基于BIM技術(shù)的道路三維設(shè)計方法研究

張元峰

（1.中國公路工程咨詢集團有限公司,北京 100189; 2.中咨華科交通建設(shè)技術(shù)有限公司,北京 100039）

0 引言

BIM 指建筑信息模型（Building Information Modeling），是一種新型工程建設(shè)理念，給工程行業(yè)的設(shè)計效率和設(shè)計水平帶來了巨大的提升，并可以大幅節(jié)約工程造價。目前，BIM技術(shù)主要應(yīng)用在工民建領(lǐng)域，在基礎(chǔ)交通設(shè)施領(lǐng)域的應(yīng)用較少。隨著BIM理論的不斷成熟，國內(nèi)外很多學(xué)者和工程技術(shù)人員開始關(guān)注BIM技術(shù)在路橋項目中的應(yīng)用，并取得了很多先進成果。但是，并未形成系統(tǒng)性的理論或規(guī)范來指導(dǎo)道路工程的設(shè)計[1]。同時，相對于建筑工程，道路工程建設(shè)里程長、涉及專業(yè)多、勘測數(shù)據(jù)量大、設(shè)計難度大。因此，進一步研究BIM技術(shù)在道路設(shè)計中的具體應(yīng)用有十分重要的工程意義。

1 BIM技術(shù)特點及應(yīng)用平臺選擇

1.1 BIM技術(shù)特點

BIM技術(shù)并不是某個特定軟件。BIM是以三維建模技術(shù)為核心，以可視化的形式對各種工程項目進行模擬，即利用BIM將不同專業(yè)的項目信息整合在三維數(shù)據(jù)模型中，以提高設(shè)計水平。

在工程項目設(shè)計時應(yīng)用BIM技術(shù)主要具有以下優(yōu)勢[2]：①可視化。目前，公路工程在設(shè)計時主要是利用二維線條來表示各種構(gòu)造物，直觀性較差，難以清楚地向業(yè)主展示設(shè)計方案和設(shè)計意圖。BIM技術(shù)可以將公路上的路基、橋梁、隧道、交通設(shè)施等進行三維可視化，以清晰地展示各構(gòu)造物的空間邏輯關(guān)系、構(gòu)件內(nèi)部結(jié)構(gòu)等信息；②協(xié)同性。公路工程涉及的專業(yè)較多，信息繁雜，各專業(yè)的協(xié)同貫穿整個設(shè)計階段。如果在設(shè)計期間各專業(yè)溝通交流不暢，可能出現(xiàn)各種鋼筋打架、管道沖突、工程量重復(fù)計量等問題，造成大量設(shè)計變更，嚴重浪費時間和人力。BIM技術(shù)可提前對工程進行碰撞檢查，實時修改項目數(shù)據(jù)文件，減少工程返工；③模擬性。BIM技術(shù)不應(yīng)只作為翻模軟件，在3D模型上加入時間進度信息，就能進行施工進度、施工風(fēng)險等4D模擬。再加入成本造價信息，還可以進行5D模擬，便于在設(shè)計階段加強對項目成本的控制；④工程量統(tǒng)計。傳統(tǒng)概預(yù)算文件編制是基于設(shè)計人員提供的工程量，需要造價人員和預(yù)算人員反復(fù)溝通。而BIM模型中的各個構(gòu)件設(shè)計參數(shù)都可以按照實際輸入，將這些參數(shù)和專業(yè)造價軟件結(jié)合后能快速、準確地導(dǎo)出工程量，大大提高了造價人員工作效率。

1.2 BIM技術(shù)平臺選擇

BIM技術(shù)應(yīng)用在道路設(shè)計中并不能只依靠某一個軟件，而是需要多種軟件協(xié)作交互，共同完成設(shè)計任務(wù)。選擇BIM技術(shù)平臺的核心就是選擇建模軟件，在交通領(lǐng)域，Autodesk和 Bentley公司的解決方案較為完善，具體對比見表1。

綜上，Autodesk平臺能夠和CAD數(shù)據(jù)互通，市場占有率高、開放性好、可編輯性強，且在國內(nèi)學(xué)習(xí)資料多，學(xué)習(xí)成本低，該文建議將Autodesk公司的產(chǎn)品作為道路三維設(shè)計平臺，并以Civil 3D為核心建模軟件[3]。

2 基于BIM技術(shù)的路線形設(shè)計方法

2.1 工程概況

2.1.1 建設(shè)標準

該文以某高速公路項目為研究對象，利用Civil 3D軟件，探討B(tài)IM技術(shù)在道路設(shè)計中的具體應(yīng)用。

該高速公路全長45.5 km，路線起訖樁號為K0+000～K45+500，設(shè)計速度為100 km/h，設(shè)計荷載為公路I級，主線為雙向4車道，路基橫斷面寬度27 m，其中中間帶寬 4.5 m，行車道寬 2×2×3.75 m，硬路肩寬 2×3 m，土路肩寬2×0.75 m。瀝青路面結(jié)構(gòu)厚82 cm，路面結(jié)構(gòu)組合為 4 cm AC-13C+6 cm AC-20C+8 cm AC-25+10 cm LSMP-25+18 cm 5% 水穩(wěn)碎石基層 +18 cm5% 水穩(wěn)碎石基層 +18 cm 3.5%水穩(wěn)碎石基層。

