BIM技術(shù)在道路與橋梁工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用綜述

李德旭 王元戎 夏琦

(1.西安汽車職業(yè)大學(xué) 陜西 西安 710600; 2.陜西中霖集團(tuán)工程設(shè)計(jì)研究有限公司 陜西 西安 710014)

由于道路工程具有帶狀分布、與地質(zhì)條件密切相關(guān)，涉及專業(yè)多等相關(guān)特征，建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術(shù)在道路工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與建筑工程相比存在著一定差距，橋梁工程亦是如此。為了提高BIM技術(shù)在道路與橋梁工程中的適用性，促進(jìn)道路與橋梁工程的信息化，從BIM建模參數(shù)化及智能化、地形與地質(zhì)三維建模關(guān)鍵技術(shù)、BIM與有限元分析軟件交互關(guān)鍵技術(shù)、基于BIM 的多專業(yè)正向協(xié)同設(shè)計(jì)等方面，對(duì)BIM 技術(shù)在道路與橋梁工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行綜述和分析，目的在于找出BIM 技術(shù)應(yīng)用于道路與橋梁工程中的極需解決的問題，以供同行研究解決相關(guān)問題參考。

1 可用于道路與橋梁工程的BIM軟件及其插件

在道路與橋梁工程方面應(yīng)用比較成熟的軟件平臺(tái)主要有Atuodesk、Bentley、Dassault、Tekla等。Atuodesk平臺(tái)的Revit 軟件未內(nèi)置道橋?qū)I(yè)構(gòu)件族，需要自建構(gòu)件族，適用性較差，智能化程度較低，加之道橋工程構(gòu)件的不規(guī)則性，所以對(duì)于Revit軟件道路與橋梁工程建模參數(shù)化歸根結(jié)底是設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)積累。Bentley 平臺(tái)下的PowerCivil是專門為市政工程開發(fā)的BIM軟件，對(duì)道路與橋梁工程適用性較強(qiáng)，但是對(duì)道路參數(shù)化之前需要建立參數(shù)化橫斷面模板，對(duì)構(gòu)件參數(shù)化需要借助可視化編程技術(shù)創(chuàng)建單元庫。Dassault 平臺(tái)主要軟件為Catia軟件,該軟件參數(shù)化能力和結(jié)構(gòu)分析能力強(qiáng)，但是建模過程繁雜，軟件使用成本高，學(xué)習(xí)難度大，加上二次開發(fā)對(duì)建模人員的要求較高。Tekla 平臺(tái)主要軟件為Xsteel，主要適用于鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，軟件模型數(shù)據(jù)精度高，模塊化功能強(qiáng)，但是建模流程復(fù)雜，軟件應(yīng)用成本高。可用于道路與橋梁工程的BIM軟件及其插件如表1所示。

表1 BIM軟件及其插件功能

2 BIM建模參數(shù)化與智能化

道路與橋梁工程專業(yè)眾多，設(shè)計(jì)工程量大（復(fù)雜橋梁Revit 模型見圖1），設(shè)計(jì)人員的流動(dòng)性大，積累設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和規(guī)范設(shè)計(jì)流程是道路與橋梁工程設(shè)計(jì)發(fā)展的方向。為此，諸多學(xué)者通過BIM 技術(shù)開展基于知識(shí)工程的智能設(shè)計(jì)，模塊化、參數(shù)化和多粒度流程定制的精細(xì)化設(shè)計(jì)，提高效率，降低設(shè)計(jì)成本，減少大量的重復(fù)繪圖工作。

圖1 復(fù)雜橋梁Revit模型

劉均利等人[1]在對(duì)重慶曾家?guī)r嘉陵江大橋設(shè)計(jì)中開展了BIM應(yīng)用研究，該項(xiàng)目為公鐵路兩用橋，工程量大且異型構(gòu)件多，將該BIM模型用于碰撞檢查、橋墩防撞性能校核、交通量校核、工程量校核，輔助設(shè)計(jì)等，優(yōu)勢(shì)明顯，積累了大量異型構(gòu)件建模經(jīng)驗(yàn)。該項(xiàng)目中鋼桁架的建模參數(shù)化采用了Atuodesk 平臺(tái)的Advance Steel和Dynamo軟件。

周游等人[2]以小灣橋?yàn)槔敿?xì)介紹了利用PowerCivil 建立立交橋模型的規(guī)范化操作流程，包括三維地形建立、BIM 路線設(shè)計(jì)、參數(shù)化橫斷面設(shè)計(jì)，后期利用BIM 模型進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，并實(shí)現(xiàn)了工程量統(tǒng)計(jì)及出圖，設(shè)計(jì)效果明顯。建模過程中參數(shù)化借用了Micro Station編程實(shí)現(xiàn)。

