BIM技術(shù)在市政立交設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用研究

周 游，陳建豐，范宇豐，夏詩(shī)畫

(招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067)

0 引 言

BIM(建筑信息化模型)概念，最早由美國(guó)的E. CHUCK[1]在1975年提出。他提出一種假設(shè)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對(duì)建筑物進(jìn)行智能模擬，并能從中提取包括工程圖紙、工程量、施工進(jìn)度等工程相關(guān)信息。該系統(tǒng)被命名為“建筑描述系統(tǒng)(building description system, BIM)”。該系統(tǒng)為BIM的原型，雖然在之后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)，BIM的發(fā)展受到了CAD沖擊，但關(guān)于BIM的研究一直在持續(xù)[2]。

BIM的定義有多種版本，相對(duì)而言，美國(guó)國(guó)家BIM標(biāo)準(zhǔn)對(duì)BIM的定義比較完整，認(rèn)為“BIM是一個(gè)設(shè)施(建設(shè)項(xiàng)目)物理和功能特性的數(shù)字表達(dá)；BIM是一個(gè)知識(shí)資源，是一個(gè)分享有關(guān)這個(gè)設(shè)施的信息，為該設(shè)施從概念到拆除全生命周期中的所有決策提供可靠依據(jù)的過程；項(xiàng)目不同階段，不同利益相關(guān)方通過在BIM中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映其各自職責(zé)的協(xié)同作業(yè)”[3]。

BIM由歐特克公司在2002年引入中國(guó)建筑行業(yè)，現(xiàn)已被越來越多的行業(yè)及工程師所了解和使用。雖然國(guó)內(nèi)已經(jīng)開展了基于BIM技術(shù)的工程施工管理及運(yùn)維管理的應(yīng)用研究[4-5]，但目前國(guó)內(nèi)BIM技術(shù)仍主要應(yīng)用于設(shè)計(jì)階段[6]。相較于建筑業(yè)，我國(guó)交通行業(yè)雖起步較晚，但發(fā)展極其迅速，從業(yè)者為提高項(xiàng)目建設(shè)及管理水平，對(duì)市政、公路、鐵路等工程開展了BIM理論、方法、工具和標(biāo)準(zhǔn)的研究[7-8]。但是總體而言，缺少整個(gè)工程全生命周期總的規(guī)劃，造成了目前各階段的BIM信息及應(yīng)用成果無法相互使用[9]。

2016年8月住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)的《2016—2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》，以及2017年1月交通運(yùn)輸部印發(fā)的《推進(jìn)智慧交通發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃2017—2020年》中，都指出將加強(qiáng)BIM技術(shù)在基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域的作用。筆者依托重慶市蔡家嘉陵江大橋工程項(xiàng)目，以設(shè)計(jì)階段模型建立和應(yīng)用為主要研究?jī)?nèi)容，以期為BIM技術(shù)在立交工程設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與思路。

1 立交工程BIM模型建立

1.1 模型組成

圖1 立交工程BIM模型結(jié)構(gòu)Fig. 1 BIM model structure in interchange project

1.2 模型建立

小灣立交比較復(fù)雜，筆者通過Civil 3D、Power Civil、Micro Station和Generative Components等軟件相結(jié)合的方式來建立立交模型。

1.2.1 三維地形模型建立

立交工程是與實(shí)際地形發(fā)生關(guān)系的構(gòu)造物。BIM模型的建立基于地形圖，只不過地形模型由二維CAD圖變成了三維數(shù)字地形模型。筆者采用Civil 3D或Power Civil先對(duì)CAD圖紙進(jìn)行高程點(diǎn)和等高線提取，再通過控制三角網(wǎng)最大長(zhǎng)度來建立三維地形模型，對(duì)于錯(cuò)誤的高程孤點(diǎn)，采用篩選功能進(jìn)行刪除，逐步完成一個(gè)精確的三維地形模型[10]，如圖2。