2.1.2 建設(shè)條件

項目位于丘陵和平原交接地帶，大部分地形平坦，局部地形較陡。地表覆蓋層較厚，厚度約3.5～6 m，由黏土、碎石質(zhì)黏土等組成，基巖為三疊系灰?guī)r，地下水豐富，并含少量第四系上層滯水、基層裂隙水。同時，項目所在地屬溫帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫約15.6 ℃，雨水較充足，年平均降雨量在1 087 mm，主要集中在6—10月份。

2.2 地形圖處理方法

道路工程呈三維帶狀分布，各個空間地理信息都可能引起路線、路基填挖、橋型橋位等變化。為了便于設(shè)計人員對地形地貌、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)等有充分的認識，需要將審核后的測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入BIM建模平臺中[4]。

2.2.1 地形曲面建模

包含測量數(shù)據(jù)DWG圖形文件需進行預(yù)處理，不宜直接導(dǎo)入Civil 3D軟件中創(chuàng)建曲面，具體處理流程為：①利用圖層命令，使圖形中只顯示道路設(shè)計所用到的數(shù)據(jù)，如等高線、坐標、高程等；②將上述數(shù)據(jù)復(fù)制到空白圖形，利用圖形清理命令清除掉圖形中的重復(fù)項；③利用線條合并命令將圖形的等高線轉(zhuǎn)換為多段線；④處理后的圖形另存為新圖形，導(dǎo)入Civil 3D軟件中創(chuàng)建曲面，生成地形曲面三維模型，如圖1所示。

圖1 地形曲面三維模型

2.2.2 地形曲面分析

地形曲面模型建立后需要手動排除錯誤的地形數(shù)據(jù)，并修正得到基準曲面，隨后進行高程分析和流域分析。經(jīng)分析，項目所在區(qū)域的高程由西向東先減小再增大，呈“谷地”分布，在選線時應(yīng)注意高點和低點的縱坡和通行方案，流域面積、流域邊界等不再贅述。

2.3 平面線形設(shè)計方法

Civil 3D中內(nèi)置的平面線形設(shè)計方法包括導(dǎo)線法、線元法、利用cad對象創(chuàng)建路線、利用道路征線創(chuàng)建路線等，其中導(dǎo)線法和線元法應(yīng)用較為廣泛[5]。

導(dǎo)線法：適用于地形不受限的路段，是通過地形曲面模型和平面主要控制點快速地完成道路走向設(shè)計，在Civil 3D軟件中依次點擊常用→路線→創(chuàng)建路線工具→路線創(chuàng)建布局。在調(diào)出的功能界面選擇切線—切線選項，此時可根據(jù)Civil 3D命令行提示依次選擇道路設(shè)計起點、控制點、終點等，同時需依據(jù)《公路路線設(shè)計規(guī)范》（JTG D20—2017）設(shè)置圓曲線、緩和曲線的類型、參數(shù)等。

線元法：適用于道路地形復(fù)雜路段，是以路線起終點坐標、半徑、方向角、線元長度等元素定義一個線元，逐段確定線路位置。Civil 3D中可通過拖拽方法動態(tài)調(diào)整線元的設(shè)計參數(shù)，這樣只會影響相鄰線元的位置，不會影響線位整體。

該項目的平面線形設(shè)計選擇“導(dǎo)線法+線元法”的方法，在地形不受限路段采用導(dǎo)線法設(shè)計（K0+000～K15+600，K40+800～K45+500），在地形復(fù)雜，限制物較多的路段采用線元法設(shè)計（K15+600～K40+800）。

2.4 縱斷面設(shè)計方法

Civil 3D軟件是利用“縱斷面布局工具”來輸入豎曲線半徑、坡度、變坡點高程等指標，實現(xiàn)縱斷面設(shè)計，并根據(jù)公司出圖習(xí)慣定制縱斷面圖樣式。Civil 3D軟件中不僅可以顯示道路中線的縱斷起伏情況，還可以通過“采樣偏移”命令來顯示距道路中線一定距離的縱斷面線形，有助于設(shè)計人員了解縱斷面沿道路橫向的變化情況。如在采樣偏移命令行中輸入“15，?15”，會在圖形中分別顯示道路右側(cè)15 m和道路左側(cè)15 m處的縱斷面線形[6]。

