劉占利

(天津市公路工程設計研究院 天津300170)

0 引 言

城市道路是現(xiàn)代化城市重要的組成部分之一，是現(xiàn)代化城市必備的基礎設施。近些年來，城市快速發(fā)展，人口急劇增長，各種交通工具大量出現(xiàn)，導致交通堵塞日益嚴重，特別是國家大力發(fā)展智慧城市戰(zhàn)略的提出，這些都對城市道路前期規(guī)劃設計的科學性提出了更高的要求，如何做好城市道路的前期規(guī)劃設計已成為促進城市發(fā)展的重要課題之一?，F(xiàn)在，城市道路的規(guī)劃設計通常采用的還是傳統(tǒng)的二維設計方法，這種設計方法的局限性大、設計效率低、不直觀，難以滿足越來越復雜的城市道路規(guī)劃設計需要。

近年來，BIM(建筑信息模型)技術的發(fā)展引起了廣泛的關注，BIM 是一種全新的設計、建造及運營管理方法，將規(guī)劃、設計、建造、運營等各階段的數據資料全部包含在3D 模型中，使工程項目整個生命周期中任何階段的工作人員在使用該模型時均能擁有精確、完整的數據，幫助項目設計者提升決策的效率與正確性[1]。

InfraWorks 作為BIM 的一款主流軟件，是歐特克公司推出的一款適用于基礎設施項目規(guī)劃和方案階段的全新設計工具[2]。InfraWorks 在BIM 技術中主要適用于建設工程前期方案研究和后期設計成果的整合與展示，核心功能主要體現(xiàn)在3 個方面：設計區(qū)域范圍內基礎設施模型的創(chuàng)建；多方案設計與分析；最終設計效果展示。InfraWorks 突破以往技術限制，采用更加直觀的可視化三維建模技術，能夠更加快捷、高效率地管理大型基礎設施模型以及提高設計速率。InfraWorks 可以在一個模型下創(chuàng)建多個不同的方案，設計人員和其他利益相關方可以在同一個真實的場景下直觀地對比不同的方案選項，從而快速做出決策[3]。李慧等[4]在華為松山湖智慧園區(qū)有軌電車設計中，將多種新技術無縫融合，在InfraWorks 平臺上，多專業(yè)進行協(xié)同設計，為設計人員帶來極大便利，設計周期從6 個月縮短至2 個月，成功節(jié)約設計團隊約30%的人力。利用InfraWorks 軟件，可以在很短時間內完成規(guī)劃方案的必選和報告，利于后期深化設計[5]。InfraWorks 可以在路線初步設計階段進行實時動態(tài)設計，及時發(fā)現(xiàn)設計中的不足，并且可以實時進行道路優(yōu)化，減少了后續(xù)設計變更，提高了設計效率。InfraWorks 建立的直觀真實模型，讓項目各方都能清楚地知道自己的關注點，了解設計的沖突點，找出解決辦法，讓彼此的交流更為流暢，改善了二維環(huán)境下信息傳遞不完整的弊端。InfraWorks 中所產生的基礎模型數據可以傳遞給Civil 3D 進行深化設計，使整個設計流程保持連續(xù)，保證了設計質量。InfraWorks 所具有的這些優(yōu)勢可以有效地為工程設計、方案比選提供技術支持，節(jié)約工程成本，提高設計效率等。

1 基于BIM應用技術路線分析

在InfraWorks 中可以提供基于真實環(huán)境的三維地形模型，并極其方便地進行基礎設施要素建模，在這種三維環(huán)境下，能夠快速地創(chuàng)建逼真的城市道路三維模型，最后完成整個項目的三維數字模型的創(chuàng)建。InfraWorks 可以利用CAD 地形圖、GIS 數據等建立三維地形模型，也可以從Map 3D、Civil 3D、Revit、3dsMax 等軟件中導入設計模型，最后將以數據庫形式保存，同時也支持 Oracle 等數據庫導入。在InfraWorks 中可以創(chuàng)建概念設計要素，繪制概念道路、道路隔離帶、建筑、景觀、河流等其他基礎設施模型，并且可以評估初步工程數量、分析區(qū)域用途、進行高程分析等。有了真實的設計場景之后，可以利用InfraWorks 的相關路線可視化設計功能，使設計師在三維環(huán)境中直接進行規(guī)劃設計城市道路，并且可以在同一模型中創(chuàng)建多種路線規(guī)劃設計方案，使用可視化展示其設計方案。InfraWorks 的設計分析功能，還可以在方案設計完成后進行各種分析，如交通模擬、移動模擬等，以驗證其可行性，并修改缺陷，進行道路設計優(yōu)化。InfraWorks 可以有效地整合Revit 軟件和Civil 3D 軟件中的模型，進行數據交換和整合，從而讓城市道路整體規(guī)劃設計更為精確。橋梁、隧道等結構物可在InfraWorks 中直接草繪，也可在 Revit 軟件中進行精細設計，最后以 FBX 格式導入到InfraWorks 中整合設計。

