基于BIM的道路勘測設計實習改革探索研究

沈照慶，江昱山，段鑫鵬

（1.長安大學公路學院，陜西 西安 710064；2.西安市交通基礎設施智能化管理重點實驗室，陜西 西安 710000；3.陜西省交通基礎設施建設與管理數字化工程研究中心，陜西 西安 710000）

當前，我國高校的道路勘測實習主要分為室內作業和室外作業兩個部分。室內作業主要是利用CAD 及其衍生的二維道路設計軟件，如緯地、鴻業等專業軟件進行道路設計，之后在野外實地采用全站儀、水準儀、GPS-RTK 等設備進行實地放樣等工作。隨著信息化時代的到來，道路勘測的三維可視化、信息化、智能化[1-2]將成為未來道路勘測發展的主流。BIM 技術將傳統土木行業的二維平面設計推向了可視化三維設計[3]，通過BIM 技術得到的三維模型所包含的信息將遠遠多于傳統的二維圖紙，有效提升效率。同時BIM 技術的應用貫穿工程項目全生命周期，可系統地為施工、運營、養護階段提供數字化管理平臺，大大節約了項目成本[4-5]。然而BIM 技術在道路勘測方面的運用仍處于起步探索階段，為使高校道路橋梁專業學生接觸行業新技術并探索BIM 技術在道路勘測設計方面的應用，將BIM 技術融入道勘實習中具重要意義。

1 我國高校道路勘測實習的現狀及問題

現階段，我國各高校道路勘測實習所利用的設備及手段還未及時更新，尚保留傳統的方法技術，未充分利用新興技術手段。主要流程是對擬設計道路場地（實習地）進行踏勘，熟悉地形地貌和地物分布，之后在電子地形圖上根據給定的路線起終點及技術指標使用緯地、鴻業等道路設計輔助軟件進行選線及定線過程。根據所定路線，采用GPS-RTK、全站儀、水準儀等測設儀器進行道路中樁及斷面的放樣。

在道路設計的過程中，采用傳統的二維道路設計軟件，以緯地為例，存在以下缺點：

1）傳統的數字地形圖主要以等高線的形式表示地形的起伏變化情況，位于等高線之間的點的高程主要是通過擬合獲得，無法精確獲取其實際高程，有可能造成與實際結果不符合的狀況，影響工程量的計算以及設計員對地形的把控。

2）由于傳統地形圖對實際地形的把控與真實情況存在差異，故需要設計人員進行實地踏勘，以獲得真實的地形地物。對于學生野外實習，部分地形復雜地段可能存在危害人身安全的風險。

3）在縱斷面及橫斷面設計完成后，若需要對平面線形進行調整變動，縱斷面與橫斷面不會隨著平面線形的變動調整而實時調整更新，需要對縱斷面及橫斷面進行重新插值才可更新斷信息，有一定的滯后性，效率不高。

4）設計圖形實體不帶有反映設計對象特征的屬性信息[6]。

2 在道路勘測實習中應用BIM技術的實習模式

2.1 BIM 技術結合道勘實習理念

引進GPS、無人機、傾斜攝影等先進的測設技術建立太白實習基地實景模型，研究BIM 技術在道路勘測實習中的應用，改進當前的實習內容和實習模式。學生利用BIM 道路設計平臺進行道路設計，采用虛擬仿真軟件于其所設計道路上進行漫游瀏覽，從視距、線形等方面評價設計結果，體驗一個公路項目從設計到開放運行，并能從漫游瀏覽中發現道路設計所存在的問題和需要注意的要點。實習內容主要由以下部分組成：

1）無人機傾斜攝影地形實景建模。

2）利用PowerCivil 等BIM 軟件的進行道路三維設計，構建設計成果模型。

3）利用GPS-RTK、全站儀等測設設備，按照設計成果于現場實地放線。

4）收集現場放線的問題，對路線進行改正和調整。

5）最后導出可視化設計成果，與UC-win/Road結合，利用駕駛艙進行模擬駕駛。

在應用BIM 技術及傾斜攝影技術的實習模式下，可以提高道路勘測設計實習高科技含量，使學生更好地理解道路勘測設計的理論方法和掌握道路勘測的前沿技術，同時增加設計的趣味性，提高教學質量和效果。