圖2 數(shù)字地形模型Fig. 2 Digital terrain model

1.2.2 路線設(shè)計(jì)

筆者主要是將DICAD繪制的路線導(dǎo)入到Power Civil軟件中，用平面幾何工具提取平面線形，由于立交是由多條匝道組成，因此分別提取各匝道平面線形并繪制縱斷面線，進(jìn)而完成整個(gè)立交線形繪制，如圖3。

圖3 路線設(shè)計(jì)Fig. 3 Route design

1.2.3 參數(shù)化橫斷面設(shè)計(jì)

語(yǔ)文和傳統(tǒng)文化的關(guān)系非常緊密。教師作為語(yǔ)文教學(xué)的引導(dǎo)者，肩負(fù)著培養(yǎng)學(xué)生的語(yǔ)文綜合素養(yǎng)，傳播中華傳統(tǒng)文化的責(zé)任。教師一定要認(rèn)識(shí)到傳統(tǒng)文化中的精髓，自覺加強(qiáng)語(yǔ)文和文化修養(yǎng)，使語(yǔ)文課堂不但成為學(xué)生學(xué)習(xí)語(yǔ)文知識(shí)的課堂，而且也是學(xué)生接觸和認(rèn)識(shí)中華傳統(tǒng)文化的重要課堂。

橫斷面是線形構(gòu)造物的重要組成部分，它隨線形反映著整個(gè)構(gòu)造物的外部及內(nèi)部形態(tài)。在傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)當(dāng)中，橫斷面的設(shè)計(jì)大多都是按20 m一個(gè)階段進(jìn)行設(shè)計(jì)，但立交段地形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)會(huì)造成設(shè)計(jì)的橫斷面與實(shí)際有很大出入。筆者使用的Power Civil參數(shù)化橫斷面設(shè)計(jì)，可以對(duì)整條道路進(jìn)行“戴帽子”，并且按照設(shè)計(jì)師設(shè)置的各個(gè)構(gòu)件之間的空間邏輯關(guān)系，自動(dòng)隨所處地形條件的不同而變化，見圖4。

建立一個(gè)適應(yīng)多種地形條件的參數(shù)化橫斷面模板，需滿足以下幾個(gè)條件：

1)邊坡的挖填根據(jù)實(shí)際地面線自動(dòng)判斷；

2)邊坡的高度及坡度應(yīng)隨著邊坡級(jí)數(shù)不同，按要求自動(dòng)調(diào)整變化；

3)可通過設(shè)計(jì)師設(shè)置的條件(如邊坡多于3級(jí)時(shí)，自動(dòng)設(shè)置路肩或路塹擋土墻)，減少填方的工程量；

4)根據(jù)邊坡的形式，自動(dòng)判斷是否生成排水溝、截水溝或碎落臺(tái)等結(jié)構(gòu)。

參數(shù)化橫斷面模板制作過程中，可以定義多項(xiàng)參數(shù)[11]，其中構(gòu)件的命名、尺寸、材質(zhì)和標(biāo)記應(yīng)符合設(shè)計(jì)文件要求，并按資產(chǎn)管理的方式對(duì)其進(jìn)行編碼，使模型在工程量計(jì)算和運(yùn)維管理時(shí)能更加精確及便捷。

1.2.4 立交橋梁模型建立

立交橋梁大多同時(shí)位于縱曲線和平曲線上，使用Generative Components對(duì)上部進(jìn)行建模。建模過程利用了可視化編程技術(shù)，箱梁截面根據(jù)參數(shù)實(shí)時(shí)修改，解決了曲線復(fù)雜箱梁參數(shù)化建模這一技術(shù)難題。箱梁建模思路采用了中心線驅(qū)動(dòng)加參數(shù)化橫斷面的模式，對(duì)箱梁的外輪廓、內(nèi)腔、倒角、橫隔板等都采用了參數(shù)驅(qū)動(dòng)，可動(dòng)態(tài)修改箱梁的寬度、長(zhǎng)度、腹板厚度等信息，確保了箱梁建模的精確性，如圖5。

