基于BIM的道路勘测设计实习改革探索研究

沈照庆，江昱山，段鑫鹏

（1.长安大学公路学院，陕西 西安 710064；2.西安市交通基础设施智能化管理重点实验室，陕西 西安 710000；3.陕西省交通基础设施建设与管理数字化工程研究中心，陕西 西安 710000）

当前，我国高校的道路勘测实习主要分为室内作业和室外作业两个部分。室内作业主要是利用CAD 及其衍生的二维道路设计软件，如纬地、鸿业等专业软件进行道路设计，之后在野外实地采用全站仪、水准仪、GPS-RTK 等设备进行实地放样等工作。随着信息化时代的到来，道路勘测的三维可视化、信息化、智能化[1-2]将成为未来道路勘测发展的主流。BIM 技术将传统土木行业的二维平面设计推向了可视化三维设计[3]，通过BIM 技术得到的三维模型所包含的信息将远远多于传统的二维图纸，有效提升效率。同时BIM 技术的应用贯穿工程项目全生命周期，可系统地为施工、运营、养护阶段提供数字化管理平台，大大节约了项目成本[4-5]。然而BIM 技术在道路勘测方面的运用仍处于起步探索阶段，为使高校道路桥梁专业学生接触行业新技术并探索BIM 技术在道路勘测设计方面的应用，将BIM 技术融入道勘实习中具重要意义。

1 我国高校道路勘测实习的现状及问题

现阶段，我国各高校道路勘测实习所利用的设备及手段还未及时更新，尚保留传统的方法技术，未充分利用新兴技术手段。主要流程是对拟设计道路场地（实习地）进行踏勘，熟悉地形地貌和地物分布，之后在电子地形图上根据给定的路线起终点及技术指标使用纬地、鸿业等道路设计辅助软件进行选线及定线过程。根据所定路线，采用GPS-RTK、全站仪、水准仪等测设仪器进行道路中桩及断面的放样。

在道路设计的过程中，采用传统的二维道路设计软件，以纬地为例，存在以下缺点：

1）传统的数字地形图主要以等高线的形式表示地形的起伏变化情况，位于等高线之间的点的高程主要是通过拟合获得，无法精确获取其实际高程，有可能造成与实际结果不符合的状况，影响工程量的计算以及设计员对地形的把控。

2）由于传统地形图对实际地形的把控与真实情况存在差异，故需要设计人员进行实地踏勘，以获得真实的地形地物。对于学生野外实习，部分地形复杂地段可能存在危害人身安全的风险。

3）在纵断面及横断面设计完成后，若需要对平面线形进行调整变动，纵断面与横断面不会随着平面线形的变动调整而实时调整更新，需要对纵断面及横断面进行重新插值才可更新断信息，有一定的滞后性，效率不高。

4）设计图形实体不带有反映设计对象特征的属性信息[6]。

2 在道路勘测实习中应用BIM技术的实习模式

2.1 BIM 技术结合道勘实习理念

引进GPS、无人机、倾斜摄影等先进的测设技术建立太白实习基地实景模型，研究BIM 技术在道路勘测实习中的应用，改进当前的实习内容和实习模式。学生利用BIM 道路设计平台进行道路设计，采用虚拟仿真软件于其所设计道路上进行漫游浏览，从视距、线形等方面评价设计结果，体验一个公路项目从设计到开放运行，并能从漫游浏览中发现道路设计所存在的问题和需要注意的要点。实习内容主要由以下部分组成：

1）无人机倾斜摄影地形实景建模。

2）利用PowerCivil 等BIM 软件的进行道路三维设计，构建设计成果模型。

3）利用GPS-RTK、全站仪等测设设备，按照设计成果于现场实地放线。

4）收集现场放线的问题，对路线进行改正和调整。

5）最后导出可视化设计成果，与UC-win/Road结合，利用驾驶舱进行模拟驾驶。

在应用BIM 技术及倾斜摄影技术的实习模式下，可以提高道路勘测设计实习高科技含量，使学生更好地理解道路勘测设计的理论方法和掌握道路勘测的前沿技术，同时增加设计的趣味性，提高教学质量和效果。

