既有公路BIM模型構件拆分編碼與三維模型建立研究

胡洪龍

(中設設計集團股份有限公司 南京 210014)

建筑信息模型(building information modeling,BIM)技術可加快實現公路行業從前期規劃到設計施工再到養護運維的全壽命周期的數字化、智能化的時代發展趨勢，因此，近年來逐漸成為行業研究的熱點，大量學者對其進行了探索性的研究。程興園[1]、徐高豐[2]、劉釗[3]等對公路設計階段的BIM模型參數化建模、信息化管理和優化、工程量統計和方案比選等的應用進行了研究探討；施萌[4]針對BIM應用存在手動建模、參數化程度低、聯動性差等問題,闡述了Dynamo編程與Revit軟件相結合的建模技術；張裕超[5]拓展了BIM在橋梁施工中的建模功能，解決了鋼筋間的碰撞與沖突等問題，發揮了BIM對施工現場的指導作用；王英[6]依托塞拉利昂公路項目開展了BIM技術在施工圖設計、施工模擬等方面的應用，探討了全生命周期BIM應用的可行性及必要性。

以上研究主要針對新建公路，而實際上截止到2018年年底，全國既有公路通車總里程已超過477萬km，BIM技術在既有公路的應用前景更加廣泛。不同于新建公路，既有公路BIM技術應用需專注于養護運維階段的實際需求。目前養護運維階段BIM技術的推廣應用主要存在以下2個問題：①養護運維階段BIM需求不明確，造成BIM價值點體現不夠充分；②既有公路體量龐大，尚缺乏經濟快速的建模方法，致使既有公路BIM應用缺乏最基本的模型。

本研究從養護運維階段BIM應用的實際需求角度，對BIM模型構件拆分、編碼結構及規則、建模技術等進行研究，以期首先解決既有公路BIM模型快速經濟的建立問題。

1 既有公路BIM模型構件拆分原則及結果

既有公路BIM模型建立時主要涉及道路工程(包括路基路面、支護、排水設施、交通安全設施等)和橋梁工程2個專業。

道路工程BIM模型構件拆分首先根據功能體系的不同，分為路基、路面、支護、排水設施、交通安全設施5個部分；然后按照不同結構的功能屬性或特點進行細化；最后按照主體及附屬的層級，根據材料類型、力學性質、養護需求的區別進行構件級的拆分。拆分結果見表1。

橋梁工程BIM模型構件拆分首先按照結構體系的不同分為梁式橋、拱式橋、斜拉橋、懸索橋等4種基本結構；然后將橋梁主體分為上部結構、下部結構和附屬三大部分；最后根據材料類型、力學性質、養護需求的區別進行構件級的拆分。由于篇幅所限，這里僅給出了梁式橋的拆分結果(下同)，既有公路BIM模型構件拆分結果表見表1。由于橋梁結構形式多變，實際拆分時可根據橋梁情況參照上述原則來確定合適的方法。

表1 既有公路BIM模型構件拆分結果

2 既有公路BIM模型構件編碼結構及規則

我國GB/T 51269-2017 《建筑信息模型分類和編碼標準》[7]編碼規則規定：編碼結構應包括表代碼、大類代碼、中類代碼、小類代碼和細類代碼5層，各級代碼應采用2位阿拉伯數字表示。本研究參照GB/T 51269-2017 《建筑信息模型分類和編碼標準》中的編碼體系，從公路養護階段BIM應用的實際需求出發，將編碼結構從5層擴展到6層，表代碼與GB/T 51269-2017 《建筑信息模型分類和編碼標準》保持一致，大類碼中的01代表道路、02代表橋梁，在“細類層級”后增加“細目層級”，以滿足道橋工程模型構件拆分結果的要求，既有公路BIM模型構件編碼結構見圖1，限于篇幅，僅列舉既有公路橋梁專業BIM模型構件編碼見表2。

圖1 既有公路BIM模型構件編碼結構

表2 既有公路橋梁專業BIM模型構件編碼

續表2

元素編號大類中類小類細類細目14-02.10.06.02.00鋪裝層14-02.10.06.04.00護欄14-02.10.06.04.02水泥混凝土護欄14-02.10.06.04.04鋼波紋管護欄14-02.10.06.06.00伸縮縫14-02.10.06.08.00支座系統14-02.10.06.08.02支座14-02.10.06.08.04墊石14-02.10.06.08.06擋塊