圖5 箱梁模型建立Fig. 5 Box girder model establishment

橋梁橋臺(tái)及橋墩采用Micro Station建立參數(shù)化橋墩或橋臺(tái)構(gòu)件(構(gòu)件的樁長(zhǎng)、樁徑、承臺(tái)長(zhǎng)等幾何參數(shù)及材質(zhì)參數(shù)皆可按實(shí)際調(diào)整)，并參照坐標(biāo)及支座高程放置在橋梁文件中。

1.2.5 其他部分模型

排水工程模型采用Power Civil中的排水模塊進(jìn)行制作。整體思路是先將各個(gè)檢查井作為節(jié)點(diǎn)，先插入到對(duì)應(yīng)的高程及坐標(biāo)位置，再設(shè)置不同的管道直徑，將各個(gè)節(jié)點(diǎn)連接起來，形成完整的排水工程。

附屬設(shè)置的布置采用Micro Station制作所有的交安及照明設(shè)施構(gòu)件，并參照附屬設(shè)施的平面布置圖，按照平面所在位置布置相關(guān)構(gòu)件。由于立交工程空間交叉復(fù)雜，在進(jìn)行附屬構(gòu)件布置時(shí)，容易造成錯(cuò)誤，因此在建立模型時(shí)應(yīng)提前規(guī)劃好文件結(jié)構(gòu)組成(筆者是以專業(yè)及結(jié)構(gòu)物段落來劃分)分別布置，模型完成后總裝，并附上衛(wèi)片貼圖后導(dǎo)入LumenRT軟件，如圖6。

圖6 立交模型總裝Fig. 6 Interchange model assembly drawings

2 立交BIM模型在設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用

BIM模型建立后，如何運(yùn)用模型才是BIM技術(shù)的重點(diǎn)，筆者主要論述在設(shè)計(jì)階段利用BIM技術(shù)對(duì)道路線行進(jìn)行優(yōu)化，并實(shí)現(xiàn)工程量統(tǒng)計(jì)和出圖功能，以及與VR技術(shù)結(jié)合。

2.1 道路線形優(yōu)化

2.1.1 利用實(shí)時(shí)更新的功能優(yōu)化路線方案

傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)在土方調(diào)整時(shí)整個(gè)過程繁瑣復(fù)雜，在設(shè)計(jì)過程中由于主要參考的縱斷面設(shè)計(jì)線，會(huì)出現(xiàn)大填大挖的情況。通過BIM模型的三維可視化、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新土方統(tǒng)計(jì)功能，對(duì)照三維模型橫斷面填挖土方量的實(shí)際情況來調(diào)整線形，達(dá)到工程土方平衡的目的。例如對(duì)蔡家大橋工程主線路基段K3+123.637—K3+561.672段(位于立交段范圍內(nèi))進(jìn)行縱斷面調(diào)整，根據(jù)調(diào)整后的土方平衡情況再進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化，調(diào)整后路基段土方總量由116 260 m3減少為66 912 m3，填挖相差由56 829 m3減少為8 915 m3，基本達(dá)到土方平衡目的，如圖7。BIM模型還有高程及土方分析功能，可對(duì)地形及工程模型進(jìn)行高程分析，并通過場(chǎng)地的高程，分析所建場(chǎng)地到地形所需挖填土方量，為前期路線方案及土方平衡提供參考依據(jù)。

圖7 土方調(diào)整Fig. 7 Earthwork adjustment

2.1.2 利用視距檢查功能優(yōu)化路線線形

城市道路停車視距是在路線設(shè)計(jì)過程中比較難以判斷的參數(shù)，傳統(tǒng)路線設(shè)計(jì)未考慮附屬結(jié)構(gòu)物在曲線段對(duì)視線的遮擋情況，因此會(huì)發(fā)生施工完成后道路視距不足的情況，但BIM模型是模擬的施工完成后的整體三維模型，可以準(zhǔn)確的利用BIM軟件視距檢查功能運(yùn)算出視距是否符合要求，根據(jù)CJJ 193—2012《城市道路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)最小視距和視線、障礙高的規(guī)定，對(duì)模型主線路基段進(jìn)行視距檢查，可根據(jù)檢查結(jié)果對(duì)線性進(jìn)行調(diào)整。

