BIM技術(shù)在西安外環(huán)高速公路設(shè)計中的探索與實(shí)踐

潘鵬飛，宋 飛

(陜西省交通規(guī)劃設(shè)計研究院，陜西 西安 710065)

0 引 言

公路工程設(shè)計涉及多個專業(yè)，具有規(guī)模大、設(shè)計復(fù)雜、建設(shè)周期長、施工環(huán)境多變等特點(diǎn)。隨著國家總體經(jīng)濟(jì)發(fā)展變化，建設(shè)者越來越注重道路工程設(shè)計的科學(xué)性、合理性、經(jīng)濟(jì)性及協(xié)調(diào)性[1]。傳統(tǒng)二維設(shè)計手段已難以滿足當(dāng)前國家層面的高標(biāo)準(zhǔn)要求和期望，迫切需要采用新的技術(shù)提高設(shè)計質(zhì)量。交通運(yùn)輸部于2017年發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)公路水運(yùn)工程BIM技術(shù)應(yīng)用的指導(dǎo)意見》，明確了公路工程中BIM技術(shù)的定位與方向[2]。本文以西安外環(huán)高速公路南段為依托，結(jié)合項目特點(diǎn)與需求，制定建模標(biāo)準(zhǔn)流程與規(guī)則、質(zhì)量保證措施及出圖標(biāo)準(zhǔn)；建立三維實(shí)景模型，提供精確的現(xiàn)實(shí)環(huán)境背景；選取隧道、橋梁、立交3處重要工點(diǎn)進(jìn)行BIM設(shè)計；從4個方面闡述本項目BIM應(yīng)用效果，可為同類施工提供借鑒。

1 工程概況

西安外環(huán)高速公路南段是陜西省高速公路網(wǎng)規(guī)劃的重要組成部分，與已建成的西咸北環(huán)線共同組成大西安環(huán)形交通圈。本項目被列為交通運(yùn)輸部BIM技術(shù)應(yīng)用典型示范工程，是陜西省公路行業(yè)首次全過程采用BIM技術(shù)并對關(guān)鍵工點(diǎn)進(jìn)行精細(xì)化模型創(chuàng)建的建設(shè)項目。

1.1 本項目設(shè)計階段BIM 應(yīng)用目標(biāo)

選取重點(diǎn)段落實(shí)現(xiàn)隧道、橋梁、立交BIM設(shè)計，提交滿足BIM信息化管理要求的工程信息模型；充分發(fā)揮BIM技術(shù)在工程應(yīng)用方面優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)安全、高效、可持續(xù)的新型設(shè)計方式，為項目實(shí)施提供技術(shù)指導(dǎo)；研究基于BIM模型的制圖方法與流程，完成BIM施工圖出圖工作，提高設(shè)計產(chǎn)品質(zhì)量。

1.2 建模精度與設(shè)計軟件

參考《公路工程信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》和《公路工程信息模型設(shè)計應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》，初步設(shè)計階段建模精度為LOD2.0，施工圖設(shè)計階段建模精度為LOD3.0。設(shè)計平臺以Bentley系列軟件為主，鴻業(yè)軟件為輔。

2 BIM設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化

BIM技術(shù)主導(dǎo)的設(shè)計產(chǎn)品主要為三維模型，模型質(zhì)量即代表設(shè)計質(zhì)量，并影響由三維模型生成的圖紙質(zhì)量。一方面，模型的質(zhì)量取決于造型、結(jié)構(gòu)、位置、顏色、圖層等信息；另一方面，從BIM應(yīng)用成本上看，需要在模型精度和數(shù)據(jù)量之間找到平衡點(diǎn)。建立模型質(zhì)量管理標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)整個設(shè)計過程，使設(shè)計的模型滿足三維展示、設(shè)計出圖及信息傳遞等需求，且具備可操作性。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)化定義

首先是建模環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)化。建模軟件的工作空間必須惟一，使模型的圖層、標(biāo)注、字體、斷面庫、切圖規(guī)則及圖框等設(shè)計元素保持統(tǒng)一。構(gòu)造物橫斷面庫和設(shè)備模型庫的建立保證不同的設(shè)計人員的風(fēng)格一致，且模型的工程屬性和外形尺寸準(zhǔn)確無誤。在專業(yè)內(nèi)部和專業(yè)間協(xié)同工作時，統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)使相關(guān)模型及數(shù)據(jù)保持一致，便于管理員維護(hù)軟件后臺環(huán)境和數(shù)據(jù)庫。

