 地形模型對比Fig. 4 Comparison of terrain models

3.4 平縱斷面設計對比

筆者以兩款軟件對比方式對工程試驗段進行平、縱斷面設計，首先從原2D設計文件中提取平曲線，分別用Civil-3D和Powercivil完成平曲線設計(圖5)。在縱斷面設計階段，注意在3D地面模型當中生成地面線高程。對Powercivil軟件，按照豎曲線要素設計即可；而對Civil-3D需先添加地形曲面，之后添加地面線高程和里程樁號后才能進行縱斷面設計。最后通過平、縱曲線擬合，形成3D關聯空間曲線段。設計過程中，Civil-3D和Powercivil都有各自設計標準模塊工具可檢查各個復雜構件、圖元的可靠性和準確性。

圖5 平曲線設計對比Fig. 5 Comparison of plane curve design

3.5 橫斷面設計對比

Powercivil橫斷面設計功能較為強大，整合了路面、路肩、護欄、緣石等構件要素，也可對橫斷面各個構件賦予信息要素且設計時較為方便。但筆者在設計后期發現：其輸出的橫斷面文件只能為Bentely公司軟件使用，與BIM技術特點——協同性不符，這就導致工程人員無法有效讀取項目數據文件，拖延工期。與Powercivil不同是，采用Civil-3D軟件進行橫斷面設計時，其步驟較為復雜且不符合我國公路工程設計人員操作習慣，具體步驟需先進行標準橫斷面設計并添加各個公制基本部件，例如：基本車道、鋪裝層結構、基本路肩、路緣和邊溝、護欄、基本擋墻等。但Civil-3D是基于Autodesk公司的BIM軟件，故其后期信息處理和共享方面非常成熟，橫斷面設計完成之后即可對橫斷面模型信息實時查看、瀏覽。兩款軟件建立橫斷面模型對比如圖6。

圖6 橫斷面設計對比Fig. 6 Comparison of cross-sectional design

3.6 深化設計

橫斷面設計及布置后就可組裝完成公路的整體BIM模型。在信息處理方面，筆者以IFC標準為基礎實現了設計模型信息的共享。例如：Civil-3D輸出模型文件可動態關聯到Navisworks軟件中進行施工組織深化設計，最終得到施工進度圖。

Civil-3D和Powercivil軟件都可自動產生填挖方、瀝青混凝土用量、構件尺寸數量等報表，表1為土方量對比。根據表1可看出：基于BIM的Civil -3D和Powercivil的土方量計算相差不大；相對斷面法所算出的累計填挖方值差距較大，說明傳統方法計算結果較為粗略；而經過現場校核，這兩款軟件所得出的土方結果更為準確。

表1 土方量對比Table 1 Earthwork volume contrast m3

4 結 語

筆者通過結合IFC標準將BIM公路設技術路線進行了改進和優化，同時將以可視化為基礎的BIM技術引入公路工程施工及運營管理技術路線中，完善了理論依據和基礎。同時基于某二級公路，對比分析了目前公路設計的兩款BIM軟件，完成了公路工程整體設計過程。對比發現了兩款軟件各有區別，具體結果如下：

1)在地形模型建立過程中，筆者發現Civil-3D軟件所構造的模型不能添加高程對比顏色，相對于Powercivil不能直觀表達出各個具體高程點；

2)在縱斷面設計時，Civil-3D和Powercivil都可先輸入公路縱斷面參數之后進行縱斷面設計，但Civil-3D比Powercivil輸出的縱斷圖參數要多，例如超高參數、曲率參數等，而這些參數意味著能提供更多的信息給工程人員，能提高工程設計、施工效率；

3)橫斷面設計時，Powercivil軟件相對于Civil-3D更符合我國公路設計人員操作習慣，但輸出文件格式并不能為其他公司人員使用。同時，基于Bentely平臺的ProjectWise軟件相對于Navisworks在深化設計和施工管理方面并不成熟和完善；

由于BIM軟件限制，BIM技術在公路工程上應用較少，BIM技術在公路領域優勢并未完全發揮。需進一步完善BIM技術在公路工程設計、施工和運營技術路線的應用，并應大力開發二次軟件使其更適合我國工程人員使用。總之，BIM技術可極大提高設計效率和質量，減少設計過程中信息不匹配和丟失等問題，降低工程建造成本，進而提升運維管理水平。