InfraWorks 可以分析道路設計成果中不合理以及需要調整的地方，再導出到Civil 3D 軟件中修改，以此反復設計，直到設計成果符合設計要求，最后導入Civil 3D 中進行施工圖深化設計。InfraWorks 提供的漫游瀏覽及展示功能，能提供交互式漫游，實時更新數據。同時快速切換不同方案，進行方案比選，并進行效果展示。使用超鏈接和工具提示，快捷地了解建設信息，后期可以輕松制作經過渲染的圖片和動畫，見圖1。

圖1 基于InfraWorks的設計流程Fig.1 Design flow based on InfraWorks

2 城市道路場地建模

2.1 城市道路地形曲面建模方法

軟件所有操作都是基于曲面基礎上進行的[2]，InfraWorks 支持整個規(guī)劃區(qū)域的大范圍的三維場地建模，保證了設計的真實性和有效性，根據規(guī)劃設計階段前期所掌握的地形資料不同，可以采用以下3 種方法布置前期地形。

①在InfraWorks 的模型生成器中，可以免費下載低精度的地形數據和地面圖像，其精度取決于模型生成器的精度。這種模型中包含三維地形曲面、地面圖像、重要構造物、道路等模型元素。滿足要求不高的情況，方便、快捷，但模型精度較低。

②可在免費的地圖下載器中下載地形數據和地面圖片。例如在LocaSpaceViewer 下載交通道路項目區(qū)域內的地形，再選擇范圍內的圖片，生成地形文件。最后以Raster 格式導入InfraWorks 中，疊合生成地形模型。以這種方式生成的模型精度較高，圖片清晰度高，但路網、建筑模型等無法生成，需要在InfraWorks 中創(chuàng)建。

③以上兩種講的是，在既無地形數據又無地形圖片情況下創(chuàng)建地形模型的方法。在做項目時，通常會收到具有高程點和等高線等的地形數據。在這種情況下，需要在Civil 3D 中，根據已有的地形數據，創(chuàng)建地形曲面，并做適當的處理，剔除其中不合理的數據，然后給曲面指定一個坐標系。把從地圖下載器中下載的，或者由勘測單位提供的曲面范圍內的地形圖片，通過Raster Tools 插件導入到Civil 3D 中，先把它與地形曲面完全疊合在一起，再調整圖片的坐標，使曲面與圖片坐標一致，最后把定位好的曲面和圖片分別導入InfraWorks 中，生成地形模型。這種方法生成的地形最精確，擬合度高，適合大部分項目要求。InfraWorks 中生成的三維場地如圖2 和圖3 所示。

圖2 原始地形曲面Fig.2 Original terrain surface

圖3 加上地面圖像的地形曲面Fig.3 Terrain surface with ground image

2.2 城市道路場地環(huán)境布置

城市道路路線規(guī)劃設計需要真實的基礎環(huán)境，快速創(chuàng)建高度真實的環(huán)境是十分重要的，可以提高整個流程的設計效率。如果僅僅利用InfraWorks 進行所有房屋、草木的制作，工程量會十分龐大，同時軟件中道路、河流的對象庫較為單一，可利用Civil 3D 在規(guī)劃圖的基礎上提前對周邊道路進行設計再導入InfraWorks 中效果會更佳[6]。規(guī)劃CAD 矢量圖與光柵圖通過Autodesk Raster Design 軟件進行匹配，匹配之后通過生成的.jgw 坐標文件，為建筑物及道路指定坐標，然后導入InfraWorks 中。這種方法可以大范圍快速地創(chuàng)建簡單模型，節(jié)約設計時間，效果如圖4所示。

