基于BIM技术的道路三维设计方法研究
时间：2023-06-12 20:10:21 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
张元峰
（1.中国公路工程咨询集团有限公司,北京 100189; 2.中咨华科交通建设技术有限公司,北京 100039）
BIM 指建筑信息模型（Building Information Modeling），是一种新型工程建设理念，给工程行业的设计效率和设计水平带来了巨大的提升，并可以大幅节约工程造价。目前，BIM技术主要应用在工民建领域，在基础交通设施领域的应用较少。随着BIM理论的不断成熟，国内外很多学者和工程技术人员开始关注BIM技术在路桥项目中的应用，并取得了很多先进成果。但是，并未形成系统性的理论或规范来指导道路工程的设计[1]。同时，相对于建筑工程，道路工程建设里程长、涉及专业多、勘测数据量大、设计难度大。因此，进一步研究BIM技术在道路设计中的具体应用有十分重要的工程意义。
1.1 BIM技术特点
BIM技术并不是某个特定软件。BIM是以三维建模技术为核心，以可视化的形式对各种工程项目进行模拟，即利用BIM将不同专业的项目信息整合在三维数据模型中，以提高设计水平。
在工程项目设计时应用BIM技术主要具有以下优势[2]：①可视化。目前，公路工程在设计时主要是利用二维线条来表示各种构造物，直观性较差，难以清楚地向业主展示设计方案和设计意图。BIM技术可以将公路上的路基、桥梁、隧道、交通设施等进行三维可视化，以清晰地展示各构造物的空间逻辑关系、构件内部结构等信息；
②协同性。公路工程涉及的专业较多，信息繁杂，各专业的协同贯穿整个设计阶段。如果在设计期间各专业沟通交流不畅，可能出现各种钢筋打架、管道冲突、工程量重复计量等问题，造成大量设计变更，严重浪费时间和人力。BIM技术可提前对工程进行碰撞检查，实时修改项目数据文件，减少工程返工；
③模拟性。BIM技术不应只作为翻模软件，在3D模型上加入时间进度信息，就能进行施工进度、施工风险等4D模拟。再加入成本造价信息，还可以进行5D模拟，便于在设计阶段加强对项目成本的控制；
④工程量统计。传统概预算文件编制是基于设计人员提供的工程量，需要造价人员和预算人员反复沟通。而BIM模型中的各个构件设计参数都可以按照实际输入，将这些参数和专业造价软件结合后能快速、准确地导出工程量，大大提高了造价人员工作效率。
1.2 BIM技术平台选择
BIM技术应用在道路设计中并不能只依靠某一个软件，而是需要多种软件协作交互，共同完成设计任务。选择BIM技术平台的核心就是选择建模软件，在交通领域，Autodesk和 Bentley公司的解决方案较为完善，具体对比见表1。
综上，Autodesk平台能够和CAD数据互通，市场占有率高、开放性好、可编辑性强，且在国内学习资料多，学习成本低，该文建议将Autodesk公司的产品作为道路三维设计平台，并以Civil 3D为核心建模软件[3]。
2.1 工程概况
2.1.1 建设标准
该文以某高速公路项目为研究对象，利用Civil 3D软件，探讨BIM技术在道路设计中的具体应用。
该高速公路全长45.5 km，路线起讫桩号为K0+000～K45+500，设计速度为100 km/h，设计荷载为公路I级，主线为双向4车道，路基横断面宽度27 m，其中中间带宽 4.5 m，行车道宽 2×2×3.75 m，硬路肩宽 2×3 m，土路肩宽2×0.75 m。沥青路面结构厚82 cm，路面结构组合为 4 cm AC-13C+6 cm AC-20C+8 cm AC-25+10 cm LSMP-25+18 cm 5% 水稳碎石基层 +18 cm5% 水稳碎石基层 +18 cm 3.5%水稳碎石基层。
2.1.2 建设条件
项目位于丘陵和平原交接地带，大部分地形平坦，局部地形较陡。地表覆盖层较厚，厚度约3.5～6 m，由黏土、碎石质黏土等组成，基岩为三叠系灰岩，地下水丰富，并含少量第四系上层滞水、基层裂隙水。同时，项目所在地属温带季风气候，年平均气温约15.6 ℃，雨水较充足，年平均降雨量在1 087 mm，主要集中在6—10月份。
2.2 地形图处理方法
道路工程呈三维带状分布，各个空间地理信息都可能引起路线、路基填挖、桥型桥位等变化。为了便于设计人员对地形地貌、工程地质、水文地质等有充分的认识，需要将审核后的测量数据导入BIM建模平台中[4]。
2.2.1 地形曲面建模
包含测量数据DWG图形文件需进行预处理，不宜直接导入Civil 3D软件中创建曲面，具体处理流程为：①利用图层命令，使图形中只显示道路设计所用到的数据，如等高线、坐标、高程等；
②将上述数据复制到空白图形，利用图形清理命令清除掉图形中的重复项；
③利用线条合并命令将图形的等高线转换为多段线；
④处理后的图形另存为新图形，导入Civil 3D软件中创建曲面，生成地形曲面三维模型，如图1所示。
图1 地形曲面三维模型
2.2.2 地形曲面分析
地形曲面模型建立后需要手动排除错误的地形数据，并修正得到基准曲面，随后进行高程分析和流域分析。经分析，项目所在区域的高程由西向东先减小再增大，呈“谷地”分布，在选线时应注意高点和低点的纵坡和通行方案，流域面积、流域边界等不再赘述。