2.2 实习前的准备与动员

实习前的动员，应让学生了解实习主要流程、所应用的方法原理、所使用仪器设备的操作方法、实习考核管理机制以及最后的成果评定标准等[7]，并做好实习前安全教育工作。通过对往届优秀成果及其他相关成果的展示，充分调动学生的积极性。

2.3 利用倾斜摄影构建太白实习基地实景模型

随着我国社会经济水平地不断提高，信息技术发展迅速，地理信息技术也随之不断进步。倾斜摄影测量技术作为一种新的地理信息获取技术，成为地理信息采集与三维实景建模的重要手段[8]。传统的航拍影像采用垂直拍摄方式，无法系统地获取拍测物侧面信息及一些细节信息，具有一定的局限性。与传统的垂直拍摄方式相比，倾斜摄影通过在飞行平台上搭载多台传感器，从不同角度拍摄影像，利用GPS、姿态定位系统获取飞行平台拍摄时的姿态信息，对采集数据进行处理后生成三维模型。生成的三维模型能从多角度以高分辨率还原地物真实纹理，且嵌入了姿态位置信息使目标地物拥有更多位置信息，具有广泛的应用前景[9]。

图1 TIN 模型匹配影像要素

利用无人机于实习区域内采集覆盖面足够广的、数量足够充分的倾斜影像，将采集到的影像导入ContextCapture 处理软件中，软件通过对所采集的影像数据进行几何校正、多视角联合平差等流程后生成高密度点云，通过点云构建具有高程信息的三维TIN 地形模型，再将不同角度的影像按最佳贴合度自动匹配贴入TIN 模型中，最终生成实景模型（如图1）。建成模型的精细程度取决于航拍影像的分辨率、重叠度和软件计算算法[10]。

2.4 使用PowerCivil 进行道路几何设计

PowerCivil 是奔特利（Bentley）公司旗下一款面向道路等基础设施设计的专业软件[11]，其应用Openroads技术，兼容dwg、dgn、3dm 等主流格式，输出成果可与GIS 工具、地图工具及CAD 工具等兼容，为土木工程和交通运输基础设施项目的整个生命周期提供支持。

使用PowerCivil 进行道路几何设计的流程如图2所示，具体操作步骤如下。在进行道路设计前，需要建立地形模型，PowerCivil 支持按文件（DEM、Tin、点云、文本文件、ASCII 文件等）、图形过滤器、元素等多种方法创建地形模型，本文选用从已有的数字地形图按图形过滤器创建DTM（如图3）。

图2 PowerCivil 建模基本步骤

图3 DTM 地形模型（三角网（左），光滑模型（右））

PowerCivil 提供了多种方法进行道路平面线形设计。积木法可将直线、缓和曲线、圆曲线组合在一起，是一种灵活的线形设计方式，尤其适用于地形复杂、曲线较多的路段。

在设计完平面线设计后，将参考的地面模型激活，进行纵断面设计。PowerCivil 的纵断面设计功能同样提供了多种设计方式，包括按竖曲线单元创建、按交点创建和按最佳拟合定义纵断面。按竖曲线单元创建纵断面与平面线形设计中的积木法类似，也是将多种曲线要素灵活组合以适应地形变化。同时，PowerCivil支持在一个设计文件内，一条平面线形拥有多种纵断面设计方案。只需激活指定纵断面，便可在三维视图中得到道路平纵面三维线形，在生成道路廊道后还可直观地显示出道路填挖方边坡，学生可根据需要快速便捷地进行纵断面方案比选。平面线形以及纵断面线形设计完成后，进行横断面设计。进行横断面设计时，先要准备一个横断面模板。PowerCivil 的模板库中自带各种公路、市政道路、桥梁断面以及隧道断面模板，用户也可以根据自身需求，自行创建横断面模板，定义各个结构层材料特征以及几何属性。创建横断面模板后，选择平面线及激活的纵断面线生成道路廊道，廊道生成后即可根据横断面模板建立三维路面模型。最后，将生成的模型导入LumenRT 软件生成三维漫游展示，增加成果的生动性和趣味性，如图4 所示。