其次是模型文件的組織模式標(biāo)準(zhǔn)化。模型文件的組織模式包含工程項目中單項工程的劃分、專業(yè)內(nèi)部設(shè)計內(nèi)容劃分及模型分裝與總裝方式。在設(shè)計過程中，按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則建立的設(shè)計文檔體系可以直觀反映工作內(nèi)容和協(xié)同組織形式。

2.2 模型匯總規(guī)則

本項目涉及6個專業(yè)，每個專業(yè)又細(xì)分為單項工程，這些設(shè)計模型需要經(jīng)過專業(yè)匯總、單項分裝和項目總裝三級模型拼裝，需要對相關(guān)的參考和匯總操作進(jìn)行規(guī)范，才能保證整體三維模型的正確布置。

專業(yè)匯總文件中應(yīng)僅出現(xiàn)本專業(yè)繪制的模型，在繪制模型時參考的各類文件都不應(yīng)在匯總文件中出現(xiàn)。在做單項分裝及項目總裝時，根據(jù)需要添加參考文件，對于參考文件本身不應(yīng)進(jìn)行任何操作，并嚴(yán)禁把參考文件與主文件合并或把參考文件復(fù)制到設(shè)計文件中。為保證各專業(yè)嵌套參考層級數(shù)一致，若有專業(yè)的匯總嵌套層級較低時，則按照最大層級原則添加1個匯總文件進(jìn)行參考。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)建模方法

2.3.1 半?yún)?shù)化建模

利用軟件自帶功能，通過輸入外形尺寸和工程屬性等參數(shù)，自動生成道路、橋涵、隧道主體及部分設(shè)備模型。由于生成的模型樣式不能隨意修改，因此建模時應(yīng)核實(shí)輸入?yún)?shù)信息的準(zhǔn)確性，同時加強(qiáng)生成模型的外形、樣式和屬性等正確性核查，并確認(rèn)每個模型是否放置在預(yù)設(shè)好的圖層上。另外，如果建立參數(shù)化模型時需要使用輔助線，應(yīng)將輔助線設(shè)置成構(gòu)造線樣式，便于模型修改。模型庫和斷面庫應(yīng)由專業(yè)人員配置和維護(hù)，其他設(shè)計人員若需更改，應(yīng)按照已制定的模型庫及工作空間配置的工作流程提交需求。

2.3.2 自定義建模方法

軟件自帶功能通常不能滿足設(shè)計過程的全部需求，尤其在當(dāng)前公路領(lǐng)域的三維協(xié)同設(shè)計過程中，用戶自定義模型占相當(dāng)大比例。自定義構(gòu)件建立過程與參數(shù)化建模類似，但需在軟件中提前設(shè)置模型的外形和工程屬性。

2.3.3 三維實(shí)體造型

根據(jù)二維圖紙繪制三維模型，或直接繪制大概的三維模型再進(jìn)行精確修改。此類模型的外形尺寸精度要求較高，模型應(yīng)先導(dǎo)入模型庫中，再由模型庫中調(diào)用并進(jìn)行布置。隨著模型庫的逐漸豐富，應(yīng)針對每一類模型建立標(biāo)準(zhǔn)的建模流程文檔，以保證同一類模型的建模方式一致，便于模型修改和批量創(chuàng)建模型，減少人為因素造成的模型差異，同時為參數(shù)化建模的二次開發(fā)提供基礎(chǔ)資料。

2.4 BIM圖紙

BIM圖紙的總體概念是三視圖與軸測圖的有機(jī)結(jié)合，BIM圖紙應(yīng)合理設(shè)置色彩區(qū)分和透明度，使BIM手段下的設(shè)計圖紙成為“三維設(shè)色設(shè)計圖紙”。色彩設(shè)置應(yīng)注重讀者的心理需求，注重美學(xué)表達(dá)，分不同情況，合理統(tǒng)一色系或強(qiáng)調(diào)反差，白鹿原隧道BIM施工圖見圖1。

3 BIM設(shè)計應(yīng)用

3.1 實(shí)景建模

借助實(shí)景建模技術(shù)，通過無人機(jī)采集數(shù)據(jù)，獲取反映真實(shí)地形和建設(shè)環(huán)境的實(shí)景模型。利用ContextCapture軟件分析數(shù)據(jù)并生成三維實(shí)景模型，在項目的整個生命周期內(nèi)為設(shè)計、施工和運(yùn)營決策提供精確的環(huán)境背景，實(shí)景模型與構(gòu)造物融合樣例見圖2。