2.3 平面线形设计方法
Civil 3D中内置的平面线形设计方法包括导线法、线元法、利用cad对象创建路线、利用道路征线创建路线等，其中导线法和线元法应用较为广泛[5]。
导线法：适用于地形不受限的路段，是通过地形曲面模型和平面主要控制点快速地完成道路走向设计，在Civil 3D软件中依次点击常用→路线→创建路线工具→路线创建布局。在调出的功能界面选择切线—切线选项，此时可根据Civil 3D命令行提示依次选择道路设计起点、控制点、终点等，同时需依据《公路路线设计规范》（JTG D20—2017）设置圆曲线、缓和曲线的类型、参数等。
线元法：适用于道路地形复杂路段，是以路线起终点坐标、半径、方向角、线元长度等元素定义一个线元，逐段确定线路位置。Civil 3D中可通过拖拽方法动态调整线元的设计参数，这样只会影响相邻线元的位置，不会影响线位整体。
该项目的平面线形设计选择“导线法+线元法”的方法，在地形不受限路段采用导线法设计（K0+000～K15+600，K40+800～K45+500），在地形复杂，限制物较多的路段采用线元法设计（K15+600～K40+800）。
2.4 纵断面设计方法
Civil 3D软件是利用“纵断面布局工具”来输入竖曲线半径、坡度、变坡点高程等指标，实现纵断面设计，并根据公司出图习惯定制纵断面图样式。Civil 3D软件中不仅可以显示道路中线的纵断起伏情况，还可以通过“采样偏移”命令来显示距道路中线一定距离的纵断面线形，有助于设计人员了解纵断面沿道路横向的变化情况。如在采样偏移命令行中输入“15，−15”，会在图形中分别显示道路右侧15 m和道路左侧15 m处的纵断面线形[6]。
该项目的纵断面主要设置22个变坡点，最大纵坡5.88%，最小纵坡0.38%，最小纵坡坡长150 m，最小纵坡坡长1 890 m，凸曲线最小半径800 m、凹曲线最小半径 900 m。
2.5 横断面设计方法
2.5.1 自定义横断面部件
道路横断面的常用部件有行车道部件、硬路肩部件、边沟部件、路缘石部件、挖方或填方部件及各种连接等，主要部件的属性如表2所示。通过将各个部件按设计方案装配组合，就可以实现道路的横断面设计。
表2 道路横断面主要装配部件属性
2.5.2 部件装配方法
道路横断面是以其中心纵断面线作为基准线，将多个部件按设计文件进行逐段装配，并可以在工具栏右侧动态调整装配部件参数。同时，为了节省设计时间，道路横断面可只装配一侧，另一侧部件利用镜像命令生产。横断面与道路平、纵线形模型存在一致性，后者参数改变，前者也随之动态调整，以确保道路信息的真实、准确。
综上，在道路的平、纵、横线形确定之后，还需要用Civil 3D软件中的设计规范编辑器对线形指标进行检查。如果有指标不满足规范，路线元素上会出现叹号，应手动调整线形指标，直至所有参数均满足规范要求为止，最终建立的道路三维模型如图2所示。
图2 道路三维BIM模型示意
3.1 三维空间视距计算
道路线形在设计之后，需对行车安全性进行检验，而视距是保证行车安全的重要指标之一。视距大小除了受平、纵、横指标影响，还与护栏形式、绿化植物等因素密切相关。
利用BIM技术建立道路三维模型，能模拟车辆在实际场景中的行驶规律，并沿道路前进方向逐点扫描，利用“空间两点通视”原理计算出车辆以一定速度行驶时，司机能看到的最远距离，即三维空间视距（见图3）。当视点位于视野较好路段，视距计算值＞最小视距值，返回值=最小视距值；
当视点处于视野较差路段，视距计算值＜最小视距值，则返回值=视距计算值。
图3 Civil 3D软件中三维空间视距计算
相对于传统平面视距，三维空间视距更符合实际情况，能考虑各种不利条件对司机视线的影响，对道路安全性分析更有价值。
3.2 土石方统计
3.2.1 土石方计算
土方填挖规模也是衡量道路线形设计质量的重要参数。传统的道路测量数据一般是20 m或25 m一个采样断面，而土方计算是采用平均断面法，计算精度差。尤其是在地势起伏变形大的山地丘陵路段，土方计算误差可达10%以上。而Civil 3D是基于三角网格法，自动创建横断面采样线来计算土方。采样线越多，道路段落划分越细致，土方计算精度也更高。
3.2.2 土石方调配
土石方调配设计是否得当会直接影响道路总投资，因此，土石方调配应基于填挖平衡和运距最短的原则，合理选择调配方向、运输路线。Civil 3D软件可以利用工具栏上的运距、弃土场、取土场等功能快速导出土石方调配图。
该文研究了BIM技术特点、平台选择方法等，并以某高速公路项目为研究对象，阐述了Civil 3D软件在道路三维设计中的具体应用，主要得到以下几个方面的结论：①BIM是一种新型设计理念，以三维建模技术为核心，多种软件协作交互，共同完成设计任务，具有可视化、协同性、模拟性等特点；
②Civil 3D软件中平面线形设计方法常用导线法和线元法，前者适用于地形不受限的路段，后者适用于道路地形复杂路段；
③可利用Civil 3D软件自定义纵断面线形参数和出图样式，并以纵断面线为基准线，将多个部件装配组成横断面；
④利用BIM技术能计算出三维空间视距，更好地评价道路线形设计的安全性。研究成果可以为类似的公路项目设计提供科学的理论指导。
