基于3DE协同平台的路桥隧道工程BIM设计关键技术研究

王 新，田鸿程，陈泰中

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072）

0 前 言

BIM即Building Information Model，相对于传统的二维工程制图设计具有先天的可视化优势，是一种能够从处理工程项目可行性研究、设计、施工到运营维护阶段数据和信息的理念和方法，强调将各阶段涉及到的数据进行交互和融合，力争达到最优的工程管理和生产效率［1-2］。

目前，我国交通运输部已经颁布JTG／T2421—2021《公路工程设计信息模型应用标准》、JTG／T 2422—2021《公路工程施工信息模型应用标准》、JTG／T2420—2021《公路工程信息模型应用统一标准》等一系列标准规范以推动BIM技术在公路工程行业的规范化、快速化落实与发展。但是，自BIM技术从本世纪初引入以来，在我国道路工程行业的发展主要用于“翻模”和辅助二维设计［3］，并且目前研究对三维可视化的关注较多，缺少对BIM核心的协同与数据交互方面的相关研究。

为了兼顾三维协同和可视化的研究思路，选取了Dassault System公司旗下的3DExperience平台（简称“3DE”）。3DE平台可以多账户同时在线，实现模型参数的关联化，动态对同一模型进行修改和发布，达到真正意义上的各专业协同设计。此外，在项目前期便可搭建好项目框架，便于“设校审”人员的全过程设计与管理。

虽然3DE平台具有上述建模、协同和管理方面的优势，但是目前道路工程模块方面的功能还不完善，不能完全满足公路工程三维设计的需求。因此，本研究基于3DE平台的CAA（Component Application Architecture）工具和内部EKL语言，开发完善其在BIM路桥隧协同设计方面的功能，包括路线、路基、桥涵、隧道、交通工程各方面，寻找和开拓出适用于公路的BIM设计技术。

1 工程概况

某公路工程地处岷江下游，线路全长约10km，路基宽度10.5m，采用场内一级公路标准设计。该项目周边居民点较多，区内有高铁、高速公路、自然保护区，边界条件复杂。由于该项目沿江建设，地质水文条件也相对复杂。

研究目的是在此平台基础上，设计人员可基于统一数据源开展多专业三维协同设计，更准确地查看并模拟项目真实的外观、性能和成本，还可以创建出更准确的施工图纸；三维设计的应用，能有效减少传统二维图纸的错漏碰缺问题及后期返工造成的成本增加，以达到节约工期，从而实现更多的经济效益；同时提高成本控制中工程量计算环节的工作效率和精度，为工程的智慧运营管理创造条件。

2 协同设计管理环境的搭建

2.1 协同管理系统WBS架构搭建

项目WBS的建立与架构，用于制定项目计划和确保实施。3DE平台中，WBS即WorkBreakdown Structure，是对项目的时间进行分解和任务划分［4］。

项目基本的流程为：创建项目→组建团队→WBS调整→工作分配→交付标准建立→项目启动。

该WBS架构平台支持用户在网页端分配工作任务给不同设计人员开展工作，随时浏览查看项目进度，包括项目的活动状态、任务整体进度、甘特图表、燃尽图等；实时完成和监控三维设计、校核、审查工作。

本项目WBS拆解为项目策划书、资料收集、现场勘查、总体设计、道路工程、岩土工程、造价工程共7个部分。每一部分工作均可指定所有者具有最高权限，所有者将每一项任务分派给团队成员，并可对项目的进度进行监控和管理。

通过对本项目的任务划分与分派，搭建了统一信息管理系统，相比于传统设计中点对点的联系，本项目编织起了设计人员与管理人员的信息沟通网络，可提高项目的水平和管理精度。

2.2 项目BIM设计结构树搭建

3DE平台的数据管理与交互是基于操作界面上的结构树来完成的，该结构树可以详细地保存设计过程中的点线面等数据。节点之间具有很强的逻辑联系和父子集关系，节点之间可以相互引用数据。所以项目任务划分完成后，接下来便是在3DE平台上提前搭建好每一部分工作的文件放置区域，即结构树节点的搭建。

本项目要点细分为地形、地质、线路、路基、挡墙、桥梁、隧道6个1级子点，每一个1级子节点下还包含组成该部分内容的多个子节点（见图1）。1级子节点可以指派所有权属性，如地形属于user06用户，该用户对此节点下的数据具有修改保存的权限，其余用户则不可更改，只有该用户将此节点下的数据发布出来后才能引用，避免了多用户同时在线操作情况下造成的数据混乱。