圖2 實(shí)景模型與構(gòu)造物融合樣例

3.2 白鹿原隧道

白鹿原隧道設(shè)計全幅長2 772 m，最大埋深為135 m，斷面面積為192.3 m3，為國內(nèi)單洞斷面面積最大的三車道黃土隧道。PenRoads Designer軟件實(shí)現(xiàn)高程點(diǎn)數(shù)據(jù)生成三維地型模型，由地勘鉆孔及地質(zhì)剖面數(shù)據(jù)生成三維地質(zhì)模型。地質(zhì)模型可以任意切取地質(zhì)剖面，查詢地質(zhì)屬性，指導(dǎo)支護(hù)參數(shù)合理選用，地形模型和地質(zhì)模型見圖3。

圖3 地形模型和地質(zhì)模型

結(jié)合地質(zhì)條件，該隧道采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，即初期支護(hù)+二次襯砌的形式。初期支護(hù)采用噴射混凝土+系統(tǒng)錨桿+鋼筋網(wǎng)+型鋼支撐的綜合防護(hù)系統(tǒng)，二次襯砌采用整體模筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。通過參數(shù)化設(shè)計橫斷面模板，分圖層與構(gòu)件進(jìn)行材質(zhì)定義，基于空間路線中心線建立三維模型。由OpenRoads Designer軟件建立隧道初噴二襯主體模型，在ProStructures軟件中完成主體鋼骨架模型。模型中每個構(gòu)件都含有工程信息，統(tǒng)計工程量不再需要手工計算，可實(shí)現(xiàn)自動生成工程數(shù)量表[3-4]。隧道初噴、二襯鋼骨架模型見圖4。

圖4 隧道初噴、二襯鋼骨架模型

3.3 陶峪河大橋

陶峪河大橋全長525 m，上部結(jié)構(gòu)主橋采用42 m鋼箱梁，引橋采用25 m預(yù)應(yīng)力小箱梁，下部結(jié)構(gòu)為門架墩、柱式墩、柱式臺、肋式臺及鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

在橋梁結(jié)構(gòu)中重復(fù)出現(xiàn)的基本單元被定義為構(gòu)件模型。按照用途和所處位置劃分，本橋定義并建立了28種上部構(gòu)件，72種下部構(gòu)件和14種附屬構(gòu)件。采用MicroStation軟件建立混凝土結(jié)構(gòu)，在ProStructures軟件中完成混凝土配筋。建立的混凝土、鋼筋、鋼束及鋼板等均按照工程材料、工程屬性、工程量等賦予工程信息，使構(gòu)件庫形成信息模型，為總裝后的總體模型提取工程量建立基礎(chǔ)。圖5為25米小箱梁中跨中梁構(gòu)件。

圖5 25米小箱梁中跨中梁構(gòu)件

采用OpenBridge Modeler軟件進(jìn)行全橋拼裝，導(dǎo)入緯地數(shù)據(jù)，建立三維設(shè)計路線，并完成全橋定位軸網(wǎng)。依照道路空間曲線，將全部構(gòu)件定位基線繪制出來，再將構(gòu)件庫通過旋轉(zhuǎn)、平移到基線位置，實(shí)現(xiàn)空間定位和組裝。圖6為與實(shí)景融合的陶峪河大橋俯視效果。