祝兵等人[3]基于Catia軟件，參照“骨架+模板”的建模思路，提出一種橋梁參數(shù)化智能建模方法與相應(yīng)的技術(shù)路線。使用EKL 語言提高構(gòu)件模板的參數(shù)化能力，利用Catia 二次開發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)構(gòu)件批量實(shí)例化功能，借助WPF 框架研發(fā)參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，打通了構(gòu)件模板創(chuàng)建、構(gòu)件設(shè)計(jì)、構(gòu)件實(shí)例化的全流程，實(shí)現(xiàn)了橋梁建模精細(xì)化、智能化。A 型橋塔構(gòu)件參數(shù)化設(shè)計(jì)界面如圖2所示[3]。

圖2 A型橋塔構(gòu)件參數(shù)化設(shè)計(jì)界面

3 地形、地質(zhì)三維建模關(guān)鍵技術(shù)

BIM 是對(duì)構(gòu)筑物實(shí)體的數(shù)字化表達(dá)，傾斜攝影可真實(shí)還原地表場(chǎng)景，地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）可展示地理空間信息，BIM 模型、傾斜攝影和GIS 技術(shù)的集成，可以在可視化地理信息的基礎(chǔ)上精細(xì)化表達(dá)模型信息。無人機(jī)傾斜攝影可獲得影像匹配點(diǎn)云，但是精細(xì)化程度不高，對(duì)此，可采用無人機(jī)機(jī)載LiDAR 獲得高精度地面點(diǎn)云，也可采用傾斜攝影與激光點(diǎn)云融合技術(shù)（地形、地質(zhì)模型BIM模型可結(jié)合的其他技術(shù)與功能如圖3 所示）。地質(zhì)模型可以將地質(zhì)信息可視化表達(dá)，目前沒有創(chuàng)建地質(zhì)模型的專業(yè)平臺(tái)，需要基于一些平臺(tái)或者引擎構(gòu)建，故地質(zhì)模型的創(chuàng)建需要處理解決數(shù)據(jù)預(yù)處理數(shù)量大、地層層面交互處理困難、BIM模型與地質(zhì)模型融合難等問題。

圖3 地質(zhì)、地形BIM模型創(chuàng)建關(guān)系圖

相詩堯等人[4]為解決復(fù)雜地形區(qū)域道路設(shè)計(jì)時(shí)地理信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取困難的問題，將無人機(jī)機(jī)載Li-DAR 以獲取用于道路工程設(shè)計(jì)所需的高精度地面點(diǎn)云，數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）和文檔對(duì)象模型（Document Object Model，DOM）數(shù)據(jù)可用于構(gòu)建三維地形模型，與BIM 技術(shù)結(jié)合應(yīng)用于復(fù)雜地形區(qū)域的道路設(shè)計(jì)中，有助于提高勘測(cè)與設(shè)計(jì)質(zhì)量。

張志清等人[5]以北京市平谷區(qū)黃松峪山區(qū)某道路工程為例，利用Civil 3D曲面提取實(shí)體功能生成地質(zhì)實(shí)體，將地質(zhì)實(shí)體模型導(dǎo)入3DMax 貼圖渲染得到可視化效果較好的三維地質(zhì)地面信息模型，利用該地質(zhì)模型可以實(shí)現(xiàn)地形、地物、地質(zhì)信息的儲(chǔ)存與管理，并為道路設(shè)計(jì)提供定量分析、縱斷面設(shè)計(jì)、土石方計(jì)算等精細(xì)化支持。

林國(guó)濤等人[6]基于傾斜攝影與激光點(diǎn)云技術(shù)創(chuàng)建了符合道路工程設(shè)計(jì)精度的三維地表高精度影像模型；提出“多參數(shù)置信權(quán)重分層三角網(wǎng)法”解決鉆孔點(diǎn)間距稀疏影響模型創(chuàng)建的問題；開發(fā)了地質(zhì)信息建模軟件，該軟件可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)提取地形和地質(zhì)信息、高效完成模型刨切和數(shù)值模擬等功能。軟件的圖形顯示模塊中可進(jìn)行鉆孔刨切的三維觀察和顯示，詳見圖4[6]。

圖4 底層缺失、透鏡體處理示意

劉尚蔚等人[7]將Dynamo 可視化編程用于道路與橋梁工程地基數(shù)據(jù)處理中，利用Excel處理地質(zhì)鉆孔點(diǎn)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到Dynamo 中進(jìn)行處理，生成地層曲面模型，實(shí)現(xiàn)了智能處理地質(zhì)數(shù)據(jù)和精細(xì)化創(chuàng)建地質(zhì)模型，解決了地質(zhì)模型創(chuàng)建難、效率低的問題。

