BIM在公路设计中的应用研究
2021-01-14吴欣刚黄立虎
吴欣刚，黄立虎
(1.江西省现代路桥集团，江西 上饶 334000；2.江西省公路工程监理有限公司，江西 南昌 330002)
0 引 言
BIM技术即建筑信息化模型的简称，是一种新兴工程化数字方式，应用于建设工程的整个周期，对建筑模型进行虚拟，将其物理特性与功能等用数字化方式进行表达，并依此完成建筑设计、施工组织、运营全部过程。BIM技术能够建筑工程项目建设全过程的不同阶段工程信息与资源，集成于一个信息化模型中，以便工程各参与方能够在项目监管中使用同一模型进行信息传递与共享，进而确保工程的整体施工效益，降低公路在后续施工中的成本，提高整体建设管理水平。BIM技术在我国应用发展较晚，应用于公路设计行业更是起步阶段，因此加强对BIM在公路设计行业的应用研究是十分重要的。
1 公路BIM模型设计技术路线
1.1 建立公路构件结构树
公路构建的结构设计应当以结构树方式进行，其属于保障整个公路BIM模型的有效途径，其不仅可以实现借助BIM的模型轻量化设计，还可以通过模型的建设实现对项目中不同项目、不同过程的精确化寻找，同时应用信息化方式进行管理。借助细化对象的分类形式，可以按照结构树当中的构建实现相应的分析。结构树主要可以划分为四个层次，第一个层次是以地形地貌为主，第二个层次则是以施工过程中的缝隙为界限对功能组合体进行细化，第三个层次是按照工程量统计的要求，构建功能组合体，第四层次是为了利于建模将构件细化至单元，并完成结构树建立。
1.2 公路BIM设计技术路线
采用BIM技术进行支持，可以在设计过程中完成三维的公路信息模型的建设以及三维公路信息模型的应用。构建完善的三维公路信息模型可以通过BIM技术实现公路设计，通过公路建设期间的多线点同时需要落实地形数据的精准性与全面性分析。对此，BIM软件的应用过程中，需要先采用直尺不同格式的测量数据，例如可以借助GPS数据与航空摄影数据的结合方式进行处理，依据这些数据创建地面模型(DTM)，此外，BIM软件的应用还可以实现对地面模型的分析，例如高程分析与汇水分析，可以以不同的形式展现三维的模型。当前，实景建模技术的应用已经可以有效应用于三维地面模型的生长分析方面，它能够生成地面物体的几何特征、物体侧面轮廓以及详细的纹理信息等，最大程度的还原真实世界。
BIM模型建立的一个关键便是参数化设计，分为参数化构件与参数化修改。因为BIM技术的模型支持，可以以面对对象的设计方式进行构建，例如可以通过国参数实现对象的反应，参数化的修改涉及到对象之间的结构约束和尺寸约束等方面。结构约束主要是指结合元素的关联性，尺寸的约束则是借助尺寸的约束，一般是以对尺寸变量的定义控制或者是以尺寸数值、逻辑关系的方式进行展现。在公路建设项目的设计期间，对于不同的设计元素、构建之间都存在约束，例如几何、逻辑等方面的约束。在公路建设项目的设计期间，这一些约束都可以通过三维模型进行展现，这也是三维模型相对于二维模型的主要优势，但在BIM模型中，通过参数化设计，便能够进行自动化设计，在设计期间可以实现动态化的修改与关联，例如在公路横断面设计期间，可以借助边坡和路基的约束关系实现比例的控制。在BIM技术应用过程中，信息属于最为核心的内容，其主要涉及到几何与非几何信息，其中非几何的信息主要是以材料和成本为主。在设计期间以及项目建设期间都可以围绕着信息进行分析，BIM软件在构建三维模型方面，可以实现对信息的集成化管理。以路径的施工设计为例，在路基设计阶段，模型主要涉及到地基处理、填料以及边坡的坡率计算等方面，这一些都是三维公路信息模型的重要构成因素。在公路设计期间，BIM技术的应用主要涉及到工程量的统计、可视化的展现以及施工图纸的设计、施工内容的报表等。
2 建立参数化公路BIM模型
2.1 软件平台的选择
