BIM建模在市政道路工程中的应用

BIM建模在市政道路工程中的应用

构建模型系统的具体步骤如下：首先通过原始测量数据建立三维地面模型。原始测量数据包含三维地形图、数字影像图。其中三维地形图是在一定的坐标系统之下的CAD格式数据或者数字坐标数据。数字影像图是通过卫星、遥感、航拍等技术采集并通过专业的图像处理工具处理后的能够反映真实地形地貌的图像。

其次，根据道路沿线周边的情况构建房屋建筑、高压线路、径流区域模型。房屋建筑的信息包括楼高、楼层数、外立面材料；高压线路的信息包括高压铁塔的位置、线路的类型、高程；径流区域包括河流的常水位及百年一遇洪水位等。

原始地形随着道路的填挖设计发生形态改变，需按照一定的法则将道路空间形态与地形进行拼接计算，即完成道路范围内的路基及边坡的设计。同理，在设计中包含桥梁或隧道时，桥台、隧道洞口处的边坡设计也会改变原有地形。对地形进行处理之后，即可对道路主线、立交、桥梁、隧道及其附属结构物、景观等要素进行三维设计。最后，将分析和共享模块与各要素拼合计算得到的道路三维模型组合，构成完整的道路三维模型系统。

三维模型系统要素建模方法及作用

1.地形地质模型

地形模型主要由原始地面模型、道路模型、桥梁隧道模型组合而成。对于地面模型，系统需要生成并存储从数百万个点创建的曲面，必需对它们进行组织以进行有效处理。对于地质模型，目前主要采用二维钻孔资料，通过拉伸，生成三维钻孔信息模型。

根据地形地质三维模型，可帮助道路设计者总体把握整个区域的地质条件，尤其是不良地质地块的分布情况，有利于道路选线时的避让或进行不良地质处理设计。

2.地面纹理处理

引入地形影像作为数字地面模型的表面纹理，叠加在矢量地形图上，即可呈现模型区域的地形地貌环境。地形影像的引入使得三维道路模型不仅表达了准确的地形信息（如河流、山脉、谷地），还融合了大量的地貌信息（如植物、人工设施、土壤地质等）。

3.道路模型处理

道路模型可以进一步细化分为道路路线、桥梁模型、隧道、立交模型和附属设施。在完成上述各子实体的模型建立后，通过设定空间位置的方式将其拼合为一整体，构成道路模型。在道路模型的建模过程中，通过原始设计平纵横数据，生成道路路线模型及与地面模型拼合的边坡、边沟。在此基础上设定不同路段道路的横断面（包含车行道、路缘、护栏、中分带等）即生成道路基本模型。同理，可以根据设计数据设置桥梁与隧道模型。立交模型中涉及到主线和匝道的连接段，可以采用加减速车道与主线叠加的方法，解决变速车道的三维设计。其余附属设施如防撞护栏、路灯等，可以根据设计设置起点位置、轨道偏距离、高度偏距等参数，以道路中心线或边线为参照确定其空间位置。

4.景观模型的建立

随着环境友好型社会成为人们的共识，道路设计中对景观的要求也越加重视。在道路三维模型系统中需要添加园林景观专业设计人员设计的植物绿化景观，降低道路建设对社会环境的负面影响，尽可能做到道路与景观协调一致。景观模型涉及的参数：植物群分类、植物群空间位置，植物群高度等。

5.道路周边环境

道路周边环境（如轨道、铁路、建筑、管线、水域等）也是道路选线的重要因素之一。对于一般规则的建筑，可以通过设计通用的模块，包含建筑的空间位置、几何形状、外部材质等参数进行建模。对于特殊外形及外观的建筑，在有需要的情况下，可以通过对系统设置外部接口，导入该建筑的三维模型。管线的设计主要包括高压铁塔的位置、高压线的高度、燃气管道的空间位置等。水域的模型设计可以根据水文资料，确定其常水位、百年一遇洪水位，在地形图中确定其范围，反映在地面模型中。应该注意到的是，河流是动态有方向的，所以对水域的处理应通过采用材质变化达到动态效果。

