基于BIM的道路正向设计方法研究

金雪峰, 张志清, 肖书影, 张贵阳

(北京工业大学交通工程北京市重点实验室， 北京 100124)

0 引言

随着公路运输的快速发展，暴露出传统道路工程中信息传递效果差、生产及管理效率低的问题[1]，因此在道路工程中应用了BIM(Building Information Modeling 建筑信息模型)技术用于解决这一问题[2]. 但随着BIM的不断应用，却在道路设计方面出现了严重的“翻模”(也称逆向设计)问题. 这种问题导致建模的工作量巨大，不仅没有发挥BIM的优势提高设计效率，反而还有所降低. 并且模型所储存的信息是否完整、准确还有待商榷，模型可重复利用性小[3-5]. 因此研究基于BIM的道路正向设计方法，对于解决“翻模”问题，切实提高信息传递效率具有重要意义.

1 BIM的内涵和特点分析

1.1 BIM的内涵

BIM的雏形来自于美国的查尔斯·伊斯曼(Charles M. Eastman)博士在1975提出的建筑描述系统(Building Description System BDS)，该系统目的在于降低图纸的冗杂、保证图纸信息的有效更新并在数据分析中降低人工成本，从而可提高整个项目的效益[6]. 随着BIM技术的不断应用与发展，BIM的定义也在不断更新. 综合国内外学者对BIM的研究,将道路 BIM 定义为：将道路工程项目的各项信息包含在1个三维信息模型系统中. 并通过收集、储存、管理、分析和反馈项目信息，为建设项目全生命周期中的各阶段、各参与方提供高效、准确、可视的信息交流与共享平台，进而提高整个行业的生产效率，其核心内涵在于“信息”.

1.2 BIM的特点分析

通过对文献的研究与分析，结合BIM的内涵，对BIM总结出6个核心特点[7].

1.2.1 完备性

BIM是项目或设施对象的物理和功能特性的数字化表达，与传统只包含三维空间信息的3D模型不同，在BIM模型中既要包含对象的空间信息也要包含必要的非空间信息.

1.2.2 关联性

模型信息的关联性是保证项目高效性的重要前提，在修改方案时显得尤为明显，在发现设计不合理或与其他专业冲突时，只需修改1次，相关关联的对象便会自动修改，而无需重复修改.

1.2.3 一致性

一次建模多次使用，在全生命周期不同阶段的模型信息可保持一致，同一信息无需重复输入. 实现信息在全生命周期中的互用，保证信息在传输与交换的过程中不会造成信息的丢失与出错.

1.2.4 可视化

可视化即“所见即所得”，不同于传统的设计方法与效果图，BIM可视化既表示模型外观的三维可视化，更是表示BIM技术的操作环境是三维可视化的，设计、碰撞检查、施工模拟以及运维分析都是处于可视化的环境中.

1.2.5 协调性

协调性也即不同专业设计师之间的协同性，在传统设计中常会由于各专业设计师之间的沟通不到位，而会出现各种专业之间的碰撞、疏漏等问题.

1.2.6 模拟与优化性

模拟仿真与分析优化，在信息模型的基础上，通过软件的模拟、仿真、计算等功能对模型进行模拟分析，从而对设计进行相关的决策与评估，并可提前预测施工或运维阶段可能出现的问题，可在设计阶段及时进行优化.

2 道路BIM正向设计理念及关键问题分析

2.1 “翻模”现象及分析

“翻模”现象，即设计人员在传统的环境信息(二维平面地形图、文字说明、二维地质剖面图)的基础上，先用原有的道路设计工具完成道路设计，生产出二维设计图纸，再交由“建模人员”根据二维图纸的设计信息构建出三维信息模型(三维地面模型、道路模型、桥梁隧道以及其他构造物模型)，最后进行仿真分析[8]. 流程结构如图1所示.

图1 翻模的流程

这种模型构建方法缺少BIM技术所应具有的完备性、关联性以及一致性等核心特点. 虽然在可视化方面可较好满足需求，但设计环境仍处于传统二维环境中，并且设计与信息模型分离，这也是翻模最大的特点也是最大的弊端. 设计与模型无法同步更新，数据之间无法保持动态关联. 这也就导致翻模与修改的工作量巨大.

2.2 道路BIM正向设计理念的提出

为解决翻模现象，提出了道路BIM正向设计的理念，即在三维数字环境模型的基础上，利用相关软件，完成从设计到三维关联建模以及仿真的过程，三维模型的设计环境贯穿始终. 但需要注意的是BIM正向设计并不是意味着完全推翻传统的设计思路(即平、纵、横的设计思路)，而是在延续已经较为成熟的设计思路的基础之上，让BIM真正融入设计方案从无到有的设计过程，可实现基于设计方案的自动或手动三维参数化建模. 核心在于强调三维环境信息以及设计与模型之间保持动态关联、动态更新，将设计融入到建模之中，在模型应用时也无需重复设计或重复建模，实现一模多用的目标. 流程结构如图2所示.

