BIM建模在市政道路工程中的應用

BIM建模在市政道路工程中的應用

構建模型系統的具體步驟如下：首先通過原始測量數據建立三維地面模型。原始測量數據包含三維地形圖、數字影像圖。其中三維地形圖是在一定的坐標系統之下的CAD格式數據或者數字坐標數據。數字影像圖是通過衛星、遙感、航拍等技術采集并通過專業的圖像處理工具處理后的能夠反映真實地形地貌的圖像。

其次，根據道路沿線周邊的情況構建房屋建筑、高壓線路、徑流區域模型。房屋建筑的信息包括樓高、樓層數、外立面材料；高壓線路的信息包括高壓鐵塔的位置、線路的類型、高程；徑流區域包括河流的常水位及百年一遇洪水位等。

原始地形隨著道路的填挖設計發生形態改變，需按照一定的法則將道路空間形態與地形進行拼接計算，即完成道路范圍內的路基及邊坡的設計。同理，在設計中包含橋梁或隧道時，橋臺、隧道洞口處的邊坡設計也會改變原有地形。對地形進行處理之后，即可對道路主線、立交、橋梁、隧道及其附屬結構物、景觀等要素進行三維設計。最后，將分析和共享模塊與各要素拼合計算得到的道路三維模型組合，構成完整的道路三維模型系統。

三維模型系統要素建模方法及作用

1.地形地質模型

地形模型主要由原始地面模型、道路模型、橋梁隧道模型組合而成。對于地面模型，系統需要生成并存儲從數百萬個點創建的曲面，必需對它們進行組織以進行有效處理。對于地質模型，目前主要采用二維鉆孔資料，通過拉伸，生成三維鉆孔信息模型。

根據地形地質三維模型，可幫助道路設計者總體把握整個區域的地質條件，尤其是不良地質地塊的分布情況，有利于道路選線時的避讓或進行不良地質處理設計。

2.地面紋理處理

引入地形影像作為數字地面模型的表面紋理，疊加在矢量地形圖上，即可呈現模型區域的地形地貌環境。地形影像的引入使得三維道路模型不僅表達了準確的地形信息（如河流、山脈、谷地），還融合了大量的地貌信息（如植物、人工設施、土壤地質等）。

3.道路模型處理

道路模型可以進一步細化分為道路路線、橋梁模型、隧道、立交模型和附屬設施。在完成上述各子實體的模型建立后，通過設定空間位置的方式將其拼合為一整體，構成道路模型。在道路模型的建模過程中，通過原始設計平縱橫數據，生成道路路線模型及與地面模型拼合的邊坡、邊溝。在此基礎上設定不同路段道路的橫斷面（包含車行道、路緣、護欄、中分帶等）即生成道路基本模型。同理，可以根據設計數據設置橋梁與隧道模型。立交模型中涉及到主線和匝道的連接段，可以采用加減速車道與主線疊加的方法，解決變速車道的三維設計。其余附屬設施如防撞護欄、路燈等，可以根據設計設置起點位置、軌道偏距離、高度偏距等參數，以道路中心線或邊線為參照確定其空間位置。

4.景觀模型的建立

隨著環境友好型社會成為人們的共識，道路設計中對景觀的要求也越加重視。在道路三維模型系統中需要添加園林景觀專業設計人員設計的植物綠化景觀，降低道路建設對社會環境的負面影響，盡可能做到道路與景觀協調一致。景觀模型涉及的參數：植物群分類、植物群空間位置，植物群高度等。

5.道路周邊環境

道路周邊環境（如軌道、鐵路、建筑、管線、水域等）也是道路選線的重要因素之一。對于一般規則的建筑，可以通過設計通用的模塊，包含建筑的空間位置、幾何形狀、外部材質等參數進行建模。對于特殊外形及外觀的建筑，在有需要的情況下，可以通過對系統設置外部接口，導入該建筑的三維模型。管線的設計主要包括高壓鐵塔的位置、高壓線的高度、燃氣管道的空間位置等。水域的模型設計可以根據水文資料，確定其常水位、百年一遇洪水位，在地形圖中確定其范圍，反映在地面模型中。應該注意到的是，河流是動態有方向的，所以對水域的處理應通過采用材質變化達到動態效果。

