基于BIM技术的市政道路设计探索_刘新.pdf

道路桥梁建 筑 技 术 开 发 129Roads and BridgesBuilding Technology Development第50卷第2期2023年2月基于BIM技术的市政道路设计探索刘 新（中交第一公路勘察设计研究院有限公司，西安 710068）摘要 城市化的高速发展致使市政道路环境愈发复杂，对道路设计提出了更高要求。为了解决市政道路设计难题，以一个市政道路设计项目为例，简单介绍了基于BIM技术的市政道路设计准备，并对基于BIM技术的市政道路设计实践进行了进一步探究，希望为基于BIM技术的市政道路设计提供一些参考。关键词 BIM技术；市政；道路设计 中图分类号TU 17 文献标志码B 文章编号1001-523X（2023）02-0129-03EXPLORATION OF MUNICIPAL ROAD DESIGN BASED ON BIM TECHNOLOGYLiu Xin AbstractThe rapid development of urbanization has made the municipal road environment more complex,and put forward higher requirements for road design.In order to solve the problem of municipal road design,taking a municipal road design project as an example,this paper briefly introduces the preparation of municipal road design based on BIM technology,and further explores the practice of municipal road design based on BIM technology,hoping to provide some reference for municipal road design based on BIM technology.KeywordsBIM technology;municipal administration;road design城市化进程中，城市道路建设规模不断扩大，对市政道路技术要求持续提升。但是，当前市政道路设计多为二维平面设计，各专业信息传递载体为二维图纸、说明类文件，信息沟通效率较低，设计标准化管理基础薄弱。与此同时，BIM技术高速发展，可以整合工程构件几何信息、造价数据、物理属性，构成一个涵盖大体量数据的模型，为设计标准化管理提供支持。因此，探究BIM技术在市政道路设计中的应用具有非常重要的意义。1 市政道路设计项目市政道路位于高新技术产业园内，起点里程K0+000，终点里程K5+182，全长5.8 km。工程与现状国道、既有市政道路相交，经过多个地点。道路标准横断面需要满足行人、非机动车通行要求，具体布置如图1所示。项目北部为地势起伏较大的丘陵山地，项目南部为地势平缓的河漫滩，区域河流及支流横向穿过道路。如图1所示，市政道路标准横断面红线宽度40 m，双向四车道，其中机动车道宽度为7.5 m，非机动车道宽度为4.5 m，人行道宽度为4.5 m。横断面机动车道侧分带非机动车道非机动车道中分带机动车道侧分带图1 市政道路标准横断面2 基于BIM技术的市政道路设计准备2.1 资料对接市政道路设计前，根据BIM技术应用需求，收集市政道路设计任务书、合同文本、相关图纸、设计说明类资料。根据所收集的资料，进一步了解市政道路建设条件，明确BIM技术应用思路1。2.2 建模根据BIM技术应用路线，以市政道路专业为主体，其他管廊、管线、路灯、景观等为辅助开展 建模。2.2.1 地形图处理地形图是市政道路前期勘测结果，设计方使用勘测工具的差异造成了地形图数据形式各异，甚至存在图层混乱、信息错误问题，增加了设计数据处理工作量2。基于此，设计人员应预先利用BIM技术处理地形图，将多样化地形数据转换为带高程三维地形（图2）。比如，借助Civil 3D软件自带的“地形点赋值”功能，将高程信息输入到高程点，或者利用“转换文本点”功能将地形图文本点转换为高层信息，生收稿日期：20230121作者简介：刘新（1990），男，陕西宝鸡人，工程师，主要研究方向为道路工程勘察设计。道路桥梁建 筑 技 术 开 发130 Roads and BridgesBuilding Technology Development第50卷第2期2023年2月成地形曲面三维模型。在地形曲面三维模型中，剔除粗差点，分析高程、流域，准确定位高程线。地形曲面三维模型地形点赋值转换文本点定位高程线图2 三维地形曲面在Civil 3D软件内选中所创建曲面并点击曲面特性，完成曲面高程分析，将分析结果（含最大高程、最小高程、二维区域面积等，见表1）动态展示到相应位置。在分析高层的基础上，利用Civil 3D软件自带的流域分析功能，将曲面划分为若干块，直观显示图标内排水边界、排入区域、区域面积3。并利用软件内“跌水”命令对地表径流方向进行观测，根据汇水区域最低点进行排水设计，确定最佳集水井位置。表1 市政道路高程表（局部）编号最小高程/m最大高程/m面积/m2122.8026.30100 625.32228.3029.86228 562.32333.5236.98221 325.25440.4544.25189 235.252.2.2 道路建模道路建模就是在基准线明确的基础上，创建一条市政道路模型（图3），模型内赋予路线、纵断面 名称。第六层第一层第二层第三层第四层第五层石灰土稀浆封层水泥稳定碎石水泥稳定碎石中粒式沥青混凝土细粒式沥青混凝土图3 市政道路建模完成市政道路模型构建后，设计者应对市政道路横断面视图进行检查。