图1 结构树构造

3 基础三维环境的建立

3.1 三维地形地质

传统公路设计流程中，首先是测设项目所在地的地形地貌，以便全面了解线路周边情况［5］。同样，在3DE平台环境下的BIM设计［6］，在搭建好三维平台后便是建立实体三维地形。在3DE平台中建立三维地形的方式有多种，包括点云数据转换、CAD等高线转换、激光雷达数据转换等。介于长期以来测量单位提供的地形数据大部分以CAD等高线数据为主，因此在项目研究过程中采用等高线数据进行三维地形的生成。

首先，将CAD图纸中的等高线图层和高程点图层筛选出来，单独导出.dwg格式文件；并采用Rhion软件打开等高线高程点文件，通过曲线分段命令对等高线进行离散，离散的间距可根据项目进度需求选取（本项目取为2m），得到较为精确的地形点云数据，共计约1199620个点云；最后将点云空间坐标数据（x，y，z）导出为.txt格式，再重命名为.acs格式（见图2）。

图2 点云数据生成

在3DE地形模块下，导入上述.acs格式点云即可建立三维地形，最终建成的三维地形如图3所示。

图3 建成后的三维地形

本项目由于地处岷江边，水文条件较为复杂，为了线路设计中有更多的参考，结合3DE灵活的建模方法，创造性地将地质水位面也进行了三维建模。大致流程为：提取CAD中水位线图层曲线→曲线导入3DE环境→水位线垂直投影到三维地形线→封闭投影线→得到水位面。这些水位面在后期线路选择和路基设计中有较为关键作用。

3.2 地物和卫星图片参考

为了更加直观体现三维实景，下载了该地区卫星图片，通过ARCGIS软件对卫星图片和地形进行地理配准操作，保证坐标系一致，得到精确的地物展示效果，如图4所示。

图4 卫星配准操作

传统设计中有很多需要参考的地物图层，如河流、房屋、农田等。但目前很多地物均为二维线框，不具有三维属性，建成三维实体大多为示意性质。本次研究以房屋为例，进行三维实体建筑物的构建。具体流程为：①从CAD导入房屋图层→②将二维线框投影到地形中→③采用自编EKL语言程序，以线框和地形作为输入条件，并生成设定范围内的随机拉伸高度→④生成建筑物实体模型。此外，还可以直接导入CAD中需要用到的参考图层，直接作为设计中的参考要素。

4 线路设计

当三维环境节点地形、地质完成好之后，便可将结果发布，由线路专业设计人员在地形中开始进行线路的设计工作。由于3DE平台有原生的道路设计模块，功能较为单一，且没有交点桩号的显示和出图设置，不能满足设计要求，所以本研究基于C＋＋语言开发了新的“道路中心线快速设计”模块。该模块具有以下功能。

（1）道路中心线设计界面：支持用户选择现有的设计规范规则并在超标时警告，在三维地形界面设定交点并自动编号，显示交点地理坐标，设计交点圆曲线半径，缓和曲线长度及半径，设置虚交，设置交点的前后相切，最终计算缓和曲线长度。

（2）“显示参数”按钮：方便用户查看交点处的曲线元素参数、交点参数、桩号参数3个部分，包括切线长、高程、要素点的桩号等；“详细设置”按钮，主要用于设置线路起点桩号和线路名称，控制平曲线出图时出图元素的设置。

（3）设置设计参数界面：可以指定道路中不同桩号段的地质、桥梁、隧道、涵洞等名称和概况，用于后续的设计和出图。

纵断面设计部分，采用3DE平台原有的功能模块，进入之后与传统设计思路一致，即在平面定完之后可以对地形进行剖切，生成地形线，进行纵断面拉坡设计。

5 路基设计

5.1 路基横断面

横断面的设计基于建立好的空间线路和模板库，空间线路包含了全线的超高、加宽数据、桥隧布置桩号范围等信息。针对常用的横断面形式，研究建立了多种横断面模板，每一个模板里面提前预设了路基、路面、填挖坡比、路堑边沟等参数，并支持参数化修改。这些模板都存放在统一的服务器上，有单独的名称和创建者信息，不同用户需要使用时均可在3DE平台客户端直接搜索调用，避免了传统项目中模板协调的问题，且便于维护更新。

在设计生成的过程中，这些横断面参数可自动识别为线路中设计好的路面宽度和超高加宽参数，针对不同情况修改默认边坡填挖坡比和路堑边沟的参数，在布设桥梁和隧道桩号范围内不生成路基模型。选择好横断面模板和线路中心线后，便可以实现三维实体路基的生成。

生成道路路基填挖模型之后，通过3DE测量工具可以查看基于三维实体的填挖方量精确数量，本项目全线填方109382.966m3，挖方408557.349m3。相对于传统的平均断面法计算的填挖方量更加准确。

