浅议BIM技术在城市道路设计中的应用研究

李申惠

摘要：从当前城市道路设计实际出发，探讨将建筑信息模型(BIM)技术应用到城市道路设计中的方法，提出实现BIM进行城市道路设计的步骤。参考BIM在房建、公路等领域应用的成功经验，将BIM引入到城市道路设计中对提高设计生产率，减少设计返工，减少施工中曲解设计意图乃至提高城市道路建设的整体水平具有积极的意义；提出在道路设计中分阶段、分步骤实现BIM设计的构想，从而为开发多专业集成的BIM三维可视化设计软件平台提供初步实施依据。

关键词：城市道路设计；BIM；三维可视化

Abstract: Based on the practice of the current urban road design, the paper explores the the methods of the application of BIM technology in the urban road design, and proposes its realization steps. Combined with the successful experience of BIM in housing buiding and road, introducing the BIM into the urban road design is of positive significance for improving design productivity, reducing design reworking and misinterpretation and even improving the overall level of urban road construction. The idea of realizing the the BIM design into steps is proposed, so as to provide preliminary implementation basis for the development of multi-disciplinary integrated BIM 3D visualization design software platform.

Keywords: urban road design; BIM; 3D visualization

中图法分类号：U412.37文献标识码：A 文章编号：

随着我国城市化水平的不断提高，各项市政工程在经济发展中的作用日趋增大，人们对这一产品的期望值也越来越高。“精品工程”、“亮点工程”、“民生工程”成为市政工程建设的目标。通常城市道路设计在市政工程的建设中所占比例最大，它为其他各专业设计提供了基础的设计条件和前提，城市道路设计水平的高低能直接影响市政工程的质量。

然而，城市道路设计是一项庞大复杂的系统性工程，需要设计团队内部的多专业间密切配合，频繁地进行多种形式设计信息的交互，并且与业主、施工单位、监理等多个建设参与方进行沟通协作来完成，共同将设计成果实现为城市道路实体。当前，参与城市道路设计的各专业都有专门的辅助设计软件，但在设计过程中以及最终的设计结果主要采用传统的二维平面图形式，这种方式虽然在一定程度上提高了设计效率，但用二维的手段来表达庞大复杂的空间三维城市道路实体，并不符合人类的认知和思维习惯，软件只是起到了辅助设计的作用，达不到“所见即所得”的可视化效果，工程师在进行设计时不能发挥最大的创造性。由此引发的城市道路建设过程中产生一系列问题，主要表现为以下几个方面:

（1）专业间信息沟通不及时、不顺畅。道路设计各专业都是在独立的知识和软件平台中进行设计，专业间接口繁多，设计过程中相当一部分的信息共享和交换是由人工完成的，不能实现设计信息的集成和自动化传达，这就使得工程师们有时需耗费大量时间来处理和理解其他相关专业提交的设计数据，并经常发生由于设计变动的更新延迟而导致返工的人力、时间浪费现象，影响道路设计效率的进一步提高。

（2）设计意图表达和理解不明确。道路项目在勘测设计过程中需要与业主、当地政府进行设计方案影响因素的采集和协商，最终的设计成果需要施工单位去严格和准确地执行，才能保证设计成果的科学性和设计意图的正确实现。设计方将成果向业主和施工方交底时，绝大部分采用的是二维平面图的形式，甚至有的附属工程设计只有文字说明，施工方不能准确地理解设计意图，这将直接影响到工程建设的进度和质量，导致合理的设计意图得不到合理的实现，并造成人力物力财力的浪费。

（3）设计成果不能有效地服务于道路运营、维护和管理。道路在建造完成后，其运营时期将长达十几年甚至几十年，在此期间通常需进行多次道路养护和维修。在养护过程中需要在海量的设计图纸中来查找问题路段的设计资料，在设计单位不参加道路养护的情况下，设计成果有时不能得到正确的理解，导致养护维修工作效率低下。

1.BIM的概念和应用

建筑信息模型(Building Information Model)是以三维数字技术为基础，集成了建筑工程项目各种相关信息的工程数据模型，这个概念的定义最早是由美国乔治亚技术学院建筑与计算机专业的查克·伊斯曼(Chuck Eastman)博士于30年前提出的:“建筑信息模型综合了所有的几何模型信息、功能要求和构件性能，将一个建筑项目整个生命周期内的所有信息整合到一个单独的建筑模型中，而且还包括施工进度、建造过程、维护管理等的过程信息”。

