基于BIM的道路规划设计研究

刘占利

(天津市公路工程设计研究院 天津300170)

0 引 言

城市道路是现代化城市重要的组成部分之一，是现代化城市必备的基础设施。近些年来，城市快速发展，人口急剧增长，各种交通工具大量出现，导致交通堵塞日益严重，特别是国家大力发展智慧城市战略的提出，这些都对城市道路前期规划设计的科学性提出了更高的要求，如何做好城市道路的前期规划设计已成为促进城市发展的重要课题之一。现在，城市道路的规划设计通常采用的还是传统的二维设计方法，这种设计方法的局限性大、设计效率低、不直观，难以满足越来越复杂的城市道路规划设计需要。

近年来，BIM(建筑信息模型)技术的发展引起了广泛的关注，BIM 是一种全新的设计、建造及运营管理方法，将规划、设计、建造、运营等各阶段的数据资料全部包含在3D 模型中，使工程项目整个生命周期中任何阶段的工作人员在使用该模型时均能拥有精确、完整的数据，帮助项目设计者提升决策的效率与正确性[1]。

InfraWorks 作为BIM 的一款主流软件，是欧特克公司推出的一款适用于基础设施项目规划和方案阶段的全新设计工具[2]。InfraWorks 在BIM 技术中主要适用于建设工程前期方案研究和后期设计成果的整合与展示，核心功能主要体现在3 个方面：设计区域范围内基础设施模型的创建；多方案设计与分析；最终设计效果展示。InfraWorks 突破以往技术限制，采用更加直观的可视化三维建模技术，能够更加快捷、高效率地管理大型基础设施模型以及提高设计速率。InfraWorks 可以在一个模型下创建多个不同的方案，设计人员和其他利益相关方可以在同一个真实的场景下直观地对比不同的方案选项，从而快速做出决策[3]。李慧等[4]在华为松山湖智慧园区有轨电车设计中，将多种新技术无缝融合，在InfraWorks 平台上，多专业进行协同设计，为设计人员带来极大便利，设计周期从6 个月缩短至2 个月，成功节约设计团队约30%的人力。利用InfraWorks 软件，可以在很短时间内完成规划方案的必选和报告，利于后期深化设计[5]。InfraWorks 可以在路线初步设计阶段进行实时动态设计，及时发现设计中的不足，并且可以实时进行道路优化，减少了后续设计变更，提高了设计效率。InfraWorks 建立的直观真实模型，让项目各方都能清楚地知道自己的关注点，了解设计的冲突点，找出解决办法，让彼此的交流更为流畅，改善了二维环境下信息传递不完整的弊端。InfraWorks 中所产生的基础模型数据可以传递给Civil 3D 进行深化设计，使整个设计流程保持连续，保证了设计质量。InfraWorks 所具有的这些优势可以有效地为工程设计、方案比选提供技术支持，节约工程成本，提高设计效率等。

1 基于BIM应用技术路线分析

在InfraWorks 中可以提供基于真实环境的三维地形模型，并极其方便地进行基础设施要素建模，在这种三维环境下，能够快速地创建逼真的城市道路三维模型，最后完成整个项目的三维数字模型的创建。InfraWorks 可以利用CAD 地形图、GIS 数据等建立三维地形模型，也可以从Map 3D、Civil 3D、Revit、3dsMax 等软件中导入设计模型，最后将以数据库形式保存，同时也支持 Oracle 等数据库导入。在InfraWorks 中可以创建概念设计要素，绘制概念道路、道路隔离带、建筑、景观、河流等其他基础设施模型，并且可以评估初步工程数量、分析区域用途、进行高程分析等。有了真实的设计场景之后，可以利用InfraWorks 的相关路线可视化设计功能，使设计师在三维环境中直接进行规划设计城市道路，并且可以在同一模型中创建多种路线规划设计方案，使用可视化展示其设计方案。InfraWorks 的设计分析功能，还可以在方案设计完成后进行各种分析，如交通模拟、移动模拟等，以验证其可行性，并修改缺陷，进行道路设计优化。InfraWorks 可以有效地整合Revit 软件和Civil 3D 软件中的模型，进行数据交换和整合，从而让城市道路整体规划设计更为精确。桥梁、隧道等结构物可在InfraWorks 中直接草绘，也可在 Revit 软件中进行精细设计，最后以 FBX 格式导入到InfraWorks 中整合设计。

InfraWorks 可以分析道路设计成果中不合理以及需要调整的地方，再导出到Civil 3D 软件中修改，以此反复设计，直到设计成果符合设计要求，最后导入Civil 3D 中进行施工图深化设计。InfraWorks 提供的漫游浏览及展示功能，能提供交互式漫游，实时更新数据。同时快速切换不同方案，进行方案比选，并进行效果展示。使用超链接和工具提示，快捷地了解建设信息，后期可以轻松制作经过渲染的图片和动画，见图1。

图1 基于InfraWorks的设计流程Fig.1 Design flow based on InfraWorks

2 城市道路场地建模

2.1 城市道路地形曲面建模方法

软件所有操作都是基于曲面基础上进行的[2]，InfraWorks 支持整个规划区域的大范围的三维场地建模，保证了设计的真实性和有效性，根据规划设计阶段前期所掌握的地形资料不同，可以采用以下3 种方法布置前期地形。

