BIM技术在道路工程设计中的应用与发展

2020-11-19

中国勘察设计 2020年11期

当前，BIM技术多应用于房屋建筑领域，在交通领域的应用较少，应用于设计阶段的更少。本文对BIM技术在道路工程设计中的应用与发展进行分析，提出设计流程及各设计流程对应的实现方法，简述现阶段BIM技术在道路工程设计阶段可实现应用的案例，包括无人机倾斜摄影技术应用、BIM技术道路几何设计应用、技术在各专业交互设计应用及BIM技术应用成果输出等，并对BIM技术的未来发展进行了预测。

国内外BIM技术应用与发展分析

国外在BIM技术研发及应用方面均较早，并取得了显著成果，如英国高铁二号线(HS2)铁路伯明翰三角型交通枢纽、日本邮政大厦、新加坡黄廷芳医院等，均是较为成功的案例。在国内，BIM技术研发及应用预期远不如国外形势乐观，主要原因包括以下几个方面：一是企业业务模式偏重短期利益、管理方式粗放、现场方案变动率较高；二是企业人力支持力度不足，设计思路易受传统设计思想固化的影响；三是缺少技术支持，无相对成熟的BIM 研发平台和成体系的设计软件；四是对BIM技术认知较晚，政策支持推行较为迟缓。

可喜的是，目前国内BIM技术逐渐得到了一定的发展，开始迎来前期发展的爆发期。通过近几年的发展，国内在BIM技术应用方面取得了一些初步成果，并累积了一些较为成功的经验，如北京中国尊、上海中心、珠海歌剧院等。

BIM技术在道路工程设计中的流程

道路设计是一项复杂的系统工程，特别是市政道路，需要多专业相互配合，具有系统性、复杂性、统筹性、交互性等特点。在道路工程设计中，主要设计内容包括基础资料整理、道路平纵横设计、各专业交互设计以及设计成果输出等。在BIM设计中，其设计流程与传统设计流程基本一致，这样在设计思路上也更容易被理解和接受，设计流程详见图1。

道路设计的开始工作是基础资料的整理与分析，设计基础资料整理包括明确业主需求、上位规划分析以及现场情况调查等。基础资料整理完毕后便可进行道路平纵横方案设计，道路平纵横设计的主要目的是在各种控制因素下，选择合理的平纵面线形及横断面搭配，避开不利因素，在保证符合规范及质量要求的前提下，寻求工程安全、适用、经济及美观的辩证统一合理性。道路平纵横方案初步确定后，其他专业将在此基础上进行设计，各专业数据相互支撑与矫正。各专业交互设计完成后，设计成果便可汇总输出，用于指导施工或方案展示等。

BIM技术的应用介绍

无人机倾斜摄影技术应用

在基础资料整理步骤中，运用无人机倾斜摄影技术，可为道路设计提供更真实、可靠的基础数据，并在拆迁量统计、占地面积计算、工程量计算等方面发挥作用，应用无人机倾斜摄影技术处理的数据作为基础设计资料，可快速完成方案设计以及方案比选。此技术应用于道路设计中，较传统设计手段及依托数据更具优势[1]。

图1 BIM设计流程图

图2 三维实景模型图

无人机倾斜摄影技术分为外业和内业两部分，外业即为无人机实地飞行拍摄，进行数据采集。内业即在室内运用计算机对外业采集的照片或视频数据进行处理及分析。外业采用无人机作为飞行平台，搭载多台传感器，同时从垂直和倾斜等5个不同的角度采集影像[2]。在本研究实例应用中，外业采用大疆无人机作业，内业数据处理采用Context Capture三维建模软件完成，关键操作步骤包括：一是影像导入软件，选取坐标系及测量控制点，提交空中三角测量计算生成点云；二是新建重建项目，建立空间框架，根据计算机内存大小切割计算瓦片块数；三是提交生产项目，选取生产目的，生产出可用于下一步BIM技术应用的模型数据。