图2 道路BIM正向设计思路

2.3 关键问题分析

实现以上内容最关键的问题在于如何使设计软件以及核心建模软件之间的文件相互兼容并且动态关联. 目前，通过已有软件主要有2种方法可解决这个问题.

方法1：研发不同软件与核心建模软件之间关联的接口，但该方法难度较大，而且不同信息是否能同时放在同1个模型中，并被不同设计者使用仍是个问题；

方法2：基础设计软件以及核心建模软件为同1个软件，以此为基础个别设计单独设置接口，并结合其他仿真软件搭建软件平台. 该方法技术难度较低，最为可行，只需找到1个满足要求的核心软件，再通过软件之间已有的数据交互功能即可实现. 本文采用的便是此方法.

3 道路BIM正向设计方法

3.1 搭建软件平台

目前，国内外主流的BIM核心建模软件主要是Autodesk(产品：Revit、Civil3D等)、Bentley(产品：Power Civil、MicroStation等)、Graphisoft(产品：Archi CAD、Nemetschex等)、Dassault(产品：CATIA、Digital Project等)等公司研发的相关产品. 本文通过文献阅读以及实践情况，最终选择Autodesk公司的Civil 3D软件作为核心软件[9-10]. 并结合Subassembly Composer、3ds Max、Navisworks等设计、仿真软件，通过单向或双向的连接方式，搭建软件平台，如图3所示.

图3 软件平台

3.2 三维地面模型

将外业测量中得到的地面数据(点文件、多段线、GIS数据等)导入到Civil 3D软件中，通过三角构网的方法对任意一点进行Delaunay三角剖分，并连接彼此最近的曲面点进而构成三维地面模型，如图4所示.

图4 三维地面模型

三维地面模型在储存地形信息的同时可直观的为设计人员提供地形情况，使定线与选线工作更为方便、准确.

3.3 道路平、纵设计

3.3.1 平面设计

在三维地面模型的基础上，可通过道路设计中常用的线元法与导线法进行道路平面设计，通过确定导线的位置以及圆曲线半径等参数完成设计[11].

3.3.2 纵断面设计

纵断面设计主要分为创建动态纵断面和创建设计纵断面2步[12]. 动态纵断面指的是从地形模型、道路模型等三维对象进行纵向剖切得到的断面线，并且能根据剖切对象数据的变化而保持动态的更新. 设计纵断面是在动态纵断面之上创建传统纵断面设计中的设计线，如图5所示. 设计时还可通过设置“设计规范检查集”实现设计规范动态自动检测，减少设计人员检索、核对规范指标的时间与精力.

图5 纵断面设计

3.4 参数化横断面设计

在传统的横断面设计思想上引入了部件与装配的概念，从而在道路设计中实现参数化横断面设计.

3.4.1 部件

部件是参数化横断面设计中最基本的单元，可看作传统横断面设计中的基本组成结构(例如：行车道、路肩、路缘石、护栏等)，区别在于将其信息化、参数化以达到快速动态建模的目的[13]. 通过部件编辑器软件(Subassembly Composer)，可根据情况构建自定义部件，每个典型部件的平面图形都是由3种基本单元构成：点(标记)、连接、造型，并通过代码进行参数化设计，如图6所示.

图6 部件

图6(a)中点是几何图形的顶点；连接是点之间的连线；造型即连线围成的闭合区域. 图6(b)中P1～P4是部件的点代码，L1～L4是部件的连接代码，S1是部件的造型代码.

3.4.2 装配

装配可理解为道路的标准横断面，它由数个部件组成，并可统一管理部件，用于生成道路三维模型[14]. 1个装配对象由插入点(选择图形的初始位置，与道路的中心线相对应)、基准线(视觉辅助线，用于表示道路中线的垂直轴)、基准线点(通常与插入点重合，作为第1个部件的初始位置)、偏移点(用于表示偏移路线与道路中线的相对位置)、偏移线(视距辅助线，与基准线类似，用于表示偏移路线的垂直轴)5部分组成. 在装配中添加相应的部件即可组成完整的装配.

3.5 道路建模

3.5.1 建模原理

建模原理是程序通过部件的代码来控制道路模型的拼接，从路线的起点开始，通过设置步长来控制装配水平与垂直方向加密的程度. 点的连接可构成模型纵向的要素线，连线的拼接可构成面，所以1个部件会生成顶面与底面，例如：行车道的顶面，基层的底面等等，而造型的连接可构成道路的铺装层，路缘石、边沟等三维信息模型.

3.5.2 建模的基本流程

创建道路模型主要分为3个步骤：第1步是确定基准线类型，通常是以路线和纵断面设计线为基准线；第2步是为模型确定横断面装配并设置目标曲面，目标曲面是作为路线的放坡对象，根据边坡和纵断面的设计生成路堤或路堑；第3步是设定桩号步长，控制装配沿线的加密情况，数值越小所构建的模型越精准，但构建模型的时间也越长. 生成之后的道路BIM模型如图7所示，该模型可在后续的土石方计算、创建道路曲面、驾驶仿真、施工模拟以及出图等方面进行应用.

