BIM技術(shù)在市政道路設計中的應用研究

祝家光

蚌埠市規(guī)劃設計研究院 安徽 蚌埠 233000

引言

隨著中國城鎮(zhèn)化率逐年提高，城市化已經(jīng)進入到逐漸成熟的階段。當前的城市道路等工程建設均呈現(xiàn)出一定的復雜性，利用傳統(tǒng)的技術(shù)對工程中的三維空間部分進行設計難以形成良好的效果，因此市政道路設計需要應用到更加先進的BIM技術(shù)構(gòu)建三維模型。利用BIM技術(shù)集成市政道路數(shù)據(jù)信息可清晰、精確的表達設計意圖，從而能夠提升設計質(zhì)量并保障市政道路設計合理性。

1 市政道路設計中常見的BIM技術(shù)

在市政道路設計場景中常見應用到的BIM技術(shù)軟件分為三類，第一類是Autodesk、Bentley以及Dassault等大型軟件廠商開發(fā)的Autodesk Revit、Bentley Building、CATIA等系列軟件。第二類則基于上述系列軟件的系統(tǒng)架構(gòu)二次開發(fā)的專業(yè)功能軟件產(chǎn)品。這兩類BIM軟件產(chǎn)品在實際中的應用成本相對較高，在我國的本土化應用中優(yōu)化速度相對緩慢[1]。第三類是國內(nèi)軟件廠商基于BIM軟件為基礎(chǔ)，集成國內(nèi)標準和規(guī)范、適應設計人員習慣開發(fā)的本土化市政道路BIM技術(shù)軟件，包括鴻業(yè)路易、金絲路路線專家等軟件。本文將結(jié)合鴻業(yè)路易軟件研究BIM技術(shù)在市政道路設計中的應用。

2 工程案例

以河北省雄安新區(qū)的某市政道路工程為例，研究其中應用到的BIM技術(shù)所形成的設計。該市政道路工程主干道數(shù)量為5條，次干道以及各支路數(shù)量分別為9條以及55條，屬于中等建設規(guī)模。通過統(tǒng)計，本市政道路工程的實際建設里程為70.35km。在設計本市政道路工程時，需要考慮到地下管廊結(jié)構(gòu)，包括給水、燃氣、電力、污水以及通信等眾多市政管線結(jié)構(gòu)。避免與其造成交叉施工從而影響到城市的正常運行。并且考慮到當前市政工程中的地下通道結(jié)構(gòu)為道路紅線的豎向結(jié)構(gòu)，則需要保障合理設計管線以及道路結(jié)構(gòu)的施工。并且根據(jù)雄安新區(qū)規(guī)劃智能城市的專項要求，保障在設計中涵蓋城市的全范圍空間數(shù)據(jù)。涵蓋規(guī)劃、設計、運營以及全過程生命周期內(nèi)的建筑信息集成化模型，打造城市信息CIM平臺結(jié)構(gòu)，促進城市數(shù)字鏡像化發(fā)展。因此，按照設計要求以及交付標準，則需要應用到BIM技術(shù)構(gòu)建三維模型，添加工程屬性信息，并交付數(shù)字化設計成果。

3 基于BIM技術(shù)的市政道路設計流程

根據(jù)當前市政道路工程的實際建設需求，應用到BIM技術(shù)對其進行設計，具體的流程則分為四個層級。第一層則需要完成基礎(chǔ)工程環(huán)境設計，根據(jù)勘探鉆孔數(shù)據(jù)、衛(wèi)星影像、激光掃描、地形圖等眾多數(shù)據(jù)，構(gòu)建工程范圍內(nèi)的三維數(shù)字地面模型以及地質(zhì)模型圖,從而打造BIM設計的基礎(chǔ)環(huán)境[2]。

第二層級則是設計市政道路以及其他工程內(nèi)容，搭建工程數(shù)據(jù)鏈路，也同樣也是構(gòu)建BIM模型的環(huán)節(jié)之一。第三層級則是應用BIM模型，根據(jù)市政道路工程的實際需求，應用空間分析、方案驗證以及計算工程量等，并根據(jù)這樣的結(jié)果對設計進行優(yōu)化。第四層級則是交付數(shù)字化的設計成果，在工程數(shù)據(jù)庫中導出相應設計圖，結(jié)合當前城市的BIM平臺結(jié)構(gòu)需求，向城市專屬項目工程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，具體的BIM技術(shù)應用流程如圖1所示。