5.2 路基排水设施

排水设施目前支持路堑边沟与路堤边沟2种形式，其中路堑边沟设置在横断面模板内，生成道路路基时自动生成，路堤边沟则在路基模型建立之后添加。添加路堤边沟的过程类似于线路设计，可在路堤坡脚线的基础上对路堤边沟进行平纵设计，再调用服务器上设计好的路堤排水沟模板生成边沟三维模型。

6 桥梁隧道的整体性布设

研究开发了桥梁自动化整体布置模块和隧道整体布置模块。程序的思路为提前设置好布设桥隧的填挖阈值，自动计算全线道路中心线距离地形面的填挖方高度，当填挖值超过了设定阈值时，系统将自动调用模板库中设计好的桥梁或隧道模板，结合道路宽度参数生成三维实体模型。该模块功能可以辅助设计人员初步划分关键桥隧段落，大大节省了传统设计中人为判断填挖高度以设置桥隧的过程。

以桥梁布置为例，界面需要以道路中心线、地形、道路左右侧边线作为必要的输入条件；然后，设置好桥隧布置段的起始点桩号、桥梁结构形式、斜交角度、桥台类型等布设参数；最后，详细设定填挖阈值、桥台长度等信息即可生成桥隧表和桥梁的三维实体模型。

当桥梁生成之后可以在模型上结合地形地物对桥墩布跨组成和桥墩长度进行精细的调整，以满足设计要求。

7 交安设施布设

由于公路工程是线性结构，交安设施具有很强的规范化、标准化特性，采用程序自动化布设可行性高，二次修改工作量小。

针对不同道路等级和边界条件具有不同的选择要求，研究对于交安设施的布设做了初步工作，其整体思路为：建立各种类型的交安设施参数化模板，梳理各种交安设施设置的条件要求，编写自动布设的规则程序。目前，项目完成了参数化的模板建立，如限速标志，其包含距行车道距离、标牌尺寸、设计时速、标杆立柱大小、实体厚度等三维可编辑的参数化模型，并可根据输入的定位参数和几何参数放置。

8 二维出图

三维BIM设计的出发点是提高管理和设计的效率。目前，施工交付仍然以二维图纸为重要文件，所以BIM技术的研发中，二维施工图纸的出图是必不可少的模块。本研究针对上述各个功能均开发了出图模块，目前的功能包括线路平面图、纵断面图、路基横断面图、挡墙平立面图4种。

（1）平纵出图。平面、纵断面出图的信息主要包含线路走向信息、交点元素信息、曲线要素信息和要素表、标高里程信息、起终点信息、桥隧涵等构造物标注信息、地形地物的参考信息等（见图5）。

图5 平面出图示意

（2）路基横断面出图。路基横断面出图信息包含横断面宽度、填挖面积、挡墙横断面、地面线、标高里程等信息（见图6）。

图6 路基横断面示意

（3）挡墙平立面出图。挡墙平立面出图，可设置出图范围、起止点名称、典型断面、图号、出图格式等，图纸信息包含了挡墙的平面、立面、桩号信息等（见图7）。

图7 挡墙平立面示意

9 结论与展望

（1）3DE平台具有良好的协同管理和项目资料管理功能，可以在BIM设计中统一工作区，提升团队合作的效率。

（2）项目开发了基于3DE平台的中心线设计工具，可以根据需求编辑控制参数，完善3DE平台中原本道路设计工具的部分缺陷。

（3）通过定制和调用路基横断面模板生成路基的三维实体模型，将路基数据从传统设计的桩号断面离散数据升级到连续实体数据，对工程量的计算更加精确。排水设计中引入了线路中的平纵设计思路，对填挖交界段、水沟纵坡的处理可以更加精细。挡墙实现了自动化布设功能，并支持多种墙型。

（4）桥隧的布置采用程序自动计算填挖对比阈值判断，提高了布设效率，并且可以单独修改。交安设施因其规范化程度较高，程序编写好后根据设置规则便可调用放置，说明3DE平台赋予用户二次开发的空间较大。

（5）建立的水面及其在挡墙布设中的应用、三 维建筑模型、卫星图片等，使三维地形、地物和地质建模可同时用于BIM设计与探索。这说明采用3DE平台可以实现地形、地物、地质的三维建模整合，对建立公路工程项目的全专业整体化信息模型具有良好指导性。

目前，线路在平纵横界面的实时查看和交互功能方面，需在后续研究中进一步探索。目前，路基模板还相对较少，生成过程的计算量较多，排水设施和交安设施的自动化布设还有待研究，并且需要进行进一步优化程序算法。