图7 道路BIM模型

在道路BIM模型的基础上可进一步对道路设计方案进行多窗口审核与修正，设计与模型保持动态关联，设计发生变化，模型也会自动进行更新.

4 BIM模型的具体应用

4.1 信息管理

4.1.1 信息查看与修改

构建完模型之后，可对其中的信息进行查看与修改，在Civil 3D中信息的查看主要有标签(可与夹点编辑相配合)、特性、全景窗口以及子图元编辑器这4种方法，其中第1种方法本身只能查看信息但无法直接在其上进行修改，而后3种方法既可查看信息又可进行动态修改.

4.1.2 信息提取

信息的提取方法主要有3种，①以某一格式对设计信息加以解释，以文件的形式进行保存输出，如：保存成dwg格式文件、IFC格式文件、vsp3d格式等等，可在不同软件之间实现信息的共享；②通过“Dataextraction”命令进行提取，该方法可将对象的文本、几何、线形等信息进行提取，如：通过该方法可提取地形曲面上的高程点；③通过生成动态图表对信息进行提取与整理，其中的动态是指当设计方案发生变化时系统会自动更新图表中的内容，或是直接在图中对设计方案进行修改，相应的道路模型也会进行更新.

4.2 工程量统计

在Civil 3D中为道路模型设置采样线与土方量标准，对道路材料以及填挖方量进行计算与统计. 土方量计算的方法有平均端面积算法、棱柱体算法以及组合体积算法3种方法. 前2种方法是道路中常用的断面法，该方法使用的公式是在采样线之间内插体积，计算结果的误差较大，并且在地形复杂的地方计算量会比较大. 而组合体积法是DEM法(Digital Elevation Model，数字高程模型)，核心是三角网格法，通过道路模型生成道路曲面，然后与地形曲面进行比较来计算土方量，该方法使用实际曲面数据，不使用公式，数据与计算结果更为准确，但该方法不能计算构造类型的材质以及多材质曲面之间的计算.

4.3 环境建模与驾驶模拟

利用Civil View插件，搭建Civil 3D与3ds Max软件之间的动态链接，通过3ds Max的建模、渲染以及漫游功能，实现道路环境的快速建模与驾驶模拟. 可让设计者从驾驶人员的视角发现设计中的不足[15]，如图8所示.

图8 驾驶模拟仿真

4.4 视距检测

在设计时常常会出现视线遮挡的问题，而传统平面视距包络图的方法无法有效解决三维视距检测的问题，但通过BIM模型可对空间三维视距进行检测. 利用空间两点的通视原理，在道路模型中设置视线、目标高度以及最小视距等参数，计算判断视点与目标之间是否存在模型遮挡的问题[16].

4.5 4D/5D施工模拟

4D/5D施工模拟可在施工阶段为对施工人员提供详细的时间进度(4D)以及费用(5D)信息[17]. 预先模拟施工的过程，一方面可便于统计与管理施工成本；另一方面便于设计师与施工人员之间的交流. 通过BIM技术，可将Civil 3D中的设计信息快速、准确的导入到Navisworks软件中，对施工过程进行精确模拟.

5 结束语

目前，越来越多的“翻模”现象，使BIM不仅没有达到应有的预期，反而更增添了道路设计的工作量. 本文就是以此问题为切入点，研究分析BIM的理论内涵与“翻模”现象产生的原因，明确道路BIM正向设计理念，提出道路BIM正向设计方法，并进行了相关的模型应用. 在以下方面取得了一定的突破：

1)明确了道路BIM正向设计理念. 基于对BIM的理解，对“翻模”现象及原因进行深入分析，认为其最大的问题在于设计环境仍处于传统的二维环境，并且设计与建模分离. 基于此理念对关键问题进行分析，提出核心软件的解决方法，为实现BIM正向设计提供理论基础；

2)提出了道路BIM正向设计方法. 基于BIM正向设计理念中关键问题的分析，对不同软件进行比选，搭建以Civil 3D为核心的软件平台，并研究出了道路BIM正向设计的方法，通过部件代码以及建模原理，将设计信息与模型动态关联，设计发生变化时，模型也会自动进行更新，解决了“翻模”的弊端；

3)通过软件平台，实现了一模多用的模型应用，证明该方法初步满足了BIM的关联性、一致性、出图性、仿真与优化性等核心特点，并有利于提高设计的质量以及整个项目的生产效率.

道路工程并非只有道路平、纵、横几何设计，还有桥涵、隧道、交通工程等多方面设计，所以还应进一步对设计的内容进行扩展. 同时，也应立足于项目全生命周期，搭建更为完整的BIM软件平台.