①在InfraWorks 的模型生成器中，可以免费下载低精度的地形数据和地面图像，其精度取决于模型生成器的精度。这种模型中包含三维地形曲面、地面图像、重要构造物、道路等模型元素。满足要求不高的情况，方便、快捷，但模型精度较低。

②可在免费的地图下载器中下载地形数据和地面图片。例如在LocaSpaceViewer 下载交通道路项目区域内的地形，再选择范围内的图片，生成地形文件。最后以Raster 格式导入InfraWorks 中，叠合生成地形模型。以这种方式生成的模型精度较高，图片清晰度高，但路网、建筑模型等无法生成，需要在InfraWorks 中创建。

③以上两种讲的是，在既无地形数据又无地形图片情况下创建地形模型的方法。在做项目时，通常会收到具有高程点和等高线等的地形数据。在这种情况下，需要在Civil 3D 中，根据已有的地形数据，创建地形曲面，并做适当的处理，剔除其中不合理的数据，然后给曲面指定一个坐标系。把从地图下载器中下载的，或者由勘测单位提供的曲面范围内的地形图片，通过Raster Tools 插件导入到Civil 3D 中，先把它与地形曲面完全叠合在一起，再调整图片的坐标，使曲面与图片坐标一致，最后把定位好的曲面和图片分别导入InfraWorks 中，生成地形模型。这种方法生成的地形最精确，拟合度高，适合大部分项目要求。InfraWorks 中生成的三维场地如图2 和图3 所示。

图2 原始地形曲面Fig.2 Original terrain surface

图3 加上地面图像的地形曲面Fig.3 Terrain surface with ground image

2.2 城市道路场地环境布置

城市道路路线规划设计需要真实的基础环境，快速创建高度真实的环境是十分重要的，可以提高整个流程的设计效率。如果仅仅利用InfraWorks 进行所有房屋、草木的制作，工程量会十分庞大，同时软件中道路、河流的对象库较为单一，可利用Civil 3D 在规划图的基础上提前对周边道路进行设计再导入InfraWorks 中效果会更佳[6]。规划CAD 矢量图与光栅图通过Autodesk Raster Design 软件进行匹配，匹配之后通过生成的.jgw 坐标文件，为建筑物及道路指定坐标，然后导入InfraWorks 中。这种方法可以大范围快速地创建简单模型，节约设计时间，效果如图4所示。

Infraworks 软件自带的材质库和模型库有许多不同的材质、配景以及建筑立面风格可直接套用[7]，可以手动放置内置的各种建筑模型，建模速度也比较快。如果使建筑物更加逼真，可使用Revit 平台进行精细化建筑物，添加各种材质和装饰，做出来的效果也最好，还可以为一些重要建筑物添加超链接，直接点取建筑物的重要信息，储存并分析信息。为了使模型更加完整和美观，可以再设置添加上警示牌、树木、路灯等其他附属设施，最后完成符合现场的真实环境如图5 所示。

图4 快速创建建筑模型Fig.4 Building model created quickly

图5 三维真实场景效果图Fig.5 3D real scene rendering

3 基于InfraWorks 的城市道路的路线规划设计方法

InfraWorks 可以在已经确定的道路规划条件下，科学地研究和设计某条路线的具体几何线形和结构构造，包括路线的起始方案、管网及附属设施布设等。在 InfraWorks 中建立三维真实场地之后，就可以基于三维场地模型中的路线控制点及周边条件，高效率宏观地进行城市道路路线规划设计。

3.1 路线平面设计

在InfraWorks 中，可以根据已有设计规范进行实体路线设计，确保设计出来的线路符合设计规范要求，道路模型精度及可行性较高，这是InfraWorks 优势之一。在三维场地中，利用道路设计命令，基于路线控制点及真实的周边环境，可以直接在三维场地中进行平面几何线形设计，确定路线基本起始走向，并且通过直接拖拽，进行细部微调，确保设计符合规划要求，与地形地物相适应，从而获得初步路线方案设计。城市道路的平面几何线形由直线、圆曲线和缓和曲线等组成，并在InfraWorks 中设置它们的规范长度，确保设计的可实施性；如果有不合理的地方，可以直接在软件中拖动设计中心线，不断地调整路线空间位置，观察不同的路线路由方案对周围环境的影响，以及是否达到预期目标，如图6 所示。

图6 路线平面线形设计及动态调整Fig.6 Horizontal alignment design and dynamic adjustment

3.2 路线纵断面初步设计

根据建立的路线方案，可自动提取路线中心线对应原始地面线，利用InfraWorks 的纵断面视图，进行方案初步的纵断面设计，见图7。使用竖曲线创建工具，结合最大坡度、坡长限制，根据大致确定的路线高程，确定道路的坡度、竖曲线长度，并通过平纵联动，动态观察各断面填挖方情况。经对比分析，实时调整坡度坡长，最终确定合理的纵断面[8]。InfraWorks初步设计完成后，再导入到 Civil 3D 软件中进行深化设计。