張憲亮[8]利用OCC平臺(tái)創(chuàng)建BIM模型，總結(jié)了BIM模型與GIS 場(chǎng)景融合時(shí)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法，基于OSG 開發(fā)了橋梁BIM 與GIS 融合平臺(tái)，通過了該平臺(tái)完成了某橋梁的BIM 模型轉(zhuǎn)換和整合，并與傾斜攝影實(shí)景模型進(jìn)行了集成。實(shí)踐表明：該設(shè)計(jì)系統(tǒng)支持傾斜攝影、激光點(diǎn)云、數(shù)字高程模型等GIS 數(shù)據(jù),支持智能創(chuàng)建橋梁BIM 模型，并能實(shí)現(xiàn)特殊橋梁BIM 模型的多種開放格式導(dǎo)入和融合。

4 BIM與有限元分析軟件交互關(guān)鍵技術(shù)

目前，被廣泛使用的大型有限元分析軟件有Ansys、Midas、MATLAB 等。部分BIM 設(shè)計(jì)軟件可以進(jìn)行受力分析但并不成熟，BIM 模型中結(jié)構(gòu)分析信息也不能與有限元分析軟件直接交互，故設(shè)計(jì)人員需重建有限元分析模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，浪費(fèi)了大量時(shí)間。近年來，許多學(xué)者開展了BIM 模型與有限元分析軟件交互關(guān)鍵技術(shù)及自動(dòng)化研究。

陳素華等人[9]基于Rhinoceros 軟件建立全橋參數(shù)化BIM 模型，將索塔的BIM 模型導(dǎo)入至有限元分析軟件Midas-Fea中進(jìn)行力學(xué)分析，研究結(jié)果表明BIM模型與有限元軟件的數(shù)據(jù)對(duì)接可提高橋梁結(jié)構(gòu)分析的效率與精度。研究過程中發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)換后的有限元模型后在異型結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力失真現(xiàn)象，故應(yīng)著重處理。

王文芳等人[10]基于Revit及其API接口，運(yùn)用C#語言進(jìn)行二次開發(fā)，將斜拉橋BIM 模型轉(zhuǎn)化為包含不同單元類型的Ansys有限元模型（如圖5所示），實(shí)現(xiàn)了斜拉橋BIM 模型到Ansys 有限元模型轉(zhuǎn)化及結(jié)構(gòu)靜力分析功能的自動(dòng)化。

圖5 revit轉(zhuǎn)換的有限元分析模型

馬文琪等人[11]通過Microstation 軟件將DEM、地質(zhì)分層面、三維邊坡面耦合，創(chuàng)建了三維精細(xì)化BIM 模型，然后將設(shè)計(jì)剖面關(guān)鍵特征點(diǎn)坐標(biāo)提取并導(dǎo)入有限元計(jì)算軟件Midas GTS NX，得到了有限元計(jì)算模型。通過分析得出基于BIM的有限元分析模型計(jì)算結(jié)果更加符合真實(shí)情況。

5 基于BIM的多專業(yè)正向協(xié)同設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)階段，各管理人員、專業(yè)設(shè)計(jì)人員、校審人員之間應(yīng)當(dāng)通過溝通交流、相互提資、共享資料等方式實(shí)現(xiàn)同時(shí)設(shè)計(jì)。各人員之間的交互滯后、信息不對(duì)稱，將導(dǎo)致設(shè)計(jì)過程中協(xié)同效率較低。BIM模型承載著項(xiàng)目大量的信息，可作為各專業(yè)及各部門相互關(guān)系定義的基礎(chǔ)，故許多學(xué)者基于BIM 模型交互和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)開展了設(shè)計(jì)角色、設(shè)計(jì)環(huán)境和設(shè)計(jì)資源深度融合研究。正向協(xié)同設(shè)計(jì)資料交互關(guān)系如圖6所示。

圖6 正向協(xié)同設(shè)計(jì)資料交互關(guān)系圖

楊體旺等人[12]根據(jù)常規(guī)橋梁設(shè)計(jì)流程和習(xí)慣，基于WPF 框架，通過Revit API 接口技術(shù)，開發(fā)了基于BIM的常規(guī)橋梁正向設(shè)計(jì)輔助系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括工程信息、通用圖、GIS數(shù)據(jù)、路線數(shù)據(jù)和橋梁信息等模塊，為多專業(yè)的數(shù)據(jù)交互和各種專業(yè)同時(shí)設(shè)計(jì)提供了統(tǒng)一平臺(tái)。該輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)在項(xiàng)目管理、資料共享互提、實(shí)時(shí)修改更新等方面提高了設(shè)計(jì)效率。