3 既有公路BIM三維建模軟件的選取及建模總體思路

模型是BIM技術應用的基礎，目前國內外主流的BIM軟件平臺主要有Autodesk、Bentley、Dassault 3家，主流建模平臺、軟件的比較表見表3。

表3 主流建模平臺、軟件的比較

由于目前國內外尚無專門針對公路建模的BIM軟件，因此在建立涉及多專業的公路BIM模型過程中，需利用不同軟件的優勢采用“分別建模，統一整合”的方法將不同專業的模型整合為1個模型。

Autodesk平臺通用性強、易于操作，考慮到既有公路BIM模型的精度較新建公路BIM模型的精度低等因素，本研究選取Autodesk平臺軟件Civil 3D和Revit進行道橋主體的建模工作。

具體而言，首先采用Civil 3D軟件進行既有道路模型的建模工作，將其文件格式保存為.fbx形式；然后利用Revit軟件開發橋梁、交通附屬設施等的族庫，進行橋梁的建模工作；最后將道路模型導入到Revit軟件中，與橋梁模型進行整合，并放置交通附屬設施模型。

4 工程案例

4.1 工程簡介

某省道于2016年建成通車，采用一級公路標準建設，設計車速 100 km/h，路基寬26 m。在該省道選取K5+000-K6+000的路段進行了示范工程的建模工作，該段內包含橋梁1座，橋梁中心樁號為K5+500，設計角度120°，橋梁上部結構采用3×20 m先張法預應力混凝土空心板梁，全橋共1聯。

4.2 道路模型創建

道路模型采用Civil 3D軟件創建。首先，依據原始CAD數據文件，提取該段地形對應的道路中心線，基于項目斷面形式，按照既有公路BIM模型構件拆分結果，創建道路斷面裝配，包含路基、路面、附屬物等；然后，利用Civil 3D軟件的道路功能生成道路實體，同時分幅創建、導出對應的三維實體模型；最后，將導出的三維實體模型轉化為Revit族文件，并保存為.fbx格式。

4.3 橋梁族庫開發與模型創建

橋梁模型采用Revit軟件創建，項目原點定位為橋梁中心樁號K5+500，項目高程對應1985國家高程。

根據本橋梁的實際情況，按照既有公路BIM模型構件拆分結果，創建橋梁族庫：①橋墩族(包含樁基、墩柱、蓋梁)；②左右幅橋臺族(包含樁基和橋臺上部構件)；③預制空心板梁；④橡膠支座；⑤橋梁伸縮縫；⑥墻式護欄；⑦防眩板等。橋梁族庫見圖2。

圖2 橋梁族庫

族庫開發后根據各構件的特征點或定位點放置構件。橋面鋪裝層使用樓板創建，創建后在鋪裝層上放置護欄、防眩板等附屬設施。

4.4 交通附屬設施族庫開發

創建交通附屬設施族庫：①常規兩波波形護欄；②三波波形護欄；③百米樁；④里程樁；⑤道路標識標牌(限載標牌、橋標牌、道路指引標牌)；⑥路燈等。交通附屬設施族庫圖見圖3。

圖3 交通附屬設施族庫

4.5 模型整合

在Revit軟件里導入并放置道路實體模型、放置附屬設施模型，并調整材質設置和顯示樣式，完成整個模型的創建工作。整合后的路段模型見圖4。

圖4 路段模型

經整合后的BIM模型包含公路工程各專業的BIM模型構件，可在此基礎上進一步開發基于BIM技術的公路養護管理系統、開展科學養護管理和決策，能夠滿足公路養護管理人員的工作要求。

5 結論

1) 既有公路BIM模型建模與新建公路BIM建模有較大差異，BIM模型構件拆分時除應考慮功能或結構體系、結構屬性、材料類型、力學性質等因素外，還應著重考慮養護階段的實際需求。

2) 建筑行業的5層編碼體系(表代碼、大類代碼、中類代碼、小類代碼、細類代碼)無法滿足既有公路BIM模型拆分及養護階段BIM應用的實際需求，建議既有公路的編碼結構體系應在“細類層級”后增加“細目層級”，從5層擴展到6層。

3) 目前國內外尚無專門針對公路工程建模的BIM軟件，因此在既有公路BIM模型的建立過程中，建議利用不同建模軟件的優勢，采用“分別建模，統一整合”的方法進行建模，建模結果能夠滿足養護應用場景與BIM技術進一步融合開發應用的要求。