2.1.3 利用碰撞檢查功能優(yōu)化路線及管道線形

立交線路之間交錯(cuò)復(fù)雜，路、結(jié)構(gòu)、邊坡、管線專業(yè)之間交互設(shè)計(jì)較傳統(tǒng)單條道路更為復(fù)雜。碰撞檢測(cè)是BIM技術(shù)針對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)物的一項(xiàng)重要應(yīng)用。筆者對(duì)小灣立交雨水管道、污水管道以及橋梁下部進(jìn)行了碰撞檢測(cè)，解決了管道工程與橋梁下部結(jié)構(gòu)間存在的碰撞沖突，優(yōu)化路線平面線形設(shè)計(jì)，減少施工變更。由于建模時(shí)已將不同種類的模型建立在不同文件與特征中，檢測(cè)管道間的碰撞時(shí)只需將雨水管道放入A集，污水管道放入B集；檢查管道工程與橋梁下部結(jié)構(gòu)時(shí)，將雨水管道與污水管道放入A集，橋梁下部結(jié)構(gòu)放入B集，然后將A集與B集進(jìn)行碰撞檢測(cè)。檢測(cè)一共發(fā)現(xiàn)小灣立交雨水管道與污水管道有5處發(fā)生碰撞，管道工程與橋梁下部共發(fā)生2處碰撞，具體碰撞結(jié)果如圖8，并根據(jù)檢查結(jié)果對(duì)道路匝道平面線形進(jìn)行調(diào)整，避免碰撞的發(fā)生。

圖8 碰撞檢測(cè)Fig. 8 Collision inspection

2.1.4 利用三維可視化功能優(yōu)化路線線形及高程

立交設(shè)計(jì)由于線形復(fù)雜且空間相互交錯(cuò)，傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)由于其局限性，往往設(shè)計(jì)得較為保守，凈空會(huì)留有很大富余使工程量增加。而采用BIM輔助設(shè)計(jì)可以優(yōu)化線形，使立交設(shè)計(jì)更為合理，減少因保守帶來的工程量浪費(fèi)，并通過三維可視性，檢查調(diào)整后的凈空高度是否滿足規(guī)范要求，如圖9。

圖9 凈空檢查Fig. 9 Headroom inspection

在傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)過程中，立交段的匝道橋梁設(shè)計(jì)由于地形復(fù)雜，確定承臺(tái)標(biāo)高十分困難，因此承臺(tái)高度經(jīng)常超過實(shí)際地面高度。而根據(jù)BIM模型的三維可視化特點(diǎn)，可對(duì)模型橋梁下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行高程檢查，如圖10。龍溪河大橋Z6～Z8和Y9號(hào)橋墩承臺(tái)和樁基露出地面，可在設(shè)計(jì)階段依照檢查結(jié)果對(duì)道路縱斷面或橋墩的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，減少施工變更的發(fā)生。

圖10 橋墩高程檢查Fig. 10 Bridge pier elevation inspection

2.2 工程量統(tǒng)計(jì)及清單

傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)中工程量統(tǒng)計(jì)時(shí)，以道路為例，一般是以斷面法進(jìn)行計(jì)算。由于地形的復(fù)雜程度不同，其計(jì)算的誤差很大。而BIM模型工程量統(tǒng)計(jì)，是依據(jù)路基段和匝道橋梁段模型的橫斷面模板及參數(shù)化構(gòu)件的定義自動(dòng)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，從而得出不同廊道段精確的各項(xiàng)工程量數(shù)據(jù)。根據(jù)《公路工程工程量清單及計(jì)量規(guī)范》對(duì)清單項(xiàng)進(jìn)行構(gòu)件編碼，通過BIM軟件生成工程量Excel文件，使用VBA程序，對(duì)照相應(yīng)構(gòu)件編碼，把相關(guān)的工程量數(shù)據(jù)讀入對(duì)應(yīng)項(xiàng)的工程量清單中，完成符合現(xiàn)階段設(shè)計(jì)概預(yù)算要求的工程量清單，整個(gè)工作流程如圖11。