常用的生产目的有三维网格和正射影像/DSM。正射影像/DSM即为实景模型的正投影图像，可用于平面展示、设计文件叠图及其他制作等；三维网格即为实景模型，可用于后续模型建立，也可用于设计全过程中的实地情况查看数据测量等。以某项目为例，无人机倾斜摄影技术应用成果详见图2。

BIM技术道路几何设计应用

本研究道路几何设计实例应用，采用OpenRoads Designer（ORD）软件完成。运用ORD进行道路设计，可将道路设计理念和成果由二维图纸转换为三维立体空间，能直观地对道路进行线性设计，快速完成方案比选、出图和工程量统计。同时，在该设计方法中，定制好的横断面模板能高效建立模型、进行参数化的联动修改、实时查看各项数据及工程量，减少了设计过程中的碰、漏、缺等问题[3]。ORD平纵横设计流程为：地形处理、平面设计、纵断面设计、横断面设计（即生成廊道）、整体调整。

ORD地形处理采用狄洛尼三角网构建原理，能直接读取多种数据格式的文件，如.dat、.tin、.xml文件。同时，还可以连接CAD的.dwg文件，通过属性特征过滤刷选出需要的地形数据，比对其进行处理和使用。除此之外，ORD可以直接在无人机倾斜摄影技术应用的三维网格模型上拾取需要的地形数据，对其进行处理和使用。经过工程对比验证，此方法得到的地形数据可达1:500地形图精度，完全能够满足设计要求。

ORD平纵横设计与传统设计思路一致，均是在地形数据基础上，先进行平面布线，再进行纵断面设计，最后进行横断面设计，其优势在于横断面智能模板、平纵横可联动设计等。

ORD横断面设计即为横断面模板（廊道）定义及廊道生成。廊道模板主要是由主要板块（如车行道结构、人行道结构）、约束体（如路缘石）以及端点条件（如放坡线）等单元组成。每个单元以及单元与单元之间由“点控制、参数约束”的规则实现其形状以及相互间的组成连接关系。如长方形路缘石有A、B、C、D4个顶点，以A点为固定点，B点以A点为控制父项，约束参数为B点与A点水平距离为0.15m，竖直距离为0m，这描述即为A、B两点位置关系，以此类推可得到4个点的位置关系，即也得到路缘石形状及尺寸。同理，可根据此规则定义出各个单元，各个单元之间再根据此规则组成一个完整的廊道模板。除此之外，此规则同样可运用于道路的超高及加宽设计，体现了横断面智能模板的优势。

地形、平纵横均设计完成之后，可新建廊道，生成三维的道路模型。模型能多视图、多维度同时显示设计方案，还能连接实景模型，可更直观地检查方案，查看动态截面、查询工程量等。如需要调整方案，可直接调整需要调整的部分，其余部分会自动联动调整，减少工作量，提高工作效率，彰显了平纵横可联动设计的优势。如模型生成后，检查发现一侧山体开挖过大，需要调整线型，则可直接拖动中线位置，道路纵、横断面会自动联动更改，重新生成三维模型；此时再检查方案是否合理，若不满足可重复上述操作步骤，直至中线拖动至合理位置。同理，更改纵、横断面也是一样的效果。图3为某项目BIM技术道路几何设计的应用成果。

BIM技术在各专业交互设计应用

图3 道路三维模型图

图5 道路设计实景模型图

交互设计在道路工程中的具体应用，不仅以设计产品为结果，而且重视设计工作的行为和过程，强调设计部门的过程性信息共享及协同管理能力[4]。优质、可靠、合理的设计方案是决定工程项目质量的关键，除了运用无人机倾斜摄影等现代化重要技术手段获得先进基础资料外，还需要各专业的协同设计管理、信息数据共享和及时反馈，即各专业交互设计。

