BIM建模在市政道路工程中的應用

構(gòu)建模型系統(tǒng)的具體步驟如下：首先通過原始測量數(shù)據(jù)建立三維地面模型。原始測量數(shù)據(jù)包含三維地形圖、數(shù)字影像圖。其中三維地形圖是在一定的坐標系統(tǒng)之下的CAD格式數(shù)據(jù)或者數(shù)字坐標數(shù)據(jù)。數(shù)字影像圖是通過衛(wèi)星、遙感、航拍等技術(shù)采集并通過專業(yè)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(jù)道路沿線周邊的情況構(gòu)建房屋建筑、高壓線路、徑流區(qū)域模型。房屋建筑的信息包括樓高、樓層數(shù)、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(qū)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(fā)生形態(tài)改變，需按照一定的法則將道路空間形態(tài)與地形進行拼接計算，即完成道路范圍內(nèi)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(jié)構(gòu)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(gòu)成完整的道路三維模型系統(tǒng)。

三維模型系統(tǒng)要素建模方法及作用

1.地形地質(zhì)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(tǒng)需要生成并存儲從數(shù)百萬個點創(chuàng)建的曲面，必需對它們進行組織以進行有效處理。對于地質(zhì)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(jù)地形地質(zhì)三維模型，可幫助道路設計者總體把握整個區(qū)域的地質(zhì)條件，尤其是不良地質(zhì)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(zhì)處理設計。

2.地面紋理處理

引入地形影像作為數(shù)字地面模型的表面紋理，疊加在矢量地形圖上，即可呈現(xiàn)模型區(qū)域的地形地貌環(huán)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(zhì)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(gòu)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(shù)據(jù)，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(jù)設計數(shù)據(jù)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(jù)設計設置起點位置、軌道偏距離、高度偏距等參數(shù)，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(huán)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(tǒng)中需要添加園林景觀專業(yè)設計人員設計的植物綠化景觀，降低道路建設對社會環(huán)境的負面影響，盡可能做到道路與景觀協(xié)調(diào)一致。景觀模型涉及的參數(shù)：植物群分類、植物群空間位置，植物群高度等。

5.道路周邊環(huán)境

道路周邊環(huán)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(guī)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(zhì)等參數(shù)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(tǒng)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(jù)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(tài)有方向的，所以對水域的處理應通過采用材質(zhì)變化達到動態(tài)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(nèi)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(fā)揮模型的輔助設計和決策作用，也是模型系統(tǒng)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(yè)中的推廣應用。

1.分析模塊

對于系統(tǒng)的分析，大多數(shù)軟件采用的方法是根據(jù)路徑進行三維漫游，通過視距等因素來判斷設計線形的優(yōu)劣。然而，花費如此大的精力僅僅實現(xiàn)單一功能，投入產(chǎn)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(fā)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(xiàn)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(shù)、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(qū)域淹沒情況，分析流域?qū)Φ缆吩O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?qū)崿F(xiàn)關注點、測量功能、構(gòu)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(gòu)造物信息包括場地面積、建筑高度等。

2.共享模塊

現(xiàn)代社會講究分工和協(xié)同，龐大的模型系統(tǒng)需要不同專業(yè)人員進行分工協(xié)作。通過網(wǎng)絡可以做到模型系統(tǒng)的多專業(yè)協(xié)作，實現(xiàn)模型的實時同步更新。因此，BIM模型的共享模塊應包含發(fā)布、修改、瀏覽模型的功能。為了保證協(xié)作的有效性、協(xié)調(diào)性，模型的管理員應根據(jù)項目的情況對項目負責人、各專業(yè)負責人、一般設計人員設定相應的共享權(quán)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(qū)路網(wǎng)、復雜立交、可持續(xù)性分析等輔助設計。

（1）路網(wǎng)設計。目前，路網(wǎng)設計中往往存在這樣的問題：片區(qū)路網(wǎng)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(qū)域存在標高、管網(wǎng)對接問題。在設計階段，通過BIM模型能夠?qū)ㄋ胶痛怪睅缀误w系、排水系統(tǒng)、公用設施、公用地界在內(nèi)的項目數(shù)據(jù)與圖紙進行關聯(lián)，避免沖突發(fā)生。

（2）復雜立交設計。BIM的設計成果是一個三維數(shù)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(shù)組件，能描述清楚非常復雜的問題。通過BIM可以實現(xiàn)以下設計功能：

①建立參數(shù)化的精確橋墩三維模型，真實展現(xiàn)立交施工完成后的樣式；

②復雜的立交及其周邊環(huán)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(yōu)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(jīng)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(yōu)化提供了可靠依據(jù)，從而減少工程量。

（3）可持續(xù)性設計。城市道路可持續(xù)性設計有：日照分析、聲環(huán)境分析、流體分析等內(nèi)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(nèi)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。