2.2 實習前的準備與動員

實習前的動員，應讓學生了解實習主要流程、所應用的方法原理、所使用儀器設備的操作方法、實習考核管理機制以及最后的成果評定標準等[7]，并做好實習前安全教育工作。通過對往屆優秀成果及其他相關成果的展示，充分調動學生的積極性。

2.3 利用傾斜攝影構建太白實習基地實景模型

隨著我國社會經濟水平地不斷提高，信息技術發展迅速，地理信息技術也隨之不斷進步。傾斜攝影測量技術作為一種新的地理信息獲取技術，成為地理信息采集與三維實景建模的重要手段[8]。傳統的航拍影像采用垂直拍攝方式，無法系統地獲取拍測物側面信息及一些細節信息，具有一定的局限性。與傳統的垂直拍攝方式相比，傾斜攝影通過在飛行平臺上搭載多臺傳感器，從不同角度拍攝影像，利用GPS、姿態定位系統獲取飛行平臺拍攝時的姿態信息，對采集數據進行處理后生成三維模型。生成的三維模型能從多角度以高分辨率還原地物真實紋理，且嵌入了姿態位置信息使目標地物擁有更多位置信息，具有廣泛的應用前景[9]。

圖1 TIN 模型匹配影像要素

利用無人機于實習區域內采集覆蓋面足夠廣的、數量足夠充分的傾斜影像，將采集到的影像導入ContextCapture 處理軟件中，軟件通過對所采集的影像數據進行幾何校正、多視角聯合平差等流程后生成高密度點云，通過點云構建具有高程信息的三維TIN 地形模型，再將不同角度的影像按最佳貼合度自動匹配貼入TIN 模型中，最終生成實景模型（如圖1）。建成模型的精細程度取決于航拍影像的分辨率、重疊度和軟件計算算法[10]。

2.4 使用PowerCivil 進行道路幾何設計

PowerCivil 是奔特利（Bentley）公司旗下一款面向道路等基礎設施設計的專業軟件[11]，其應用Openroads技術，兼容dwg、dgn、3dm 等主流格式，輸出成果可與GIS 工具、地圖工具及CAD 工具等兼容，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。

使用PowerCivil 進行道路幾何設計的流程如圖2所示，具體操作步驟如下。在進行道路設計前，需要建立地形模型，PowerCivil 支持按文件（DEM、Tin、點云、文本文件、ASCII 文件等）、圖形過濾器、元素等多種方法創建地形模型，本文選用從已有的數字地形圖按圖形過濾器創建DTM（如圖3）。

圖2 PowerCivil 建模基本步驟

圖3 DTM 地形模型（三角網（左），光滑模型（右））

PowerCivil 提供了多種方法進行道路平面線形設計。積木法可將直線、緩和曲線、圓曲線組合在一起，是一種靈活的線形設計方式，尤其適用于地形復雜、曲線較多的路段。

在設計完平面線設計后，將參考的地面模型激活，進行縱斷面設計。PowerCivil 的縱斷面設計功能同樣提供了多種設計方式，包括按豎曲線單元創建、按交點創建和按最佳擬合定義縱斷面。按豎曲線單元創建縱斷面與平面線形設計中的積木法類似，也是將多種曲線要素靈活組合以適應地形變化。同時，PowerCivil支持在一個設計文件內，一條平面線形擁有多種縱斷面設計方案。只需激活指定縱斷面，便可在三維視圖中得到道路平縱面三維線形，在生成道路廊道后還可直觀地顯示出道路填挖方邊坡，學生可根據需要快速便捷地進行縱斷面方案比選。平面線形以及縱斷面線形設計完成后，進行橫斷面設計。進行橫斷面設計時，先要準備一個橫斷面模板。PowerCivil 的模板庫中自帶各種公路、市政道路、橋梁斷面以及隧道斷面模板，用戶也可以根據自身需求，自行創建橫斷面模板，定義各個結構層材料特征以及幾何屬性。創建橫斷面模板后，選擇平面線及激活的縱斷面線生成道路廊道，廊道生成后即可根據橫斷面模板建立三維路面模型。最后，將生成的模型導入LumenRT 軟件生成三維漫游展示，增加成果的生動性和趣味性，如圖4 所示。

