基于BIM技术的三维公路模型设计探讨

孙建诚， 蒋浩鹏， 朱双晗

(河北工业大学 土木与交通学院，天津 300400)

随着建筑信息化模型技术(BIM技术，building information modeling)在岩土及结构工程中不断应用，BIM技术已日趋成熟。建筑信息模型是对工程对象的完整描述，可被建筑项目各参与方普遍使用，达到帮助项目团队提升决策效率与正确性[1-2]。BIM技术能将建设项目全寿命期内各个阶段所有信息进行电子化集成应用与管理[3]。目前BIM研究和应用处于爆发式增长期，总体而言其研究对象主要为建筑物，且主要集中于从2D设计过渡到3D设计阶段[4-5]。在使用BIM技术过程之中，不仅要求各个软件相互配合，其数据文件可交互使用，同时信息技术集成和共享更需要标准来规范操作并进行明确界定。由于BIM技术在我国公路行业发展和应用较晚，因此研究如何在公路设计阶段解决3D模型标准化建立和应用很有必要。

1 BIM标准

1.1 IFC标准

IFC(industry foundation class)标准即工业基础类标准[6]。IFC提供了建筑工程实施过程所处理的各种信息描述和定义规范，可以是一个构件实体也可用于抽象概念。IFC标准总共由4个层次构建，分别为资源层、核心层、共享层和领域层。公路工程项目类型较多，同时运行多个软件或程序可能存在数据无法完全兼容，导致数据无法交换等问题，而IFC标准极大程度上解决了数据交换和共享问题，节约了时间和经济成本。

1.2 IDM标准

IDM(information delivery manual)标准即信息交付手册标准[7]。IDM中描述信息是项目指定时间和地点基于特定目的的信息集合。在公路工程项目中，如路基工程、路面工程、交通附属工程等都可定义为特定信息，并应用于工程特定阶段上。IDM旨在将公路工程项目中的信息整理并经标准化处理后交给工程人员，最终与IFC标准形成映射。由于公路工程项目中所包含信息较多，IDM可降低信息传递过程中的丢失量，提高传递效率。

1.3 IFD标准

IFD(international framework for dictionaries)即国际字典框架标准。IFC和IDM标准只是给工程人员提供一个信息交互平台，缺少信息交换过程中编码标准。IFD采用GUID(global unique identifier)的方式可准确解决全球语言差异带来的编码不统一等问题。对公路工程而言，各类BIM软件及编码参差不齐，利用IFD能保证每个工程人员通过交换所得到的信息可以共享。

2 基于BIM的公路标准化设计

2.1 建模方式

对公路工程建设而言，建立3D地质和地形数据尤其重要。由于公路建设距离长、时间久等特点，因此其对于地形数据和选线设计要求较高。公路勘测设计阶段所建立的DEM/DTM模型能支持多种数据传输模式，可同时适用于选线、平面设计、纵断面设计、横断面设计、施工组织设计等要求。常规测绘方式包括外业测量、GPS测量、卫星遥感等方式，这些方式不仅费时费力，且需要的天气条件、地形条件较为苛刻。目前，倾斜摄影与实景建模技术结合的方式将大大减少工程人员工作量并提升效率。

传统3D地形建模通常使用3D-Max、AutoCAD等建模软件，以这种方式构建的地形模型易出现少块或丢失数据现象，而且其数据模型精度较低。其中倾斜摄影技术是国际测绘领域的一项高新技术，通过在无人机上搭载的多个传感器，可同时从一个垂直、4个倾斜等5个不同角度进行影像采集[8]。由于清晰摄影无人机配备有4个倾斜摄像头，可以最大范围、最大精度去感知复杂路段或交叉口等位置。而实景建模技术可有效提升模型利用率，降低时间成本和经济成本。最终通过倾斜摄影后利用实景建模技术将扫描的地形以3D方式展示出来。倾斜摄影无人机与实景建模技术如图1。

图1 倾斜摄影无人机与实景建模技术Fig. 1 Tilt photography UAV and virtual reality modeling

2.2 技术路线

公路工程项目设计中，构件与构件、设计要素之间存在着几何约束和逻辑约束[9]，需通过BIM技术在3D模型中定义参数关系。同时信息模型是BIM技术核心，公路工程项目全生命周期全部围绕信息传递进行运转和工作[10]。在公路设计、施工及运维阶段，各类报表的数据、施工图信息、工程量统计数据等都要与工程项目有关人员共享，但与此同时可能会产生较多复杂数据或数据无法完全兼容的情况。笔者通过结合IFC标准，改进和优化了BIM公路设计技术路线，如图2。

图2 BIM公路设计技术路线Fig. 2 BIM highway design technology route

目前公路工程施工和运营问题比较严重，经常因质量管理不当，导致工程反复进行从而延误工期。BIM技术施工应用主要包括：3D可视化施工、工程量统计报表的输出、施工详图及物料实时管理等；运维应用包括：VR/AR交付手段、建立公路BIM信息库等。在公路项目的设计、施工及运维阶段使用BIM技术可提高工程信息传递效率，降低风险。笔者通过结合IFC标准的层次性，构建了BIM公路施工及运营管理技术路线，如图3。

图3 BIM公路施工及运营管理技术路线Fig. 3 BIM highway construction and operation managementtechnology route