張世基等人[13]開展了基于公共數(shù)據(jù)環(huán)境的協(xié)同設(shè)計(jì)管理平臺(tái)和交互橋梁設(shè)計(jì)研究。協(xié)同設(shè)計(jì)管理平臺(tái)中的公共資源管理模塊可實(shí)現(xiàn)公共設(shè)計(jì)資源共享、實(shí)時(shí)更新提醒、自動(dòng)保存等功能；過程管理模塊可實(shí)現(xiàn)不同角色對(duì)共享資源有序和安全訪問；成果管理模塊可自動(dòng)化發(fā)布、轉(zhuǎn)換和成果交付。橋梁數(shù)字化設(shè)計(jì)交互研究中，基于信息交互的數(shù)據(jù)格式，制定了信息交互接口，開發(fā)橋梁數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件，保證了基于模型的設(shè)計(jì)信息的準(zhǔn)確性和時(shí)效性。

卞友艷[14]以滬通鐵路站場(chǎng)路基為工程案例，利用PowerCivil 按照設(shè)計(jì)工作流程進(jìn)行了數(shù)字地形模型創(chuàng)建、線路平縱設(shè)計(jì)、路基設(shè)計(jì)，橋涵設(shè)計(jì)，并通過插件實(shí)現(xiàn)模型參數(shù)化；基于Pro-ject Wise搭建協(xié)同管理平臺(tái)，將各專業(yè)模型總裝至該平臺(tái)，并進(jìn)行了效果演示和深化設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)平臺(tái)基本可實(shí)現(xiàn)正向設(shè)計(jì)，通過二次開發(fā)可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)精細(xì)化設(shè)計(jì)。

6 結(jié)論和建議

BIM 以其三維可視化的特征，在道路與橋梁工程領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，BIM 技術(shù)在道路與橋梁工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究也是比較活躍的研究方向。本文從BIM 建模參數(shù)化與智能化、地形與地質(zhì)三維建模關(guān)鍵技術(shù)、BIM 與有限元分析軟件交互關(guān)鍵技術(shù)、基于BIM 的多專業(yè)正向協(xié)同設(shè)計(jì)等方面，對(duì)BIM 技術(shù)在道路與橋梁工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行綜述和分析，得出以下結(jié)論和建議。

（1）各個(gè)BIM 軟件均可通過各自平臺(tái)的軟件集成形成智能化建模解決方案，但是通用性不強(qiáng)；BIM模型化建模參數(shù)與智能化的實(shí)現(xiàn)需要二次開發(fā)，在實(shí)際操作中難度較高。如何利用軟件融合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)共識(shí)和規(guī)范設(shè)計(jì)流程，使整個(gè)道路與橋梁工程BIM 正向設(shè)計(jì)基于知識(shí)和流程的數(shù)字化發(fā)展，是道路與橋梁工程BIM研究的發(fā)展趨勢(shì)。

（2）目前，沒有創(chuàng)建地形、地質(zhì)模型的專業(yè)平臺(tái)，基于一些平臺(tái)或者引擎構(gòu)建地質(zhì)模型需要預(yù)處理大量數(shù)據(jù)，解決地層層面交互、BIM模型與地質(zhì)模型融合等問題。研究一種能夠利用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)地形、地質(zhì)模型創(chuàng)建智能化、精細(xì)化，以及能夠?qū)⒌匦巍⒌刭|(zhì)模型與BIM相融合的方法，是解決以上問題的主要途徑。

（3）設(shè)計(jì)人員進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)需要?jiǎng)?chuàng)建有限元分析模型，這與BIM 模型的創(chuàng)建存在著重復(fù)。如何利用BIM模型精準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)人員能夠直接使用的有限元分析模型并能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)算，是BIM 與有限元分析軟件交互關(guān)鍵技術(shù)的難點(diǎn)。（4）道路與橋梁工程設(shè)計(jì)中需要多專業(yè)協(xié)同，多角色參與、多資料共享。開發(fā)一種協(xié)同設(shè)計(jì)機(jī)制，能夠?qū)崿F(xiàn)角色、設(shè)計(jì)環(huán)境和設(shè)計(jì)資源的深度融合，是開展基于BIM的多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)研究的發(fā)展方向。

7 結(jié)語

BIM技術(shù)是解決道路與橋梁工程復(fù)雜問題的有力支撐，但是仍然不成熟。基于BIM技術(shù)進(jìn)行深度開發(fā)，是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化信息表達(dá)、數(shù)據(jù)交互以及項(xiàng)目管理的有效途徑。