图4 简单的道路三维模型

在完成平纵横设计后，可以很清晰地看到道路三维几何情况，更好地发现道路设计中存在的一些问题。若需要对线形进行调整，可直接在三维视图下对道路线形进行调整，调整后的线形会立即同步到三维模型中，无需像传统二维设计软件一样重新进行断面插值。

2.5 在野外进行GPS-RTK+全站仪进行路线放样

GPS-RTK 技术事宜载波相位为根据的实时差分定位技术[12]，以其高精度、实时性、快捷性及易用性等优势[13]已在工程测量中得到广泛的应用。利用GPSRTK 进行道路放样，观测点之间是否通视不再是制约因素，可有效解决因地形、地物遮挡而导致的通视不良问题。但其使用条件也存在一定限制性，如周围障碍物多、信号干扰强，都会对其定位精度产生影响。全站仪的局限性在于其对与点之间的通视要求高，在地形复杂地段，易被遮挡视线，无法放样。若野外实地放样采用GPS-RTK 结合全站仪一体化的模式，充分发挥GPS-RTK 与全站仪的优势特点，弥补各自不足之处，使路线放样的效率与精度都得到提升。实习时，配备专职教师全程跟随辅导，对学生在仪器的使用方面及测设方法上进行指导的同时，确保学生的人身安全并考核学生出勤状况。

2.6 BIM+道路勘测实习模式的优越性

1）利用倾斜摄影技术，采用软件ContextCpture生成太白实习基地的实景模型，对野外部分危险地形，利用倾斜摄影建模技术进行展示，在室内高效、安全地达到传统现场踏勘得到的效果。

2）采用PowerCivil 设计软件以及Openroads 技术，使道路平纵线形设计更加协调。支持在三维模式下修改道路几何线形，路线设计考虑更加全面，调整更加便捷。

3）采用LumenRT 软件进行道路虚拟可视化，未来可以利用VR 设备使学生最大程度上在安全的环境下进行道路漫游，体验设计成果。

4）采用室内+室外+室内的教学模式，充分利用场地资源和设备，在安全性可靠的前提下使教学成果最大化。

3 成果验收及考核方式

在教师指导软件操作流程并分发指导手册后，立即开展设计阶段，将使学生的理论知识得到巩固[14]。设计阶段，每位学生独立完成完整的道路设计，确保对道路设计流程及BIM 设计软件的掌握。完成设计后每人利用基地多媒体设施进行设计成果汇报及展示，一个班挑选出5 个优秀设计，按照优秀设计的方案分成对应数量的小组。分组机制按照学生《道路勘测与设计》课程成绩进行，保证每个小组内成绩排名前20%、20%～80%及80%以后的学生按照1∶3∶1 的比例分布[15]。在野外实地放样阶段，以小组的形式分工配合，小组成员轮流熟悉仪器及放样步骤，每个班配备2 到3 名教师进行指导监督，确保每个人都切实参与并考核个人贡献度。根据道路设计及实地放样成果撰写实习报告，并附上体现个人贡献度的照片或其他凭证作为考核依据。实习成绩根据出勤情况、道路方案设计、个人贡献度、实习报告的撰写及其他成果综合考虑，最后按20%优秀、30%良好、30%中等、15%合格及5%不合格的比例标准来评定成绩。

4 结 语

BIM 技术在我国道路勘测设计方面的应用才刚刚起步，积极探索BIM 技术在道路勘测方面的应用，提出BIM 技术与道勘实习结合的模式。充分利用倾斜摄影、实景建模等新兴勘测设计技术以及新的道路设计平台，合理利用高校资源服务学生。将道路勘测设计前沿技术引入学生实践教学中，引导路桥专业学生探索BIM 技术在道路勘测方面的应用，从实习中获得启发，对我国道路勘测实习的革新具有借鉴意义。