BIM技术在城镇公路勘察设计中的应用

钱定柱

（云南省曲靖市师宗县地方公路管理段，云南 曲靖 655700）

0 引言

对公路工程而言，勘察设计作为质量保证基础工作之一，与公路质量及运营过程中的行车安全息息相关。BIM 以工程的建设资料为依据，借助三维技术进行建筑模型创建，使项目实现可视化。通过对BIM模型的应用，能为前期勘察设计、中期施工及管理、后期的运营与管理提供良好的辅助支撑。如通过对GIS 及BIM技术的联合应用可为公路工程建立数字化模型，以此对公路工程建设展开数字化管理。

1 项目背景

以某城镇公路项目为例对其勘察设计过程中的BIM技术具体应用进行分析。该公路建设区域的东西和南北走向长度分别为4.12km,1.60km，主要对其横、纵断面设计及土石方量计算开展分析，借助Civil 3D 完成模型建立。

2 勘察设计中BIM技术的具体应用

2.1 在平面线路勘察设计中的应用

以平面线路上的交点坐标为依据采用常规设计方法进行线路图的初步绘制，然后结合确定的起终点得出线路最优解。先适当调整已确定的所有交点坐标，生成线路时，借助Civil 3D 给出的各项参数设定线路基本属性，并确定所有百米桩与要素桩，同时做好标注。将线路构建好后，使用专门的工具重新生成线路的各项基本属性，得到属性表，从这一属性表中可得到数字高程及线路的具体边界样式[1]。

2.2 在纵断面勘察设计中的应用

对已构建完成的线路，以DTM 文件所提供的定位信息为依据，得到纵断面图形，再集合线路的以下参数完成纵断面设计：曲线的具体样式、曲率半径值、纵坡里程及设计标高。通过人机交互进行设计，如果中间有误差，则可通过人工处理来修改，使设计标高及变坡点的里程等均满足要求。

2.3 几何参数设定

以上述所有设计资料及纵断面成果为依据进行立体几何建模，模型的各项几何参数如下：

（1）K0+000—K0+860 段：左、右宽均为3.3m，填方比为2∶1，限制比为0.5∶1，挖方比为2∶1，限制比为1∶1；

（2）K0+870—K1+100 段：左、右宽均为3.1m，填方比为2∶1，限制比为0.5∶1，挖方比为2∶1，限制比为1∶1；

（3）K1+110—K6+524 段：左、右宽均为2.7m，填方比为2∶1，限制比为0.5∶1，挖方比为2∶1，限制比为1∶1。

在以上段落中，K0+860, K0+870, K1+100, K1+110均属于默认过渡段，当参数存在问题时，支持随时修改。若道路中有边坡相交的问题，则可借助Civil 3D 调整边坡挖填比例。道路成型后，为给横断面设计等环节提供支撑，还应形成道路边界。在获取横断面各项结构信息的过程中，需将采样线作为参考依据，并在Civil 3D 的支持下为模型开展渲染着色，以此形成更形象和具体的显示图[2]。

2.4 在横断面勘察设计中的应用

横断面的设计需以曲面模型为依据进行，其精确程度会直接影响施工时的土石方数量。基于此，在横断面建模时须确保模型有足够的精确度，此次将横断面上的采样间距设置为30m。在建模时，主要包含诸多百米桩，对此应先建立采样线，将线路的中线点视作整个横断面的中心线，再以边界条件为依据确定左右两侧的间距。采样线创建完毕后，采用软件生成相应的图层，最终建成的模型主要包含以下信息：地面曲面信息、数字高程模型与地面和边坡信息、边界曲面信息。

2.5 土石方量

基于横断面图层可通过计算确定公路施工过程中的土石方数量，采用各异获取方式计算土石方量，以两个曲面间对应的土石方数量为主。在本次勘察设计中，以边坡边界与数字高程模型作为曲面，将K0+000作为计算的起始点，K0+860 作为计算的终点。基于DEM 的相关计算结果为：土石方填方总数约21 423m3，土石方挖方总数约23 596m3。

2.6 插值分析

DEM 精度会对道路横、纵断面设计与施工中的土石方数量计算及路线的设计等造成直接影响。对于数字高程模型，其精度会受以下几方面因素的影响：地形、数据点、具体内插方式及分布密度。此次主要对插值分析可能对DTM 造成的影响进行分析，具体的影响结果通过土石方数量来综合衡量。

按照实例采用的方法，以K0+000—K0+100 为例，采用不同方法进行数字建模，在形成数字高程模型的同时，通过计算确定填挖方量。当按照实测值进行计算时，工程的填方量为3 796.37m3，挖方量为1 833.26m3，填、挖总方量为5 629.63m3；当采用Kriging 进行计算时，工程的填方量为3 791.36m3，挖方量为1 830.36m3，填、挖总方量为5 621.72m3；当以原始测量点为基础进行计算时，工程的填方量为3 762.45m3，挖方量为1 834.46m3，填、挖总方量为5 596.91m3；当采用NNI 进行计算时，工程的填方量为3 798.21m3，挖方量为1 812.22m3，填、挖总方量为5 610.43m3。从以上不同方法的计算结果可看出，按照插值法进行计算得到的方量结果和按照实测结果进行计算得到的结果最为接近，只有7.91m3的偏差，而采用其他方法计算得到的结果和按照实测结果进行计算得到的结果之间都有很大差距[3]。

3 传统勘察设计方法和基于BIM的勘察设计方法的对比

3.1 地形图

采用传统勘察设计方法时，地形图一般采用1∶10000 的比例，在实际测量过程中，应严格测量两侧要求的范围。而在DTM 中，横、纵断面均将其作为基础进行设计，前期必须严格测量，以为之后的设计工作奠定良好的基础，这样能减少后期工作量，在室内即可完成对横、纵断面的准确测量，同时能提高测量精度和土石方计算结果的准确度。