圖4 簡單的道路三維模型

在完成平縱橫設計后，可以很清晰地看到道路三維幾何情況，更好地發現道路設計中存在的一些問題。若需要對線形進行調整，可直接在三維視圖下對道路線形進行調整，調整后的線形會立即同步到三維模型中，無需像傳統二維設計軟件一樣重新進行斷面插值。

2.5 在野外進行GPS-RTK+全站儀進行路線放樣

GPS-RTK 技術事宜載波相位為根據的實時差分定位技術[12]，以其高精度、實時性、快捷性及易用性等優勢[13]已在工程測量中得到廣泛的應用。利用GPSRTK 進行道路放樣，觀測點之間是否通視不再是制約因素，可有效解決因地形、地物遮擋而導致的通視不良問題。但其使用條件也存在一定限制性，如周圍障礙物多、信號干擾強，都會對其定位精度產生影響。全站儀的局限性在于其對與點之間的通視要求高，在地形復雜地段，易被遮擋視線，無法放樣。若野外實地放樣采用GPS-RTK 結合全站儀一體化的模式，充分發揮GPS-RTK 與全站儀的優勢特點，彌補各自不足之處，使路線放樣的效率與精度都得到提升。實習時，配備專職教師全程跟隨輔導，對學生在儀器的使用方面及測設方法上進行指導的同時，確保學生的人身安全并考核學生出勤狀況。

2.6 BIM+道路勘測實習模式的優越性

1）利用傾斜攝影技術，采用軟件ContextCpture生成太白實習基地的實景模型，對野外部分危險地形，利用傾斜攝影建模技術進行展示，在室內高效、安全地達到傳統現場踏勘得到的效果。

2）采用PowerCivil 設計軟件以及Openroads 技術，使道路平縱線形設計更加協調。支持在三維模式下修改道路幾何線形，路線設計考慮更加全面，調整更加便捷。

3）采用LumenRT 軟件進行道路虛擬可視化，未來可以利用VR 設備使學生最大程度上在安全的環境下進行道路漫游，體驗設計成果。

4）采用室內+室外+室內的教學模式，充分利用場地資源和設備，在安全性可靠的前提下使教學成果最大化。

3 成果驗收及考核方式

在教師指導軟件操作流程并分發指導手冊后，立即開展設計階段，將使學生的理論知識得到鞏固[14]。設計階段，每位學生獨立完成完整的道路設計，確保對道路設計流程及BIM 設計軟件的掌握。完成設計后每人利用基地多媒體設施進行設計成果匯報及展示，一個班挑選出5 個優秀設計，按照優秀設計的方案分成對應數量的小組。分組機制按照學生《道路勘測與設計》課程成績進行，保證每個小組內成績排名前20%、20%～80%及80%以后的學生按照1∶3∶1 的比例分布[15]。在野外實地放樣階段，以小組的形式分工配合，小組成員輪流熟悉儀器及放樣步驟，每個班配備2 到3 名教師進行指導監督，確保每個人都切實參與并考核個人貢獻度。根據道路設計及實地放樣成果撰寫實習報告，并附上體現個人貢獻度的照片或其他憑證作為考核依據。實習成績根據出勤情況、道路方案設計、個人貢獻度、實習報告的撰寫及其他成果綜合考慮，最后按20%優秀、30%良好、30%中等、15%合格及5%不合格的比例標準來評定成績。

4 結 語

BIM 技術在我國道路勘測設計方面的應用才剛剛起步，積極探索BIM 技術在道路勘測方面的應用，提出BIM 技術與道勘實習結合的模式。充分利用傾斜攝影、實景建模等新興勘測設計技術以及新的道路設計平臺，合理利用高校資源服務學生。將道路勘測設計前沿技術引入學生實踐教學中，引導路橋專業學生探索BIM 技術在道路勘測方面的應用，從實習中獲得啟發，對我國道路勘測實習的革新具有借鑒意義。