图7 路线纵断面初步设计Fig.7 Preliminary design of route profile

3.3 道路横断面精细化设计

城市道路的横断面设计内容包括路基、桥梁、隧道等。在 InfraWorks 中可以进行路基横断面的精细化设计，根据不同的路段，确定设计出相应的路基横断面尺寸和样式，满足特殊要求，如图8 所示。根据地形地物及设计规范确定桥梁、隧道的里程位置，在InfraWorks 中，编辑桥梁、隧道的样式，在模型中进行绘制和调整。对于一些特殊重点的路段，如果InfraWorks 中桥梁、隧道的样式不符合项目要求，还可以在Revit 平台中进行精细化设计，对于重点地段的梁体、桥墩、桥台以及附属设施模型参数化建模，精确拼装，再导入InfraWorks 中，以确保城市道路设计符合要求，如图9 所示。

图8 道路横断面设计Fig.8 Design of road cross section

图9 道路横断面类型效果图Fig.9 Effect drawing of road cross section type

3.4 道路交通优化设计

在完成城市道路初步设计之后，可以进一步对道路模型进行视距分析、交通仿真模拟等方法检验和修改，从而获得一个更加科学可行的设计方案。进行视距分析，这将有助于识别受遮挡物影响的视线盲点或视线障碍区，得到不同的视线区域。用不同颜色表示车道上的安全区域和视线受影响区域，浅蓝色表示能见度良好的区域，黄色表示所需目标点被遮挡的视线障碍区，深色区域表示视线问题可能导致事故发生的潜在事故区。

InfraWorks 的交通仿真模拟包括交通模拟和移动性模拟两种。它们可以分析交叉口的交通流量，并使用不同的颜色呈现分析结果，并且输出交通模拟动画，动态观察。使用“交通分析”面板指定高级需求矩阵、纵断面、车辆类型、驱动程序类型和其他变量，然后运行程序得到结果，分析和判断道路的服务水平和通行能力。移动模拟是适用于InfraWorks 的集成多模态移动性模拟引擎。使用移动模拟可创建交通、停车场、行人等的动画模拟，直观地判断所设计道路的交通运行情况。并能得到关键性能指标报告(如行人所用时长、行人所经过的公里数以及经济和环境评估等)，以Excel 和PDF 导出，为综合评价提供了参考指标。通过以上分析方法，可以找出设计中不合理之处，分析问题产生的原因，进而做出改进。与传统的二维计算机辅助手段相比，这种优化方法更直观、更有效，节约时间，提高了工作效率和质量，如图10至图14。

图10 交通控制参数输入Fig.10 Input of traffic control parameters

图11 视距分析Fig.11 Line of sight analysis

图12 交通模拟分析Fig.12 Traffic simulation analysis chart

图13 移动模拟分析Fig.13 Mobile simulation analysis

图14 交通报告表格分析Fig.14 Traffic report form analysis

3.5 方案设计成果展示

为了进一步提高设计精度，可以将InfraWorks的设计成果导入到 Civil 3D 软件中进行精细化设计，如竖曲线设计、复杂多级边坡设计等，再将完善后的设计成果以 IMX 文件重新导入 InfraWorks中，浏览和展示最新的设计成果。城市规划所需的模型可以利用Revit 内建族自建，路灯、管网、交通指示牌等常见设施，同样可以通过不同专业设计师的建立导入进来[9]，这样不但可以直观清楚地展示设计成果，而且还可以在以后的施工图设计阶段，减少出错率。InfraWorks 一方面基于精确的地形模型实施规划设计，另一方面考虑到各种规划设计中所出现的问题，道路、桥梁和隧道的布置与周边建筑和交通的相融状态直观地呈现在模型中。Infraworks 软件有较好的三维动态交互操作功能[10]，同时通过分析生成各种报表和指标，可为方案决策提供更直观的依据。此外，Infraworks 软件还搭载了云平台，可以在手机和平板电脑等移动终端上浏览已经建立的三维模型，对现场施工人员技术交底大有裨益[11]。

图15 完成后的城市道路效果图Fig.15 Effect drawing of urban road after completion

4 结 语

在本研究中，笔者介绍了一种全新的基于BIM的城市道路规划设计方法，并对具体的设计方法做出了详细介绍。以InfraWorks 为基础，研究了利用BIM交互设计技术进行城市道路项目的三维场地建模、路线平、纵、横规划设计、道路优化设计、方案设计成果动态展示等，在规划和方案设计阶段，实现了城市道路的BIM 解决方案。

本论文研究的设计方法以三维数据模型为最终设计成果，能够进行实时的动态修改设计和展示，并能提供数据进行效果分析，可以获得精准可行的设计方案，而不是以往的空洞效果图。BIM 模型设计比起单一的常规二维平面设计更直观，更有说服力，有利于让项目各方清楚地了解城市道路项目设计成果，消除分歧。同时，利用InfraWorks 的多方案设计功能，实现了不同设计方案比选，有利于决策者最终确定设计方案。这种设计方法可以作为BIM 正向设计的一部分，为后续的城市道路BIM 深化设计提供了基础。