结合市政道路三维模型与以往地形间关系，在横断面编辑器内选择桩号或点击前后桩，完成检查。进而选择平面、纵断面视图，在单一视口内回归到正常坐标模型，观察市政道路模型是否存在异常。若不存在异常，先点击ucs命令后输入w回车，再输入plan命令输入w回车，完成模型存储；若存在异常，则修改要素重新生成模型，并在工具空间浏览界面下的道路列表更新名称。2.2.3 特殊曲面市政道路模型建成后，从道路基层顶面曲面、道路路面曲面、基层地面曲面等方面，完成若干曲面创建。将曲面与市政道路关联，自动更新曲面。对于曲面内不具价值的部分，利用边界添加的方式完成范围调整4。即在完成的道路曲面图形内，单击选择“市政道路曲面”“作为外部边界的市政道路范围交互添加”或根据道路要素线自动添加、从多边形添加等。在道路曲面生成后，对曲面样式进行检查，设定为显示曲面信息的状态。比如，某曲面东距452 125.253 214 251 m，北距3 462 253.251 352 41 m，点高程41.3 m。2.3 集成可视化BIM模型构建完毕后，集成各专业模型，根据需要渲染、漫游，输出可视化图片。即先利用Civil 3D软件自带的标签定制功能，自行设计标签，包括凸曲线安装点、凹曲线安装点等，完成平面标注。再将Civil 3D软件构建的三维市政道路模型、地形图均导入Infraworks内，创建真实可视化市政道路模型，与CAD文件、IMX数据相连接。在导入数据后，新建市政道路并命名，确定名称后查看数据源菜单，打开数据源中IMX数据，在配置选项选择市政道路模型对应坐标系，关闭界面后刷新，获得可视化三维市政道路模型。3 基于BIM技术的市政道路设计实践3.1 平面设计根据圆曲线最小半径、最大超高横坡度、缓冲曲线最小长度、车道宽度、公共交通站距等因素，结合设计车速、设计通行能力规范，在基于BIM技术的Civil 3D软件内，选择从对象创建路线命令，在路线特性设计规范对话框内预定义设计规范（表2）5。表2 设计规范预定义默认规范特性数值最小半径表AASHTO 2022 eMax 4达到方式AASHTO 2022 拱形路面过渡段长度表4车道前缓和曲线长度/m30.000 默认缓和曲线半径/m200.000 后缓和曲线长度/m30.000 在预定义规范后，利用导线法（或线元法），点击选择“常用”“路线”“从对象创建路线”命令，在路线布局参数对话框内选定路线名称（ALL Labels）、图层设置（CROAD）、类型（Proposed）。进而参考CJJ 372017城市道路路线设计规范中关于若干设计车速对应最小半径要求（150 m），调出“路线布局工具条”中的“切线道路桥梁建 筑 技 术 开 发 131Roads and BridgesBuilding Technology Development第50卷第2期2023年2月切线（带有曲线）”项，根据提示选择路线顶点。同时利用对象捕捉命令，根据提示选择控制点。初步完成市政道路设计后，根据曲线元素值修改不符合设计规范的路线。或者在保留以往规划路线直线基础上创建另外一个设计路线，对于设计路线进行规范检查，及时修改，确保修改后的市政道路线形视觉效果契合驾驶者驾驶行为、心理特征。3.2 纵断面设计在Civil 3D软件内选择设计路线，赋予路线数据源为原地形曲面，直接生成市政道路地形曲面纵断面，提高数据处理、分析精确度。在道路中心线修改基础上，地面线可自动更新，空白位置显示纵断面图绘制结果6。此时，单击选择Civil 3D软件内纵断面布局工具栏内“创建纵断面图”“纵断面格栅视图”，了解市政道路竖曲线半径、变坡点、坡度等指标。比如，边坡点桩号K0+000.00 m的变坡点高程为33.698 m，后坡度为1.15%；边坡点桩号K0+260.50 m的变坡点高程为37.658 m，前坡度为1.15%，后坡度为1.69%，坡度变化2.84%，纵断面曲线类型为凸形，纵断面曲线长度为63.125 m；边坡点桩号K0+526.25 m，前坡度为1.69%，后坡度为0.32%，坡度变化1.37%，纵断面曲线类型为凹形，纵断面曲线长度为33.169 m。发现设计线与规范不符后，设计者需要进入Civil 3D软件“全景窗口”修改参数或直接选中“采样偏移”项对纵断面进行调整，如在采样偏移项输入（右20，左20），单击选择添加常见曲面纵断面，以拖动的方式变更坡点位置，实时更新数据与纵断面标签，达到三维出图效果。3.3 横断面设计在Civil 3D软件内，选择横断面编辑器（基本车道、基本过渡车道、常用铺装层结构、梯形造型、基本路肩、基本路缘、基本路缘和边沟），灵活装配各个部件，实现道路模型的动态更新，促使市政道路模型随横断面变化而变化，降低市政道路设计的时间成本。进而利用代码表示每一横断面点、线，逐一连接为要素线，形成曲面7。比如，路缘外侧表示Back curb，两行车道之间位于完工坡面位置路拱点代码为Crown，行车道边缘（或位于底基层上行车道边缘）代码是ETW（或ETW Base）。在曲面生成后，利用DEM法（数字高程模型）计算土方量，完成平面出图。在土方量计算时，从三维模型中确定挖填量要素（设计市政道路表面、地形表面），将由若干不规则三角网组成的地形表面投影到设计市政道路表面，对两者体积差值进行计算。在下一个地形表面的三角形定位为（x1，y1，z1），（x2，y2，z2），（x3，y3，z3）时，三角形重心坐标为X1为（x1+x2+x3）/3，Y1为（y1+y2+y3）/3，Z3为（z1+z2+z3）。根据重心坐标，判定重心是否处于市政道路表面区域，若在，重新定位下一个地面表面三角形，反之则计算路面上三角形投影点坐标与投影三角形面积、重心坐标。根据原始三角形、投影三角形重心之间的距离，计算三角形对象体积，将体积放入数组内并求解数组体积和，可以获得总工程量。3.4 超高设计市政道路不设超高最小半径超过平面曲线设计长度时，利用Civil 3D软件自带的超高编辑功能，选择道路类型及绕中线旋转计算方式（绕内边缘旋转计算