三維模型在設計中的應用

目前道路三維模型的研究往往只關注模型的建立，很少有人關注模型的分析與共享等輔助設計功能。實際上，設計中往往會遇到任務時間緊，周邊建設條件十分復雜的情況，如何在短時間內快速的建立模型，并解決相關設計問題是設計人員面對的首要難題。與此同時，設計方案也是在不斷的深化和修改過程中得到完善，如何通過最大限度的發揮模型的輔助設計和決策作用，也是模型系統研究需要考慮的重要問題。因此，有必要利用分析和共享模塊，應用BIM模型進行道路輔助設計，促進其在行業中的推廣應用。

1.分析模塊

對于系統的分析，大多數軟件采用的方法是根據路徑進行三維漫游，通過視距等因素來判斷設計線形的優劣。然而，花費如此大的精力僅僅實現單一功能，投入產出比太低。因此，需要對模型設置相關模塊對模型進行深入分析，充分發揮其在設計工作中的輔助作用。相關模塊如下。

（1）高程分析模塊。通過對不同高程范圍閥值設定相應的色彩，實現對地形的三維可視化。

（2）任意速度、路徑三維漫游視頻錄制。漫游的路徑應該是可以變動的，這樣使得從任意的方向觀察設計方案得到保證；漫游的速度的改變可以模擬不同車速下車輛在道路行駛時的情況；錄制的視頻可以設定其保存格式、幀數、分辨率以適應播放需要。

（3）徑流分析模塊。通過分析不同的水位下道路周邊區域淹沒情況，分析流域對道路設計的影響，對于避免道路受水流的淹沒沖刷是有幫助的。

（4）其他模塊。其他模塊能夠實現關注點、測量功能、構造物信息等。對于道路周邊的一些重要建筑物，可以采用關注點標簽的形式給予提示。測量功能能夠測量任意點之間的距離。構造物信息包括場地面積、建筑高度等。

2.共享模塊

現代社會講究分工和協同，龐大的模型系統需要不同專業人員進行分工協作。通過網絡可以做到模型系統的多專業協作，實現模型的實時同步更新。因此，BIM模型的共享模塊應包含發布、修改、瀏覽模型的功能。為了保證協作的有效性、協調性，模型的管理員應根據項目的情況對項目負責人、各專業負責人、一般設計人員設定相應的共享權限。

3.BIM模型輔助道路設計

通過以上分析共享模塊，可以進行片區路網、復雜立交、可持續性分析等輔助設計。

（1）路網設計。目前，路網設計中往往存在這樣的問題：片區路網范圍較大時，不同的道路可能由不同的設計單位進行，不同區域存在標高、管網對接問題。在設計階段，通過BIM模型能夠將包括水平和垂直幾何體系、排水系統、公用設施、公用地界在內的項目數據與圖紙進行關聯，避免沖突發生。

（2）復雜立交設計。BIM的設計成果是一個三維數字化的信息模型，即工程完成后應該成的樣子，可真實表達設計意圖。對于復雜立交，BIM可很容易設計自定義參數組件，能描述清楚非常復雜的問題。通過BIM可以實現以下設計功能：

①建立參數化的精確橋墩三維模型，真實展現立交施工完成后的樣式；

②復雜的立交及其周邊環境得到了精確展示，可通過三維模型檢查立交設計并進行優化，可大大減少工程量；

③碰撞檢查：減少了返工和重建，更加經濟和高效；

④凈空檢查：二維設計為保守起見，凈空往往會留有很大的富余度，使工程量增加。應用BIM后，可以快速準確地測出最小凈空，一方面可判斷是否滿足設計要求，另一方面也為設計優化提供了可靠依據，從而減少工程量。

（3）可持續性設計。城市道路可持續性設計有：日照分析、聲環境分析、流體分析等內容。應用BIM可更直觀有效地進行分析評估。以日照光影分析為例。通過虛擬陽光，模擬道路范圍內某一天不同時刻光照的情況，有效地分析了高架道路對城市采光的影響。