Infraworks 軟件自帶的材質庫和模型庫有許多不同的材質、配景以及建筑立面風格可直接套用[7]，可以手動放置內置的各種建筑模型，建模速度也比較快。如果使建筑物更加逼真，可使用Revit 平臺進行精細化建筑物，添加各種材質和裝飾，做出來的效果也最好，還可以為一些重要建筑物添加超鏈接，直接點取建筑物的重要信息，儲存并分析信息。為了使模型更加完整和美觀，可以再設置添加上警示牌、樹木、路燈等其他附屬設施，最后完成符合現(xiàn)場的真實環(huán)境如圖5 所示。

圖4 快速創(chuàng)建建筑模型Fig.4 Building model created quickly

圖5 三維真實場景效果圖Fig.5 3D real scene rendering

3 基于InfraWorks 的城市道路的路線規(guī)劃設計方法

InfraWorks 可以在已經確定的道路規(guī)劃條件下，科學地研究和設計某條路線的具體幾何線形和結構構造，包括路線的起始方案、管網及附屬設施布設等。在 InfraWorks 中建立三維真實場地之后，就可以基于三維場地模型中的路線控制點及周邊條件，高效率宏觀地進行城市道路路線規(guī)劃設計。

3.1 路線平面設計

在InfraWorks 中，可以根據已有設計規(guī)范進行實體路線設計，確保設計出來的線路符合設計規(guī)范要求，道路模型精度及可行性較高，這是InfraWorks 優(yōu)勢之一。在三維場地中，利用道路設計命令，基于路線控制點及真實的周邊環(huán)境，可以直接在三維場地中進行平面幾何線形設計，確定路線基本起始走向，并且通過直接拖拽，進行細部微調，確保設計符合規(guī)劃要求，與地形地物相適應，從而獲得初步路線方案設計。城市道路的平面幾何線形由直線、圓曲線和緩和曲線等組成，并在InfraWorks 中設置它們的規(guī)范長度，確保設計的可實施性；如果有不合理的地方，可以直接在軟件中拖動設計中心線，不斷地調整路線空間位置，觀察不同的路線路由方案對周圍環(huán)境的影響，以及是否達到預期目標，如圖6 所示。

圖6 路線平面線形設計及動態(tài)調整Fig.6 Horizontal alignment design and dynamic adjustment

3.2 路線縱斷面初步設計

根據建立的路線方案，可自動提取路線中心線對應原始地面線，利用InfraWorks 的縱斷面視圖，進行方案初步的縱斷面設計，見圖7。使用豎曲線創(chuàng)建工具，結合最大坡度、坡長限制，根據大致確定的路線高程，確定道路的坡度、豎曲線長度，并通過平縱聯(lián)動，動態(tài)觀察各斷面填挖方情況。經對比分析，實時調整坡度坡長，最終確定合理的縱斷面[8]。InfraWorks初步設計完成后，再導入到 Civil 3D 軟件中進行深化設計。

圖7 路線縱斷面初步設計Fig.7 Preliminary design of route profile

3.3 道路橫斷面精細化設計

城市道路的橫斷面設計內容包括路基、橋梁、隧道等。在 InfraWorks 中可以進行路基橫斷面的精細化設計，根據不同的路段，確定設計出相應的路基橫斷面尺寸和樣式，滿足特殊要求，如圖8 所示。根據地形地物及設計規(guī)范確定橋梁、隧道的里程位置，在InfraWorks 中，編輯橋梁、隧道的樣式，在模型中進行繪制和調整。對于一些特殊重點的路段，如果InfraWorks 中橋梁、隧道的樣式不符合項目要求，還可以在Revit 平臺中進行精細化設計，對于重點地段的梁體、橋墩、橋臺以及附屬設施模型參數化建模，精確拼裝，再導入InfraWorks 中，以確保城市道路設計符合要求，如圖9 所示。

圖8 道路橫斷面設計Fig.8 Design of road cross section

圖9 道路橫斷面類型效果圖Fig.9 Effect drawing of road cross section type

3.4 道路交通優(yōu)化設計

在完成城市道路初步設計之后，可以進一步對道路模型進行視距分析、交通仿真模擬等方法檢驗和修改，從而獲得一個更加科學可行的設計方案。進行視距分析，這將有助于識別受遮擋物影響的視線盲點或視線障礙區(qū)，得到不同的視線區(qū)域。用不同顏色表示車道上的安全區(qū)域和視線受影響區(qū)域，淺藍色表示能見度良好的區(qū)域，黃色表示所需目標點被遮擋的視線障礙區(qū)，深色區(qū)域表示視線問題可能導致事故發(fā)生的潛在事故區(qū)。