国际标准组织设施信息委员会(Facilities Informa-tionCouncil)对BIM的定义是:BIM是在开放的工业标准下对设施的物理和功能特性及其相关的项目生命期信息的可计算/可运算的形式表现，从而为决策提供支持，以更好地实现项目的价值。在其补充说明中强调:BIM将所有的相关方面信息集成在一个连贯有序的数据组织中，相关的计算机应用软件在被许可的情况下可以获取、修改或增加数据。

2002年，欧特克(Autodesk)公司针对建筑行业率先提出了BIM的一揽子解决方案，目前已逐渐扩展到其他工程建设行业，并在全球范围内得到工程业界的广泛认可。欧特克公司指出BIM是基于最先进的三维数字设计解决方案所构建的“可视化”的数字建筑模型，为设计师、建筑师、设备工程师、业主乃至最终用户等各环节人员提供“模拟和分析”的科学协作平台，帮助他们利用三维数字模型对建筑项目进行设计、建造及运营管理。

虽然不同的组织针对BIM有不同的解释，但综合起来BIM主要包括以下两大核心理念:

(1)BIM中工程信息包含了建筑工程的几何和功能属性以及与之相关的项目全生命周期信息，通过一个综合协同的n(n≥3)维仿真数字化、可视化平台，使得这些信息服务于建筑工程的规划、设计、施工、运营乃至拆除的全过程。

(2)能够在综合数字环境中保持信息共享和不断更新，即在各种工程信息之间创建实时的、一致性的关联，对平台中信息的任何更改，都马上可以在其他关联的地方反映出来，使得业主、政府管理机构、设计单位、施工单位甚至用户都可以清楚全面地了解项目进程。

2.BIM技术在城市道路设计中的应用

目前最常用、功能最强大的市政专业BIM设计软件当属Autodesk公司推出的Civil 3D软件，它作为交通、管道、水利等土木工程行业实现BIM的解决方案，如在道路设计方面，AutoCAD Civil 3D模型能够帮助交通设计专业人员简化道路设计项目各个阶段的流程。在前期设计阶段，分析工具能够用于更快地确定各种方案的问题和可能产生的影响。在最终设计阶段，包括水平和垂直几何体、排水系统、公用设施、用地界在内的项目数据能够互相或与图纸进行关联。强大的可视化和仿真工具能够对道路的外观以及未来的运行情况进行预测。

运用Civil 3D进行城市道路设计主要包括以下环节：

2.1地形图处理

勘测单位提供的地形图通常有两种，一种为三维地形，即地形图中的高程点的标高即为实际高程；另外一种是二维地形，即地形图中的高程点的实际高程均为0，具体高程由数字在高程点旁标注。

以三维地形图为例，高程点均为带有Z坐标的图块。

（1）打开图层管理器，将高程点以外的图层反向选择，然后冻结；

（2）点击曲面菜单下的创建曲面命令，打开创建曲面对话框，选择相应的图层、名称和曲面类型。然后点击确定。

（3）点击工具空间的曲面树形菜单，打开定义工具栏，在图形对象上点击右键，选择添加，在弹出的对话框中选择块。点击确定。

（4）框选所有高程点，按回车键。

（5）曲面创建完成，可用对象查看器查看所创建的曲面。

2.2道路中心线设计

道路设计首先要确定道路中心线线位，设计人需考虑各控制因素，按照规划确定的线位进行拟合，并按照规范要求适当调整圆曲线半径、长度、缓和曲线长等曲线要素。

（1）将初步确定好的道路中心线插入地形图中。

（2）将道路中心线转换为多段线。

（3）单击路线菜单下的从多段线创建路线，选中道路中心线。在弹出对话框中输入路线名称，选择路线样式和路线标签集，然后单击确定。

2.3道路纵断面设计

目前国内常用的道路设计软件的纵断面设计功能，基本流程为先编制原地面线文件，然后生成原地面线，再在生成的原地面线上绘制拉坡线，并调整拉坡线直至满足设计要求为止。然后将拉坡线储存为竖曲线设计文件，再调用原地面线文件、竖曲线文件生成最终的道路纵断面设计图。