圖6 與實(shí)景融合的陶峪河大橋俯視效果

3.4 藍(lán)田南立交

藍(lán)田南互通式立交為樞紐立交，含橋梁12座，涵洞6道，通道10道，天橋1座。利用高程點(diǎn)數(shù)據(jù)構(gòu)建地面模型，按照相關(guān)規(guī)范的要求，確定主線、匝道的平、縱、橫指標(biāo)，采用鴻業(yè)路易軟件和Bentley系列軟件建立相應(yīng)的三維路線模型。對于立交連接部設(shè)計，采用自定義互通立交連接部設(shè)計功能，先錄入出入口類型、小鼻端位置等屬性信息，再根據(jù)已有的立交平面圖拾取大鼻端位置、主線偏置過渡段、匝道偏置過渡段、行車道拓寬段及路基拓寬段等信息，從而生成立交模型。參數(shù)化定制橋梁上、下部結(jié)構(gòu)模型，按照橋梁起終點(diǎn)樁號、橋梁名稱、跨徑組合等屬性信息組合生成橋梁模型。錄入護(hù)欄和防眩板的規(guī)格、幾何尺寸、避光角度、設(shè)計間距等參數(shù)，進(jìn)行交安實(shí)施模型的生成。合理選取軟件模型庫中標(biāo)志牌結(jié)構(gòu)模型，填寫版面信息，依照道路模型作為參考進(jìn)行放置。最后在MicroStation中將立交模型和實(shí)景模型進(jìn)行總裝，輸出到LumenRT軟件中賦予材質(zhì)信息并添加車流后進(jìn)行渲染，進(jìn)而整體漫游展示。圖7為與實(shí)景融合的藍(lán)田南立交模型渲染效果。

圖7 與實(shí)景融合的藍(lán)田南立交模型渲染效果

4 BIM技術(shù)應(yīng)用效果

相較于傳統(tǒng)二維設(shè)計手段，BIM技術(shù)的直觀性、可視性、準(zhǔn)確性、功能性等優(yōu)勢在本項目設(shè)計中得以充分體現(xiàn)。

4.1 路線方案可視化比選

隨著BIM技術(shù)發(fā)展，路線方案比選和設(shè)計也逐步由二維平面向三維實(shí)體轉(zhuǎn)變。通過BIM設(shè)計方案模型，能夠在同一場景下，直觀地實(shí)現(xiàn)不同方案對比，定義不同影響因素的權(quán)重以建立決策模型，快捷評估各備選方案，并通過各備選方案的優(yōu)劣排序找出最佳方案。

4.2 碰撞檢查

立交信息模型能夠準(zhǔn)確量測道路與周圍地物之間空間關(guān)系、道路凈空、凈寬等數(shù)據(jù)，并能通過預(yù)警功能及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計過程中的差錯，實(shí)現(xiàn)碰撞檢查，保證設(shè)計質(zhì)量。圖8為立交區(qū)設(shè)計錯誤核查示意。

圖8 立交區(qū)設(shè)計錯誤核查示意

4.3 客貨分流

為避免危險品車輛進(jìn)入秦嶺終南山隧道，在設(shè)計過程中，提出客貨分流方案，為危險品車輛設(shè)置專用匝道。通過BIM設(shè)計，能夠清晰模擬出各種客貨分流方案，方便專家的決策和判讀。

4.4 視距分析

本例實(shí)現(xiàn)全線自動化逐樁視距核查，可選取任意路線段落，逐樁核查視距、平縱組合等問題，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的疏漏與隱患，大幅提高設(shè)計可靠度。根據(jù)《公路立體交叉細(xì)則》中主線距合流鼻端100 m，匝道距合流鼻端60 m形成通視三角形的規(guī)定進(jìn)行端部視距核查，可視化分析視距，此項功能是傳統(tǒng)手段難以實(shí)現(xiàn)的。

5 結(jié) 語

通過BIM數(shù)字化建模，基礎(chǔ)模型不僅是幾何數(shù)據(jù)模型，還包括設(shè)計過程多目標(biāo)協(xié)調(diào)所體現(xiàn)的信息，如規(guī)范符合性、設(shè)計連續(xù)性及交通安全影響等。BIM設(shè)計較二維設(shè)計在直觀性和圖紙算量準(zhǔn)確性方面都有一定的優(yōu)勢。

基于BIM技術(shù)能直觀展示設(shè)計內(nèi)容，通過方案比選優(yōu)化設(shè)計；利用碰撞檢查及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計錯誤，保證設(shè)計質(zhì)量；BIM模型為施工建造提供信息基礎(chǔ)，避免判讀二維圖紙容易出現(xiàn)的偏差，提高工程質(zhì)量和施工效率，提升項目管理水平。

BIM技術(shù)的核心在于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的可傳遞性，使不同參與方進(jìn)行信息交換，當(dāng)前三維設(shè)計軟件尚無法完全實(shí)現(xiàn)BIM數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用。公路行業(yè)缺乏明確而權(quán)威的BIM標(biāo)準(zhǔn)格式，建立完整標(biāo)準(zhǔn)體系，包括技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)，是目前行業(yè)內(nèi)BIM技術(shù)發(fā)展的極大制約。