BIM技术在城镇公路勘察设计中的应用

□ 何永志

21世纪以来，我国公路建设发展迅猛，城镇公路勘察设计三维模型的标准化是把BIM技术和城市道路征集设计结合起来，以达到共同发展的目的。

工程信息模型（BIM）在国内外建筑业中有着广泛的应用，具体表现在工程规划、测量和施工、施工和监测、运行和维护等工程全过程的运用，大大提升了整个工程行业的工作效率和质量。

在我国公路勘察设计行业中，对BIM的研究与应用尚处于起步阶段。BIM是基于数据互操作的，在不同的技术任务下，如何实现公路三维模型的标准化和信息交换，并最终实现BIM技术与城市公路勘察设计的协同配合，是公路勘察设计领域的核心技术问题。

1 概念浅析

1.1 BIM技术与公路工程勘察设计

BIM技术经常被用于分析、操作和提供设计和建造资源，同样可以应用到公路工程勘察设计中，可提高设计和施工效率，避免实际施工中不必要的安全隐患和风险。BIM建筑信息模型技术的特点十分突出，可概括为整体性、相关性、一致性、可视化、设置性、模拟性、优化性、致盲性。

1.2 公路勘测施工

公路运输技术领域的主要工作是地质勘探和制图、遥感图像分析、物探、地质土质提取和城镇公路试验。根据一系列的前期研究工作进行分析、总结，并完成最后的研究和计划，获得道路交通技术研究报告。

2 城镇公路BIM三维模型建模分析

2.1 城镇公路三维模型的建模

城镇公路目前在设计阶段很难建立一个三维的模型来完成其整个生命周期的各种任务，但是，层次建模方法如LOD（详细层次）可被用来完成尽可能多的任务。按照BIM模型的应用任务，可利用模型的几何信息和属性信息，建立相应的城镇公路设计空间分布图。

DEM-TIN模型主要关注自然条件，例如地形、地质、地貌、生态；生成三维城市道路模型，强调对设计路径的概念和管理，例如道路、桥梁、隧道、服务设施等；用四维（时间维）表示建筑水平管理，改变模型颜色或其他功能。路线规划完成后，各个部件的三维模型可以根据设计方案快速重构[1]。

2.2 数据建模方法

城镇公路技术勘察设计项目主要分为新建、改建两类。勘测范围通常包括改扩建工程现场和现有的主要建筑物，如道路、桥梁、隧道等。当前我国公路勘察设计阶段虽然可以建立三维模型，但后期对层次LOD建模要求很高。在BIM咨询的整个生命周期中，模型的丰富性和细节性是其设计的主旋律，所以要尽量避免重复建模和模型信息冲突。

结合现有的道路测量技术和CAD技术，通常从道路现场测量和三维模型库中提取道路BIM模型，构建现有道路和道路走廊的三维模型。建设信息模型几何信息和纹理特征可用于现有地形和道路模型。

（1）卫星测量系统。在立体测绘中，采用0.5m以上分辨率的卫星图对其进行加工，然后在此基础上利用卫星影像生成地表构造，建立3D模型，进行地质灾害遥感解析，该方法在初步设计或者方案比选中应用性较强[2]。

（2）航空摄影测量。采用超过1∶2000比例尺的数字地形图，以满足公路建设需要。

（3）三维激光测量。三维激光技术有如下特点，有较强的植物穿透能力、有采集点三维坐标的能力、速度快、精度高。该方法运用灵活，数据处理周期短，非常适合城市道路的三维建模。

以城镇道路为对象的三维建模中，地面测量和无人机测量优势各异。在地形、互通立交、路基、路面、桥梁等环节的测量中，可以采用直升机、无人机以及小型运输机的测量方法。其采集结果用DOM或三维激光点云呈现，能够满足公路设计和现有路面的探测要求。机载激光测量技术为1772cm能够符合城镇公路改建要求。在无遮挡的道路基础设施如护栏、路面、标线和隧道内部横断面的测量上，可以以汽车为载体进行测量，数据成果以全景彩色数字镜像和三维激光点云进行展示。然后，利用地勘钻孔数据，运用 AutoCAD技术、自动三维建模技术，对线路廊道隧道周围的岩体进行三维建模[3]。利用激光测量、高分辨率卫星测量和航空摄影测量等方法，获得地表特征的三维信息。