Civil 3D采用三维地形为设计的基本资料，地面线可以直接通过“从曲面创建纵断面”命令生成。且道路中心线修改之后，地面线会自动更新，节省了设计时间和精力。使用“按布局创建纵断面”可进行拉坡线设计。设计纵断面绘制完成后，查看自动生成的竖曲线要素和坡度、坡长等指标，如发现不满足规范，则点击编辑纵断面形状命令，在弹出的子工具条中，点击纵断面布局参数命令，打开布局对话框。然后点取边坡点，在布局对话框中修改边坡点里程桩号、边坡点标高、竖曲线半径、坡度、坡长等参数。

2.4道路横断面设计

在Civil 3D即为创建道路装配的过程，为了能够精确反应道路模型，需综合考虑，选用合适的部件来组合装配。

（1）点击道路下拉菜单，单击创建装配命令，在弹出对话框中输入装配名称，然后单击确定。

（2）在屏幕任意位置单击鼠标，将插入一个中部带有圆形标记的竖线，这条竖线即是装配的基准线，也即道路中心线。

（3）调出道路菜单下的“部件工具板选项板”，利用程序自带的部件完成装配。

（4）先装配出标准横断面，再根据以后的设计需要添加其余装配，由于Civil 3D具有动态关联特性，对道路制定了不同的装配或者修改了装配部件的参数后，道路模型可以快速、即时更新。

2.5道路建模

点击道路下拉菜单，单击创建道路命令，按照提示选择路线、纵断面和标准横断面装配。在弹出对话框中，根据道路宽度的变化创建相应的区域，并为道路组件指定相应的逻辑目标。

3.BIM技术在城市道路设计中的应用总结

在城市道路设计手段飞速发展的今天，BIM技术逐渐显示出高效、快速、准确、直观的优点，目前已经涵盖了从项目前期、初步设计和施工图设计的在城市道路设计全过程，将发挥越来越重要的作用。

(1)道路建模。可以帮助我们更高效地设计道路和高速公路工程模型，例如创建动态更新的交互式平面交叉路口模型。同时可以利用内置的部件(其中包括行车道、人行道、沟渠和复杂的车道组件)，可以根据常用设计规范更迅速地设计环岛，包括交通标识和路面标线等。或者根据设计标准创建自己的部件。通过直观的交互或变更用于定义道路横截面的输入参数即可轻松修改整个道路模型。由于施工图和标注将始终处于最新状态，可以使设计者集中精力优化设计。

(2)工程量计算与分析。利用复合体积算法或平均断面算法，更快速地计算现有曲面和设计曲面之间的土方量。使用生成土方调配图表，用以分析适合的挖填距离，要移动的土方数量及移动方向，确定取土坑和弃土堆的可能位置。从道路模型中可以提取工程材料数量，进行项目成本及时分析。

(3)自动生成施工平面图。如标注完整的横断面图、纵断面图和土方施工图等。使用外部参考和数据快捷键可生成多个图纸的草图。这样，在工作流程中便可利用与模型中相同的图例生成施工图纸。一旦模型变更，可以更快地更新所有的施工图，按照路线走向自动完成图纸和图幅线的布局，并根据布局生成平面和纵断面图纸．地图册功能会对整个项目的图纸进行安排，同时生成针对整个图纸集的重要地图和图例。

(4)轻松处理变更与评审。因为数据直接来自模型，所以报告可以轻松进行更新，更迅速地响应设计变更。如今的工程设计流程比以往更为复杂，设计评审通常涉及到非CAD 使用者、但同时又是对项目非常重要的团队成员，可以利用数字方式让整个团队的人员参与设计评审。

(5)多领域协作。道路工程师可以将纵断面、路线和曲面等信息直接传送给结构工程师，以便其在软件中设计桥梁、箱形涵洞和其它交通结构物。

(6)可持续环保设计，提供高质量图纸。工程师可以根据可靠的场地现状模型和设计约束来评估设计方案，推出更具创新性的环保设计，帮助客户达到公认的可持续发展。通过模型与文档之间的智能关联，交付高质量的设计和施工图纸，提高图纸的一致性，无论是否发生变更。