InfraWorks 的交通仿真模擬包括交通模擬和移動性模擬兩種。它們可以分析交叉口的交通流量，并使用不同的顏色呈現(xiàn)分析結果，并且輸出交通模擬動畫，動態(tài)觀察。使用“交通分析”面板指定高級需求矩陣、縱斷面、車輛類型、驅動程序類型和其他變量，然后運行程序得到結果，分析和判斷道路的服務水平和通行能力。移動模擬是適用于InfraWorks 的集成多模態(tài)移動性模擬引擎。使用移動模擬可創(chuàng)建交通、停車場、行人等的動畫模擬，直觀地判斷所設計道路的交通運行情況。并能得到關鍵性能指標報告(如行人所用時長、行人所經過的公里數以及經濟和環(huán)境評估等)，以Excel 和PDF 導出，為綜合評價提供了參考指標。通過以上分析方法，可以找出設計中不合理之處，分析問題產生的原因，進而做出改進。與傳統(tǒng)的二維計算機輔助手段相比，這種優(yōu)化方法更直觀、更有效，節(jié)約時間，提高了工作效率和質量，如圖10至圖14。

圖10 交通控制參數輸入Fig.10 Input of traffic control parameters

圖11 視距分析Fig.11 Line of sight analysis

圖12 交通模擬分析Fig.12 Traffic simulation analysis chart

圖13 移動模擬分析Fig.13 Mobile simulation analysis

圖14 交通報告表格分析Fig.14 Traffic report form analysis

3.5 方案設計成果展示

為了進一步提高設計精度，可以將InfraWorks的設計成果導入到 Civil 3D 軟件中進行精細化設計，如豎曲線設計、復雜多級邊坡設計等，再將完善后的設計成果以 IMX 文件重新導入 InfraWorks中，瀏覽和展示最新的設計成果。城市規(guī)劃所需的模型可以利用Revit 內建族自建，路燈、管網、交通指示牌等常見設施，同樣可以通過不同專業(yè)設計師的建立導入進來[9]，這樣不但可以直觀清楚地展示設計成果，而且還可以在以后的施工圖設計階段，減少出錯率。InfraWorks 一方面基于精確的地形模型實施規(guī)劃設計，另一方面考慮到各種規(guī)劃設計中所出現(xiàn)的問題，道路、橋梁和隧道的布置與周邊建筑和交通的相融狀態(tài)直觀地呈現(xiàn)在模型中。Infraworks 軟件有較好的三維動態(tài)交互操作功能[10]，同時通過分析生成各種報表和指標，可為方案決策提供更直觀的依據。此外，Infraworks 軟件還搭載了云平臺，可以在手機和平板電腦等移動終端上瀏覽已經建立的三維模型，對現(xiàn)場施工人員技術交底大有裨益[11]。

圖15 完成后的城市道路效果圖Fig.15 Effect drawing of urban road after completion

4 結 語

在本研究中，筆者介紹了一種全新的基于BIM的城市道路規(guī)劃設計方法，并對具體的設計方法做出了詳細介紹。以InfraWorks 為基礎，研究了利用BIM交互設計技術進行城市道路項目的三維場地建模、路線平、縱、橫規(guī)劃設計、道路優(yōu)化設計、方案設計成果動態(tài)展示等，在規(guī)劃和方案設計階段，實現(xiàn)了城市道路的BIM 解決方案。

本論文研究的設計方法以三維數據模型為最終設計成果，能夠進行實時的動態(tài)修改設計和展示，并能提供數據進行效果分析，可以獲得精準可行的設計方案，而不是以往的空洞效果圖。BIM 模型設計比起單一的常規(guī)二維平面設計更直觀，更有說服力，有利于讓項目各方清楚地了解城市道路項目設計成果，消除分歧。同時，利用InfraWorks 的多方案設計功能，實現(xiàn)了不同設計方案比選，有利于決策者最終確定設計方案。這種設計方法可以作為BIM 正向設計的一部分，為后續(xù)的城市道路BIM 深化設計提供了基礎。