3 基于BIM的公路3D模型建立

3.1 建模软件

在设计阶段使用BIM技术需考虑工程全生命周期信息，从而可将工程信息整合、归类及管理[11]。一个工程项目不单单是一款BIM软件能够完成的，往往需要多款软件协同工作完成，同时要注意软件之间数据交换无差别进行。笔者通过分析工程项目及国内外BIM软件，首用Bentely公司系列软件进行公路主体设计，之后选用Autodesk公司系列软件重新进行设计，最后将两个系列软件功能进行综合对比。

3.2 项目概况

该项目为我国西北某丘陵区二级公路建设工程。该条公路对沿线矿产资源及农副产品开发与利用提供了便捷机会，对沿线各村庄经济发展具有推动作用。因此该条公路修建具有非常重要的经济建设和社会发展意义。该二级公路设计速度为60 km/h，路线设计为双向双车道。笔者以其中3 km路段作为工程试验段，并进行建模，采用参数化项目管理模式对数据文件格式和模型数据进行参数化管理。

3.3 地形模型对比

笔者通过将2D地形图生成3D模型，形成具体数字地面模型。与以往不同的是，本次分析采用两款软件对比的方式进行设计。其中Civil-3D和Powercivil都可读取2D平面的DEM文件，经过消除粗差点处理之后，得到了各自地形图，如图4。

图4 地形模型对比Fig. 4 Comparison of terrain models

3.4 平纵断面设计对比

笔者以两款软件对比方式对工程试验段进行平、纵断面设计，首先从原2D设计文件中提取平曲线，分别用Civil-3D和Powercivil完成平曲线设计(图5)。在纵断面设计阶段，注意在3D地面模型当中生成地面线高程。对Powercivil软件，按照竖曲线要素设计即可；而对Civil-3D需先添加地形曲面，之后添加地面线高程和里程桩号后才能进行纵断面设计。最后通过平、纵曲线拟合，形成3D关联空间曲线段。设计过程中，Civil-3D和Powercivil都有各自设计标准模块工具可检查各个复杂构件、图元的可靠性和准确性。

图5 平曲线设计对比Fig. 5 Comparison of plane curve design

3.5 横断面设计对比

Powercivil横断面设计功能较为强大，整合了路面、路肩、护栏、缘石等构件要素，也可对横断面各个构件赋予信息要素且设计时较为方便。但笔者在设计后期发现：其输出的横断面文件只能为Bentely公司软件使用，与BIM技术特点——协同性不符，这就导致工程人员无法有效读取项目数据文件，拖延工期。与Powercivil不同是，采用Civil-3D软件进行横断面设计时，其步骤较为复杂且不符合我国公路工程设计人员操作习惯，具体步骤需先进行标准横断面设计并添加各个公制基本部件，例如：基本车道、铺装层结构、基本路肩、路缘和边沟、护栏、基本挡墙等。但Civil-3D是基于Autodesk公司的BIM软件，故其后期信息处理和共享方面非常成熟，横断面设计完成之后即可对横断面模型信息实时查看、浏览。两款软件建立横断面模型对比如图6。

图6 横断面设计对比Fig. 6 Comparison of cross-sectional design

3.6 深化设计

横断面设计及布置后就可组装完成公路的整体BIM模型。在信息处理方面，笔者以IFC标准为基础实现了设计模型信息的共享。例如：Civil-3D输出模型文件可动态关联到Navisworks软件中进行施工组织深化设计，最终得到施工进度图。

Civil-3D和Powercivil软件都可自动产生填挖方、沥青混凝土用量、构件尺寸数量等报表，表1为土方量对比。根据表1可看出：基于BIM的Civil -3D和Powercivil的土方量计算相差不大；相对断面法所算出的累计填挖方值差距较大，说明传统方法计算结果较为粗略；而经过现场校核，这两款软件所得出的土方结果更为准确。

表1 土方量对比Table 1 Earthwork volume contrast m3

4 结 语

笔者通过结合IFC标准将BIM公路设技术路线进行了改进和优化，同时将以可视化为基础的BIM技术引入公路工程施工及运营管理技术路线中，完善了理论依据和基础。同时基于某二级公路，对比分析了目前公路设计的两款BIM软件，完成了公路工程整体设计过程。对比发现了两款软件各有区别，具体结果如下：

1)在地形模型建立过程中，笔者发现Civil-3D软件所构造的模型不能添加高程对比颜色，相对于Powercivil不能直观表达出各个具体高程点；

2)在纵断面设计时，Civil-3D和Powercivil都可先输入公路纵断面参数之后进行纵断面设计，但Civil-3D比Powercivil输出的纵断图参数要多，例如超高参数、曲率参数等，而这些参数意味着能提供更多的信息给工程人员，能提高工程设计、施工效率；

3)横断面设计时，Powercivil软件相对于Civil-3D更符合我国公路设计人员操作习惯，但输出文件格式并不能为其他公司人员使用。同时，基于Bentely平台的ProjectWise软件相对于Navisworks在深化设计和施工管理方面并不成熟和完善；

由于BIM软件限制，BIM技术在公路工程上应用较少，BIM技术在公路领域优势并未完全发挥。需进一步完善BIM技术在公路工程设计、施工和运营技术路线的应用，并应大力开发二次软件使其更适合我国工程人员使用。总之，BIM技术可极大提高设计效率和质量，减少设计过程中信息不匹配和丢失等问题，降低工程建造成本，进而提升运维管理水平。