三维模型在设计中的应用

目前道路三维模型的研究往往只关注模型的建立，很少有人关注模型的分析与共享等辅助设计功能。实际上，设计中往往会遇到任务时间紧，周边建设条件十分复杂的情况，如何在短时间内快速的建立模型，并解决相关设计问题是设计人员面对的首要难题。与此同时，设计方案也是在不断的深化和修改过程中得到完善，如何通过最大限度的发挥模型的辅助设计和决策作用，也是模型系统研究需要考虑的重要问题。因此，有必要利用分析和共享模块，应用BIM模型进行道路辅助设计，促进其在行业中的推广应用。

1.分析模块

对于系统的分析，大多数软件采用的方法是根据路径进行三维漫游，通过视距等因素来判断设计线形的优劣。然而，花费如此大的精力仅仅实现单一功能，投入产出比太低。因此，需要对模型设置相关模块对模型进行深入分析，充分发挥其在设计工作中的辅助作用。相关模块如下。

（1）高程分析模块。通过对不同高程范围阀值设定相应的色彩，实现对地形的三维可视化。

（2）任意速度、路径三维漫游视频录制。漫游的路径应该是可以变动的，这样使得从任意的方向观察设计方案得到保证；漫游的速度的改变可以模拟不同车速下车辆在道路行驶时的情况；录制的视频可以设定其保存格式、帧数、分辨率以适应播放需要。

（3）径流分析模块。通过分析不同的水位下道路周边区域淹没情况，分析流域对道路设计的影响，对于避免道路受水流的淹没冲刷是有帮助的。

（4）其他模块。其他模块能够实现关注点、测量功能、构造物信息等。对于道路周边的一些重要建筑物，可以采用关注点标签的形式给予提示。测量功能能够测量任意点之间的距离。构造物信息包括场地面积、建筑高度等。

2.共享模块

现代社会讲究分工和协同，庞大的模型系统需要不同专业人员进行分工协作。通过网络可以做到模型系统的多专业协作，实现模型的实时同步更新。因此，BIM模型的共享模块应包含发布、修改、浏览模型的功能。为了保证协作的有效性、协调性，模型的管理员应根据项目的情况对项目负责人、各专业负责人、一般设计人员设定相应的共享权限。

3.BIM模型辅助道路设计

通过以上分析共享模块，可以进行片区路网、复杂立交、可持续性分析等辅助设计。

（1）路网设计。目前，路网设计中往往存在这样的问题：片区路网范围较大时，不同的道路可能由不同的设计单位进行，不同区域存在标高、管网对接问题。在设计阶段，通过BIM模型能够将包括水平和垂直几何体系、排水系统、公用设施、公用地界在内的项目数据与图纸进行关联，避免冲突发生。

（2）复杂立交设计。BIM的设计成果是一个三维数字化的信息模型，即工程完成后应该成的样子，可真实表达设计意图。对于复杂立交，BIM可很容易设计自定义参数组件，能描述清楚非常复杂的问题。通过BIM可以实现以下设计功能：

①建立参数化的精确桥墩三维模型，真实展现立交施工完成后的样式；

②复杂的立交及其周边环境得到了精确展示，可通过三维模型检查立交设计并进行优化，可大大减少工程量；

③碰撞检查：减少了返工和重建，更加经济和高效；

④净空检查：二维设计为保守起见，净空往往会留有很大的富余度，使工程量增加。应用BIM后，可以快速准确地测出最小净空，一方面可判断是否满足设计要求，另一方面也为设计优化提供了可靠依据，从而减少工程量。

（3）可持续性设计。城市道路可持续性设计有：日照分析、声环境分析、流体分析等内容。应用BIM可更直观有效地进行分析评估。以日照光影分析为例。通过虚拟阳光，模拟道路范围内某一天不同时刻光照的情况，有效地分析了高架道路对城市采光的影响。