圖1 BIM技術(shù)應用下的市政道路設計流程圖

4 創(chuàng)建BIM市政道路模型

4.1 創(chuàng)建地面數(shù)字模型

道路設計中的基礎(chǔ)就是三維數(shù)字地面模型的構(gòu)建，同時也是BIM模型下的三維環(huán)境表現(xiàn)。借助于無人機機載雷達勘查并結(jié)合航空攝影勘查技術(shù)，獲取市政道路地面的高程數(shù)據(jù)。應用到公式進行計算：

其中：h代表的則是在航測過程中的無人機實際飛行高度參數(shù)；f代表的則是在航測過程中的無人機數(shù)碼攝影鏡頭的實際間距參數(shù)；而α代表的則是像元尺寸；GSD所指的則是地面實際分辨率參數(shù)；x則為最終的高程數(shù)據(jù)。根據(jù)軟件的曲面應用，通過勘測后將高線、點云、激光雷達掃描等眾多數(shù)據(jù)實施三角構(gòu)網(wǎng)繪制地形曲面圖，將地形數(shù)據(jù)向數(shù)字化成果轉(zhuǎn)化[3]。全面整合高分辨率數(shù)據(jù)影像，并匹配數(shù)字化地形，制作市政道路工程的DOM數(shù)據(jù)，以真實直觀的環(huán)境信息為后續(xù)三維設計提供參考。

4.2 設計路線

在本次的市政道路工程設計中，盡管應用到先進的BIM技術(shù)實現(xiàn)了完善的軟件工具應用，但是當前設計團隊中，人員結(jié)構(gòu)眾多，在協(xié)同設計的過程中，每一設計人員按照自身的工作習慣等，應用到五花八門的線路設計工具。從而導致形成了多種多樣的數(shù)據(jù)格式，難以形成一體化的數(shù)字化設計與設計成果交付。因此則需要應用到多個數(shù)據(jù)接口，將每一設計人員形成的設計結(jié)果等，向BIM的中心端傳輸，包括地形圖、線路圖以及道路斷面圖等眾多設計數(shù)據(jù)等，轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的線路模型，從而處于統(tǒng)一數(shù)據(jù)源下獲取市政道路工程的平面、超高以及縱斷面設計信息等，完善路線設計模型。

4.3 設計道路

根據(jù)雄安新區(qū)的BIM城市規(guī)劃標準中所提到的道路工程的專業(yè)模型以及編碼規(guī)則等相應內(nèi)容，在設計城市道路模型時，同樣需要分為三級進行設計。包括項目級、功能級以及構(gòu)建級，并在這樣的分級基礎(chǔ)上細化道路工程中的結(jié)構(gòu)構(gòu)建。按照模型單元結(jié)構(gòu)，對道路的標準橫截面進行定級，并創(chuàng)建道路板塊計劃。按照市政道路設計形成的路基以及路面結(jié)構(gòu)模型，以參數(shù)化的方式快速完成建模。在BIM軟件的應用下，結(jié)合市政道路的交叉線路狀況，生成平交口模型。根據(jù)設計原則，對這樣的結(jié)構(gòu)位置參數(shù)進行優(yōu)化設計，或是在BIM軟件的平交口平面視圖中對其輪廓進行拖拽調(diào)整，從而修改設計[4]。軟件能夠在BIM模型中自動輸入設計數(shù)據(jù)以及需求，并結(jié)合工程設計要求，貼圖并標記施工材料。建立清晰的市政道路工程的各路線結(jié)構(gòu)模型以及平面交叉視圖，并在評價與整合完成后，獲取當前片區(qū)的網(wǎng)絡模型圖。

4.4 設計交通工程

完整設計市政道路工程，在BIM技術(shù)的應用下也需要創(chuàng)建道路應用后的交通工程結(jié)構(gòu)模型。其中需要包括交通標志線、護欄、標牌、公交車站等眾多結(jié)構(gòu)。其中在BIM模型中的標志標牌主要是展示其外形尺寸、位置信息以及表示內(nèi)容等。車道線則是反映其寬度、合流走向以及分流走向等眾多信息。展示護欄結(jié)構(gòu)的尺寸結(jié)構(gòu)以及位置信息。基于整體而言，交通工程的BIM模型則主要是以位置、內(nèi)容以及形式等作為主體信息所形成的，并不展示這樣的交通工程的基礎(chǔ)以及混凝土結(jié)構(gòu)信息等。并且除此之外，在交通工程的模型中，同時也包括了路燈、電線桿、交通燈以及各種智慧設置等附屬設施，從而構(gòu)建完整狀態(tài)下的是市政道路BIM模型。