在现行交通运输行业设计中，各专业设计软件多是基于CAD平台二次研发的软件，其缺点在于软件门类过多，数据无法很好地跨专业共享和识别，更不能实现数据信息统一管理。但由于BIM技术的发展与应用，该现状在一定程度上得到了改善。

首先，BIM技术创建了统一的通用数据环境，各专业软件设计文件格式得到统一，实现了各专业软件之间的数据共享。其次，BIM技术创建了通用建模环境，提供了多专业统一的工程内容创建平台，可实现诸如总体模型创建、图纸输出、材料统计以及碰撞检查等多专业集成设计和工程检查功能。除此之外，BIM技术创建了通用的协同工作环境，即一个基于协同工作服务器的集成系统，形成一个工程内容管理与协同设计平台，实现AEC项目的团队、信息和工具软件一体化地协同工作。如BIM技术数字化施工管理工作就在上海轨道交通12号线11标的应用上取得了成功[5]。最后，BIM技术创建了通用资产性能环境，对后期项目运营进行数据采集及分析；提供维护方案，提高使用性能、安全性和可靠性。以Bentley系列软件为例，各专业交互设计关系及采用软件详见图4。

BIM技术应用成果输出

目前，BIM设计在出图上有着得天独厚的优势，因为CAD中需要不同方向的平立剖图，而在BIM中一次即可完成，极大地提升了出图效率[6]。但BIM技术应用成果输出不仅仅局限于2D施工图的输出，更具有意义的是，BIM技术设计过程与传统不同，为三维设计过程，设计数据本身就是三维数据，可直接输出三维数据成果。如设计数据集成后，输出三维设计模型成果，用于指导施工和监管等；也可设计数据集成后，导入LumenRT等渲染软件进行修饰、加工、渲染，最后输出三维渲染模型，用于方案展示、汇报及宣传等。三维成果的输出与运用，将更加具有直观性、精确性和整体性。图5为某项目BIM技术应用成果输出实例。

BIM未来应用发展趋势

经多项研究证实，设计对施工安全有较大影响[7]-[8]，而BIM技术在道路设计的应用可有效提高设计效率和质量[9]。近年来，BIM技术应用不断拓展和深入，应用范围扩展到工程建设项目的深化设计、虚拟施工、运维管理及全生命周期，应用领域也从传统建筑业拓宽到管线综合、城市轨道交通等城市基础建设领域[10]。BIM技术应用取得初步成果，并且得到认可和推行，但也存在许多不足。根据技术应用设计过程中累积的经验并经过分析后，得出未来BIM应用发展趋势如下：

一是精细化。目前BIM技术还不够成熟，自身存在诸多不足，如2D出图效果较差、模型效果较粗糙、结构单体较简单等，未来将实现软件功能完整、数据库齐全，达到技术精细化。

二是智能化。目前BIM技术比较难掌握，主要表现为软件系统庞杂、操作繁琐、需人控制等，未来将实现数据处理智能化、设计智能化、管理智能化等。如软件在无人机倾斜摄影、地质勘探等数据采集处理完成后，可在此基础资料上，根据设计人员给定的初始控制条件，智能计算并提出多个道路路线设计方案，供设计人员选择和参考。又如道路路线方案选定后，软件可智能计算并提出多个交通管理、管线布置、路灯布置及绿化布置等方案，供设计人员选择和参考。

三是普遍化。在BIM技术相对精细化、智能化以及人们的运用能力得到提高后，BIM技术将普遍化，人人会用，得到广泛推行与运用。

四是大数据化。目前BIM技术仅能实现行业间数据共享，在技术精细化、智能化、普遍化以及科技水平提升后，数据可实现跨行业共享，将实现大数据化。如道路设计数据可与汽车制造业实现共享；机场周边建筑物数据可计算分析出其布局所产生的气流变化，从而用于飞机起飞和降落时刻稳定性分析，实现建筑行业与航天行业数据共享。