該項目的縱斷面主要設(shè)置22個變坡點，最大縱坡5.88%，最小縱坡0.38%，最小縱坡坡長150 m，最小縱坡坡長1 890 m，凸曲線最小半徑800 m、凹曲線最小半徑 900 m。

2.5 橫斷面設(shè)計方法

2.5.1 自定義橫斷面部件

道路橫斷面的常用部件有行車道部件、硬路肩部件、邊溝部件、路緣石部件、挖方或填方部件及各種連接等，主要部件的屬性如表2所示。通過將各個部件按設(shè)計方案裝配組合，就可以實現(xiàn)道路的橫斷面設(shè)計。

表2 道路橫斷面主要裝配部件屬性

2.5.2 部件裝配方法

道路橫斷面是以其中心縱斷面線作為基準線，將多個部件按設(shè)計文件進行逐段裝配，并可以在工具欄右側(cè)動態(tài)調(diào)整裝配部件參數(shù)。同時，為了節(jié)省設(shè)計時間，道路橫斷面可只裝配一側(cè)，另一側(cè)部件利用鏡像命令生產(chǎn)。橫斷面與道路平、縱線形模型存在一致性，后者參數(shù)改變，前者也隨之動態(tài)調(diào)整，以確保道路信息的真實、準確。

綜上，在道路的平、縱、橫線形確定之后，還需要用Civil 3D軟件中的設(shè)計規(guī)范編輯器對線形指標進行檢查。如果有指標不滿足規(guī)范，路線元素上會出現(xiàn)嘆號，應(yīng)手動調(diào)整線形指標，直至所有參數(shù)均滿足規(guī)范要求為止，最終建立的道路三維模型如圖2所示。

圖2 道路三維BIM模型示意

3 基于BIM技術(shù)的道路設(shè)計其他應(yīng)用

3.1 三維空間視距計算

道路線形在設(shè)計之后，需對行車安全性進行檢驗，而視距是保證行車安全的重要指標之一。視距大小除了受平、縱、橫指標影響，還與護欄形式、綠化植物等因素密切相關(guān)。

利用BIM技術(shù)建立道路三維模型，能模擬車輛在實際場景中的行駛規(guī)律，并沿道路前進方向逐點掃描，利用“空間兩點通視”原理計算出車輛以一定速度行駛時，司機能看到的最遠距離，即三維空間視距（見圖3）。當(dāng)視點位于視野較好路段，視距計算值＞最小視距值，返回值=最小視距值；當(dāng)視點處于視野較差路段，視距計算值＜最小視距值，則返回值=視距計算值。

圖3 Civil 3D軟件中三維空間視距計算

相對于傳統(tǒng)平面視距，三維空間視距更符合實際情況，能考慮各種不利條件對司機視線的影響，對道路安全性分析更有價值。

3.2 土石方統(tǒng)計

3.2.1 土石方計算

土方填挖規(guī)模也是衡量道路線形設(shè)計質(zhì)量的重要參數(shù)。傳統(tǒng)的道路測量數(shù)據(jù)一般是20 m或25 m一個采樣斷面，而土方計算是采用平均斷面法，計算精度差。尤其是在地勢起伏變形大的山地丘陵路段，土方計算誤差可達10%以上。而Civil 3D是基于三角網(wǎng)格法，自動創(chuàng)建橫斷面采樣線來計算土方。采樣線越多，道路段落劃分越細致，土方計算精度也更高。

3.2.2 土石方調(diào)配

土石方調(diào)配設(shè)計是否得當(dāng)會直接影響道路總投資，因此，土石方調(diào)配應(yīng)基于填挖平衡和運距最短的原則，合理選擇調(diào)配方向、運輸路線。Civil 3D軟件可以利用工具欄上的運距、棄土場、取土場等功能快速導(dǎo)出土石方調(diào)配圖。

4 結(jié)語

該文研究了BIM技術(shù)特點、平臺選擇方法等，并以某高速公路項目為研究對象，闡述了Civil 3D軟件在道路三維設(shè)計中的具體應(yīng)用，主要得到以下幾個方面的結(jié)論：①BIM是一種新型設(shè)計理念，以三維建模技術(shù)為核心，多種軟件協(xié)作交互，共同完成設(shè)計任務(wù)，具有可視化、協(xié)同性、模擬性等特點；②Civil 3D軟件中平面線形設(shè)計方法常用導(dǎo)線法和線元法，前者適用于地形不受限的路段，后者適用于道路地形復(fù)雜路段；③可利用Civil 3D軟件自定義縱斷面線形參數(shù)和出圖樣式，并以縱斷面線為基準線，將多個部件裝配組成橫斷面；④利用BIM技術(shù)能計算出三維空間視距，更好地評價道路線形設(shè)計的安全性。研究成果可以為類似的公路項目設(shè)計提供科學(xué)的理論指導(dǎo)。