BIM技术在市政道路设计中的应用研究

2021-03-17肖爱民

运输经理世界 2021年6期

肖爱民

(中建五局第三建设有限公司，湖南长沙410006)

0 引言

自BIM 技术问世以来，已经在很多领域得到应用，尤其在基础建设领域，相关从业者为应对知识经济的挑战，提高行业的竞争力，正快速向BIM 领域转型。随着信息技术的蓬勃发展以及建筑领域中BIM技术的成熟，在市政道路领域，传统的CAD（计算机辅助设计）技术将在不久的将来被信息智能BIM 技术所取代，建筑信息模型相关技术的应用也越来越多，以期解决在道路设计过程中获取数字化、自动化信息等相关问题[1]。这是目前基础设施建设领域中被广泛讨论的热点话题之一，也被认为是推动整个土木工程领域数字化发展的重要推动因素之一[2]。

1 BIM 的起源及概念

1.1 BIM 的起源

BIM 是英文Building Information Modeling 的缩写，在建筑中直译为建筑信息模型。该概念起源于30年前，由美国Georgia wave-tech College 的教授Chuck Eastman 提出。通过一段时间的信息技术发展，1982年，图形公司开发了基于BIM 概念的ArchiCAD 软件，但当时BIM 并非现在的BIM，而被称为“虚拟建筑”。1984年，图形化软件引入了虚拟建筑模型的技术概念，用于ArchiCAD 软件的架构设计。但由于技术的限制，当时BIM 技术并没有得到广泛的推广，3D 技术也没有得到广泛的应用，在土木工程领域的表现并不突出。直至近年来信息技术壁垒的打破，以及计算机硬件、软件功能的提升，BIM 技术才真正开始引起人们的注意，并于2002年正式推出，相关功能也在近年来得到大幅度提升。由此，BIM 技术才得以实现它的真正价值。

1.2 BIM 的概念

BIM 是在三维数据模型中收集不同类型的工作部门之间的项目信息。在整个项目的生命周期中，BIM不仅仅是作为一个项目的三维体现，更能够实现项目的数字化呈现，提高项目的设计效率，并可在项目进行的任何阶段对设计方案以及设计细节进行调整，以保持设计思路和设计过程的完美结合。

2 道路设计中应用BIM 技术的优点

如在道路设计中，以建筑信息模型构建的材料代表的不仅是虚拟物品，还能切实反应道路构建真实状态的三维数据属性，除视觉构建之外，它还可以是道路设计中的线型、道路沥青的材料性能、道路路基的宽度等重要因素。在设计之初，通过BIM 技术还能够将地形地貌及设计单元等重要参数快速呈现给设计人员。

同时，BIM 在输出信息时，能尽可能反映BIM 的优点：如可视化、协同作业、高维仿真等。具体表现在BIM 技术可以输出各个不同角度的视图，如道路的横纵断面图、横纵断面剖面视图等，同时还可以展现其他数据形式。除此之外BIM 最大的特点便是BIM 技术的高维模拟功能以及信息技术共享功能，高维模拟能够使道路设计者直观地了解设计中的道路参数及由设计或其他因素引发的问题。信息技术共享功能为传统建筑工程领域的各个专业提供了良好的技术合作平台。

3 BIM 技术在道路设计中的具体应用

3.1 地勘资料的收集

对比房屋建筑工程领域，道路工程的分布形式不一样，基本为条状分布；分布地区也与房屋建筑工程领域不同，道路工程多穿越区域河流、房屋建筑等，且路线距离较长，短则几公里，长则上百公里；所处的地理、地质环境也不同，房屋建筑领域工程概况较为单一，多为单一形地质，而道路工程由于其跨度较长，穿越的工程地质也更多更复杂，因此，在进行设计中，面临的困难也越多，其建设活动的进展也将与该地区的原始地质条件密切相关。BIM 技术在这一环节中的应用，主要是建立一个区域地质模型，以显示区域地形、土层变化等内容。这也为后续发展的协作工作提供了参考条件。

所有获得的测量数据，如区域地形、建筑、管道数据，将汇总到数字平台上进行处理。以地形三维建模为例，利用软件中的三角剖分网和等高线等有限的条件，可以整理出区域地形的坡度、相邻山坡的分布及方向等，得到图1所示的虚拟图像。随后，利用三维平倾斜进行细化，获得可靠的分析结果。

图1 道路所在区域BIM 三维地质虚拟构造示意图

3.2 设计方案比选

在进行道路工程设计时，以进行最优化方案选择，为后续道路相关建设活动奠定基础。而BIM 技术将充分结合它的优势，即道路设计过程中的数据可视化展现功能，建立一个虚拟的信息模型。主要内容包括参与设计计划、地理位置条件、社会经济发展等。在程序选择过程中，它将调整其他开发因素来仿真过程中的视觉内容，并根据仿真结果评估程序的可行性，进而进行最佳线路择选。

3.3 设计建模

在进行设计建模时，首先进行数字建模。根据收集的地质资料，进行测量点数计算，并由此完成三维模型的计算。在数字建模完成后，再进行相关路基路面建模，BIM 技术将利用现有的程序在道路建模处理中进行三维分析。在市政道路项目的水平、垂直设计完成后，路线内容将在三维模型中进行拉伸，利用它可以实现各种点结构的平滑连接，并规避相关建筑物的特点，通过构建一个三维分析网络实现立体建模。建模示意图如图2所示。由于BIM 技术道路设计应用的特殊性，在路基和路面建模的过程中，还应注意以下几点：

图2 三维模型示意图

3.3.1 合理选择特征点。主要特征点包括道路工程的边缘点、道路工程的中心点、城市建筑等。此外，还需要对约束关系和特征点进行排序，为后续建模提供方便的条件。

3.3.2 组件结构的选择。在特征点选取完毕之后，为达到预期目标，宜对主要构建进行选择，这也是后期建模和分析的重要参考因素之一。

3.3.3 结束条件。它是一种用于解决路基限制条件的凭证，以获得可靠的数据分析模型。

3.4 工程数量及成本计算

市政道路工程的设计施工过程包含的内容众多，其主要成本包含了占地费、设计费、人工费以及材料费。为明确工程成本，设计时，应将相关参数进行导入，包括基层作业、底层作业、土方开挖作业、路缘分布、地面作业等。在这些内容的实际应用中，计算机也被用于完成数据集成，并使用云计算平台进行计算。同时，BIM 技术还将在应用过程中建立虚拟模型，帮助计算机完成不同施工阶段的成本核算，降低人工计算中的容错率，并提高精度。此外，在工程量分析过程中建立的模型可以实现1∶1 的减少。

3.5 设计图纸输出

在道路工程同行业的设计中，一般由CAD 进行图纸输出，输出图形也多为低维空间模型，在进行输出之后再将图纸送审。但在此过程中，需耗费较大的人力、物力，造成不必要的经济财产损失。但在BIM 技术中，由于图形的高维，BIM 的设计方案无须出具具体图纸，便可以以虚拟模型进行高维视觉产出，这样不仅有利于图纸审核，也方便针对审核意见进行修改。由此，不仅可以给设计单位带来经济效益，也利于业主单位参与整个设计过程，提高项目满意度、可靠度，也使得整个过程具有较强的自动化特性，有助于降低时间成本。