3.2 横、纵断面

在创建DTM 时，横断面宽度可根据采样线结合边界条件确定。如需对线路实施更改，也可在模型中获取横断面指标，然后通过设桩来获取各类数据。在DTM 的支持下，不仅能保证设计精度，还能减少野外工作量，精简测量步骤[4]。

对于路线纵断面，在DTM 的支持下同样能减少野外工作量。当需对设计路线实施更改或需重新进行计算时，可直接在模型中更改参数，并能得到更改后对应的横断面信息。另外，在实际的纵断面设计过程中，还能在模型中完成拉坡及放坡，为设计奠定良好的基础，达到预期的设计要求。

3.3 土石方量

不论传统方法还是以上提出的以DTM 为基础的方法，都是将横断面作为依据对土石方量进行计算的。但通过以上分析对比可知，采用DEM 进行计算得到的结果，其与按照实测值进行计算得到的结果更为接近，同时划分的数量也要比传统方式多。当需要更改公路线路时，在DTM 的支持下能直接获得更改完成后对应的土石方量，简化了操作，无需重新到野外完成测算[5]。

3.4 精度

DTM 因横断面数量多，所以可表达的各类信息和地面真实情况更加接近，进而可提高结果精度。另外，DTM 还采用了插值法，能进一步提高精度。如前所述，按照DTM 进行计算获得土方石量结果和真实情况最接近，这足以验证该方法的优势[6]。

总体而言，采用传统模式进行勘察设计时，横断面的设计需采用人工进行测量，容易产生误差，需结合精度要求选择适宜的测量方式；纵断面设计同样需采用人工完成测量，由于存在大量野外工作，所以工作效率较低；而采用基于BIM 的DTM 进行勘察设计时，横、纵断面均可自动生成，且土石方的计算不会受人为因素的影响，可有效保证计算精度，最重要的是能减少野外工作量，对提高效率和保证精度均有重要作用[7]。

3.5 协同设计要求

在公路工程的整个生命周期内，勘察设计阶段的BIM 是由不同专业BIM 构成的，包括路线专业、桥隧专业与交通工程专业。基于此，当工程勘察设计从基于二维的CAD 向基于三维的数据模型方向转变时，需将不同专业之间的协同设计作为核心，而实现协作的基础是对公路勘察设计语言进行标准化传递与对模型进行可视化表达。要想从本质上实现以上协同设计要求，需重点考虑下列各项参考条件。

（1）各模型的坐标系统需实现统一。公路设计专业与交通设施的三维模型及DTM 等模型都应采用同一种坐标系统，在野外勘测过程中使用的坐标系，可沿用公路设计以往的习惯，这样对利用模型进行碰撞检测和将来的施工与运营管理都有较大便利。

（2）由于当前很多新建公路，尤其是城镇公路都对测量精度提出了较高的要求，而且为适应现阶段工程建设与养护管理的需要，在野外勘测过程中创建的模型，其几何精度应达到施工图标准要求。

（3）对模型进行可视化管理。BIM 模型的几何信息及属性信息都比传统的CAD 图形丰富，当借助Bently与Revit 对BIM 实施二次开发时，需将项目全部几何信息及属性信息均纳入信息组织对象中，可基于LOD 模型，按照具体任务需求对项目信息进行可视化展示，以此提高信息资源的丰富性、便捷性及高效性。之所以BIM技术从出现就在各大领域得到广泛应用，可实现可视化是其主要原因，也是这项技术的主要价值之一。

（4）基于数据互用，为三维模型数据实现交付建立相应的标准，并为数据的共享及信息更新创造必要条件。由于当软硬件条件完全相同时，BIM 技术实际应用效果主要取决于相关工作人员对软件操作的熟练水平，所以在我国公路项目BIM技术人员还有待增加的前提下，现阶段常用的软件和BIM 专业软件间的衔接过渡，以及设计和施工管理所用软件之间，都要充分尽量实现信息共享及兼容，提供标准接口，并为模型的交付建立专门的标准，从而最大限度发挥出BIM技术优势及效率。

为推动BIM 技术在公路建设领域更深层次的应用，为BIM技术自身发展铺平道路，对业主单位而言，应积极主动地要求设计单位引入BIM技术；在此背景下，对勘察设计单位而言，必须持续为业主单位提供高质量咨询服务、为施工单位提供高水平技术指导，才能真正扩大自身服务领域，在BIM技术支持下，能更好地实现业务扩展，使信息的交换发挥出最大价值，同时还能起到促进信息消费的作用，确保勘察设计阶段收集到的信息可以在公路工程的整个寿命周期内流动。目前和将来很长一段时间内，我国城镇公路工程的BIM技术应用处于不断发展的阶段，但伴随对公路工程BIM技术应用的不断深入探索，前期勘察设计工作中的BIM技术应用必定会取得突破，从而使勘察设计阶段收集的信息真正在全寿命周期流动，最终为城镇公路建设创造更显著的价值与经济效益。

4 结语

综上所述，城镇公路作为城市中的重要基础设施，与城镇居民日常出行息息相关。在城镇公路建设中，应先做好勘察设计工作，并在勘察设计中通过引入BIM技术进一步提高设计精度，减少人员工作量，实现多专业协同，解决不同专业之间的配合问题，进而使勘察设计阶段形成的信息在城镇公路建设全过程中发挥出最佳价值和作用，为我国城镇公路建设与发展提供技术支撑。