BIM技术在公路设计当中的应用不仅在于设计方案，同时还可以应用在工程信息的模拟分析方面，以便于后续工程施工、管理等方面的应用。在BIM公路设计中，一款软件是不能满足所有要求的，因此需要多款软件协同应用，这些软件能够支持模型与信息在其中进行无缝交换。通过对国内外的软件分析，认为Bentley公司的软件属于项目的核心技术支持，其中主要涉及到PowerCivil For China、MicroStation、ProjectWise，其中PowerCivil For China属于对平纵横等公路进行整体设计的方式，而MicroStation则是公路中不同构建的三维模型，ProjectWise属于项目协作和信息化管理的主要途径，可有效应用在公路建设项目的信息数据处理与管理方面。
2.2 项目概况
选取我国西北地区某二级公路作为建设工程项目，根据公路的交通量，将线路设计为60 km/h的二级公路，双向双车道。笔者选取了该项目的部分路段，路线总长3 520 m。
2.3 地质模型
笔者依据二维地形图，将其生成三维的三角网模型，然后对三角网中的出差点进行修正和补充完整，最终生成了三维数字地面模型。之后就围绕三维地面模型进行道路要素的设计，使得设计更加高效率与立体化。
2.4 主体模型
(1)平纵曲线设计
笔者先根据原二维公路设计文件，将其中的平面线提取出来，利用powercivil软件进行平曲线设计，这是在三维地面模型中完成参数化建模的第一步工作。然后在纵断面设计中，视图中主要显示地面线与设计线这两条线。三维数字地面模型中的地面线，能够精确反映出地面的高低起伏变化。通过精准绘图功能，根据从二维公路设计图提取的竖曲线进行设计，最后对平曲线与纵曲面进行拟合，形成完整的空间曲线。在这个几何布置过程中，利用设计标准工具进行检验，确保了本模型中复杂图元的适用性。
(2)参数化横断面设计
利用PowerCivil软件可以实现对横断面的设计，在设计期间可以对路面的尺寸、结构以及护栏、边坡、挡土墙等不同的结构和要素进行整合，并对所有的构建和要素实现参数化的设计，在构建方面可以对材料的性能与名称进行定义，将各种构件与要素都进行了整合，对所有构建和相关的要素进行设计。在横断面设计期间，可以通过不同点构成一个构建，不同构建也可以存在多个约束点，不同的点位可以自定义的方式进行设置，并以不同的参数进行关系计算。在参数横断面设计期间，横断面圆点和路面中线点中，可以通过“父约束”的方式完成参数关系的分析，横断面当中不同构建都有具体的材料性能与名称。在参数横断面模板设计完成之后，按照路面的地形底膜啊以及交通环境等因素，可以实现最终BIM模型的建设。
3 BIM模型在设计阶段的具体应用
3.1 信息管理与二维出图
本项目在模型构建过程中对各构件与元素的信息进行了附加，以便后期能够精确查询到模型信息。例如，根据公路点多线长的特点，可设置桩号，根据桩号可查看横断面属性，从而实现菜单式的信息管理，同时可以通过多视图动态联动同时显示出不同属性信息。BIM的重要价值之一便是能够快速绘制施工图纸，由于施工图纸与模型之间具有动态关联性，因此对模型进行修改后，施工图纸也能得到及时更新，并得到二维图纸。本项目利用软件定制出了平纵横等施工图模板，在模板基础上形成施工图，能准确反映工程信息。
3.2 工程量统计
三维地面模型建立完成后，按照桩号5 m为间隔自动进行填挖方、构件数量等统计报表的生成，报表格式输出可为不同文件类型(PDF/DOC/XLS)，从而提高设计的效率与质量。在计算填挖方土量时，分别应用BIM软件和传统的计算方法进行计算，计算结果如表1。从表中可看出，两种计算结果相差较大，传统方法算出的结果粗略，而BIM软件算出的结果更加准确。
表1 土方量报
4 结 语
根据对我国西北地区某二级公路利用BIM进行设计，利用Bentley 系列软件完成公路设计，对公路平面、纵断面、横断面等都建立了信息模型，公路BIM主体模型建立表明BIM应用于公路设计的可行性，而基于BIM技术的信息管理与二维出图以及工程量统计等都提高公路设计的效率与质量。尽管该工程实例具有一定局限性，BIM在公路设计也处于初步应用阶段，但总的来说，将BIM应用于公路设计具有重要的意义，如提高设计效率，降低工程成本，提高管理水平。