3 勘察设计阶段BIM协同设计

（1）模型坐标单位。DEM提出了道路设计的三维模型和交通辅助设备的三维模型，用于现场测量的飞机坐标系和高度坐标系，既符合我国公路现有的设计习惯，又能满足我国道路发展的需要，便于模型的碰撞检测与分析和后续工程的设计与运行[4]。

（2）现有公路一级模型的精确度。针对城镇公路改扩建工程计量要求的精确度和我国公路工程建设与养护管理的要求，提出了符合设计图纸的精度要求，即高精度。就现阶段来说，能够实现高精度公路测量施工的只有三维激光技术，其在我国城镇公路改建中有着重要作用。

（3）直观管理模型。相较于CAD图形，BIM模型的属性信息和几何信息更加丰富，如果使用Bentley和Revit软件对BIM应用进行开发，应该将包含属性和几何信息的对象信息打包成相应的文件。BIM基于层次结构LOD模型，针对工程信息不同任务的需求，提出了一种方便、高效、丰富的三维工程信息可视化方法。

（4）专业BIM协同设计。当软硬件水平相同时，BIM的应用效果受到用户使用BIM技术的能力限制。

4 勘察设计阶段BIM应用实践

某城市公路改扩建工程路线里程约191km，具有纵向分段、横向分段的特点，施工形式多种多样，路况复杂，运输量大，施工和技术难度较大，并且对于工期有着严苛的要求。在该项目中，为了获取既有路面的地面信息，相关工作人员使用机载激光三维测量技术对其进行测量，并实现了公路 BIM可视化。

机载3D激光测量技术能够对公路地表的三维数据进行精准获取，同时还能严格控制数据测量精度，使其符合相关设计标准。另外，由于不同路段的实际情况不同，也采用了车载设备进行测量，由此获得的相关数据为构件BIM模型提供了有效依据[5]。

在该公路的勘察设计中，对点云数据的处理以及对所有DOM的处理均采用统一的平面坐标系。在处理地面表密度点云数据和正射影响之后，按照不同比例尺要求，根据所采集的点云数据和DOM数据，构件DEM多级分辨率模型，以此为不同设计方案的选择和公路工程路线的选择提供基础数据。另外，公路工程的路面以及相关桥梁的点云模型在BIM模型中也得以应用。在Auto CAD条件下，设计人员可以将BIM模型和彩色分辨率为0.2m的DOM模型进行共享，以实现其在模型中的有效集成。

此外，所有比例尺条件下的DEN模型也可以利用Bentley平台进行导入。使相关数据都能呈立体化展现状态。在此背景下，设计人员就可以根据不同的路线桩号展开详细设计，便捷地获取原路面数据和相关地形，并自动实现提取既有车道标线。结合Bentley平台和Highway、Las等设计软件，以BIM精细模型为基础，方便快捷地完成公路改建设计。BIM模型还可以成为基础设计成果展示平台和共享平台，通过与CAD软件的联合，将设计方案直接导入CAD中[6]。

5 结语

针对BIM三维建模图像设计的核心特点及数据交互，对城镇公路工程BIM设计进行了初步的探索和应用。今后我国对公路信息商务软件的整合、设计与施工管理、标准体系的建立、BIM设计的效率与质量等方面的研究和发展还有待业界的共同推动。

目前，BIM技术在城镇道路工程中的应用还处于起步阶段。实现公路勘察设计信息流在公路生命周期BIM中的应用，将成为现代公路建设的迫切需要，为公路基础设施建设创造更多的技术价值和经济效益。