4.5 添加模型信息

完成市政道路工程的基礎(chǔ)模型創(chuàng)建之后，為了符合雄安新區(qū)的智慧城市規(guī)劃需求，則需要對照CIM平臺中的相應要求，完善設計模型，并對模型賦予屬性信息。完成道路模型的建模之后，在軟件的自動化應用下，掛接對應模型構(gòu)建的屬性，完成這一環(huán)節(jié)的處理之后，則根據(jù)雄安新區(qū)城市專屬XDB工具，按照XDB格式導出市政道路、橋梁、隧道以及管廊管網(wǎng)的綜合模型。根據(jù)雄安新區(qū)的自檢軟件，檢測當前設計模型的合理性，并生成檢驗報告。根據(jù)檢驗報告中的內(nèi)容，對模型中不合理的設計結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，按照XDB格式導出市政道路、橋梁、隧道以及管廊管網(wǎng)的綜合模型，生成的XDB數(shù)據(jù)格式便于后續(xù)交付數(shù)字化設計成果，進而向雄安新區(qū)的CIM平臺上傳這樣的設計成果，完成高效的BIM市政道路設計之后，則同樣能夠為智慧城市的創(chuàng)建提供真實可信的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

5 BIM模型的應用

5.1 驗證展示BIM+GIS設計

根據(jù)本文中提到的市政道路設計案例而言，在實際的設計中，沿市政主干道、綜合管廊、給排水線路等存在著多個重要的控制節(jié)點位置，在設計過程中，除了需要保障市政道路的基礎(chǔ)交通運行通暢之外，同時也需要保障市政道路工程周圍的基礎(chǔ)設施、環(huán)境等均處于協(xié)調(diào)的狀態(tài)。結(jié)合BIM模型中的三維數(shù)字地面模型，根據(jù)《BIM模型成果應用》中的標準，除了搭建市政道路項目的道路、橋梁、管線等模型之外，也需要構(gòu)建工程周圍的鐵路、建筑以及高壓網(wǎng)路的模型，并形成基于當前工程項目的數(shù)字化專業(yè)GIS+BIM沙盤。在這樣的三維數(shù)字化沙盤的應用下，實現(xiàn)可視化設計方案，從而便于項目中的各方參與人員集中進行討論驗證，快速深化復雜設計節(jié)點。

5.2 深化設計復雜節(jié)點

BIM模型的應用優(yōu)勢在于所見即所得，在碰撞檢測復雜設計節(jié)點的過程當中，則能夠精準定位基于市政道路建設下的三維立體空間沖突問題。從而以立體化三維校審市政道路工程的設計圖紙，能夠有效避免不合理的結(jié)構(gòu)位置沖突出現(xiàn)，避免由于設計失誤從而引發(fā)返工或停止施工等問題造成經(jīng)濟成本支出過度。在BIM模型的應用下，能夠?qū)赡艽嬖跊_突的道路管線交叉口以及地下結(jié)構(gòu)空間排布等做好檢驗，若發(fā)現(xiàn)碰撞點，則能夠及時向設計階段的人員進行反饋，從而對這樣的不合理設計分布進行優(yōu)化改良。

5.3 交付數(shù)字化設計成果

根據(jù)現(xiàn)有的BIM模型參數(shù)內(nèi)容，向雄安新區(qū)的CIM平臺交付相應的設計成果，則首先需要進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，應用到公式進行處理，如下所示：

在這一公式中，x、y與H分別代表的是BIM與CIM之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換比例參數(shù)。CIM模型中的基數(shù)則主要是城市信息數(shù)據(jù)，是基于城市基礎(chǔ)信息以及三維空間立體模型所形成的綜合表現(xiàn)。從大范圍上則是基于場景的GIS數(shù)據(jù)以及BIM模型相結(jié)合的效果。CIM的數(shù)據(jù)顆粒度具有良好的細化結(jié)果，能夠涉及城市全范圍內(nèi)的構(gòu)成，從以往的靜態(tài)數(shù)字城市轉(zhuǎn)換為動態(tài)感知、虛擬交互的智慧城市表現(xiàn)，從而為整體城市的高效管理以及精細化治理提供支撐。通過BIM模型參數(shù)向CIM數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化，能夠在實現(xiàn)良好的市政道路設計的基礎(chǔ)上，滿足當前城市發(fā)展進程中的可視化管理、土地資源規(guī)劃、交通分析以及眾多功能，從而全面推動城市的發(fā)展建設。

6 結(jié)束語

BIM技術(shù)是現(xiàn)代先進信息技術(shù)發(fā)展的成果之一，在市政道路建設數(shù)量與規(guī)模不斷提升的今天，為了能夠形成更加良好的市政道路設計效果，需要應用到BIM技術(shù)構(gòu)建三維空間模型，形成可視化設計效果，從而保障市政道路工程的高質(zhì)量建設。