圖11 工程量信息編碼及清單編制Fig. 11 Engineering information coding and compiling the bill of quantities

2.3 三維出圖及深化

設(shè)計(jì)優(yōu)化完成后，可以通過BIM軟件對(duì)模型及構(gòu)件進(jìn)行局部平、立、剖分面，或?qū)⑷S構(gòu)件調(diào)整至需要的視角，加入尺寸標(biāo)注，即可對(duì)蔡家嘉陵江大橋項(xiàng)目BIM模型三維出圖。嘉陵江大橋項(xiàng)目包含道路、橋梁、隧道等專業(yè)，通過BIM模型出圖的內(nèi)容和標(biāo)注滿足現(xiàn)行規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)的要求，如圖12。

圖12 BIM模型Fig. 12 BIM model

2.4 VR虛擬現(xiàn)實(shí)

在設(shè)計(jì)方案匯報(bào)時(shí)，往往使采用傳統(tǒng)的二維總體圖紙進(jìn)行講解，由于立交結(jié)構(gòu)復(fù)雜交錯(cuò)，短時(shí)間內(nèi)很難將設(shè)計(jì)思路清晰的傳達(dá)給業(yè)主管理人員。BIM優(yōu)秀的三維可視化能力可在匯報(bào)時(shí)，將蔡家嘉陵江大橋BIM模型與VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，通過動(dòng)態(tài)漫游和三維展示，提升了BIM模型與業(yè)主管理人員之間的交互體驗(yàn)，使模型在整個(gè)使用和展示過程顯得更為直觀和具體化，并能更好的將設(shè)計(jì)意圖準(zhǔn)確的傳達(dá)給業(yè)主。

3 結(jié) 語(yǔ)

筆者結(jié)合重慶市蔡家嘉陵江大橋小灣立交項(xiàng)目，通過BIM模型的建立和應(yīng)用，對(duì)傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)成果進(jìn)行了優(yōu)化和調(diào)整。認(rèn)為將BIM技術(shù)應(yīng)用在立交工程上是具有實(shí)際價(jià)值的，且該技術(shù)的要點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)如下：

1)BIM模型的精確性決定了后續(xù)技術(shù)應(yīng)用的準(zhǔn)確性。對(duì)于立交工程這類專業(yè)多、空間交叉復(fù)雜的結(jié)構(gòu)物模型建立，應(yīng)提前規(guī)劃好建模思路，梳理出一個(gè)清晰的模型文件組成結(jié)構(gòu)，從而保證建立準(zhǔn)確的BIM模型；

2)BIM技術(shù)可以提高設(shè)計(jì)成果的質(zhì)量，依靠BIM模型優(yōu)秀的三維可視化性、實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)性和交互性的特點(diǎn)，檢查設(shè)計(jì)文件的準(zhǔn)確性，并通過BIM技術(shù)優(yōu)化道路路線的設(shè)計(jì)，減少變更及返工的發(fā)生；

3)在模型建立足夠精確和完整的條件下，BIM模型可以完成準(zhǔn)確的工程量計(jì)算，并可按照要求進(jìn)行出圖；

4)BIM模型在匯報(bào)時(shí)可更加直觀的展示整個(gè)立交項(xiàng)目的位置分布和空間交叉情況，使工程各方提升溝通效率，減少因理解不同造成的工期和資金的浪費(fèi)。