BIM技术在公路设计中的应用

孙建诚，李永鑫，王新单

(河北工业大学 土木与交通学院，天津 300400)

BIM技术在公路设计中的应用

孙建诚，李永鑫，王新单

(河北工业大学 土木与交通学院，天津 300400)

BIM技术在传统建筑行业中的应用愈加频繁。但在我国公路行业，BIM技术的应用仍然处于起步阶段。立足于BIM技术的概念及特点，针对公路工程设计阶段建立了BIM结构树和技术路线。结合我国某二级公路工程，利用PowerCivil软件详细叙述了BIM在设计阶段的模型建立过程及应用过程。为促进BIM技术在我国公路工程设计阶段的应用提供了一定的技术思路和实践经验。

道路工程；BIM；公路设计；信息化；技术路线

BIM是在信息化背景下提出来的一种创新工具与生产方式。其已在欧美等发达国家引发了建设行业的变革。BIM在建设工程行业中的应用服务于建设项目的设计、建造、运营维护整个生命周期，为项目各参与方提供协同工作、顺畅交流的平台，其在避免失误、提高工程质量、节约成本、缩短工期等方面具有显著的优势。BIM技术在我国发展较晚，尤其是在公路工程行业仍然处于起步的阶段，因此，研究BIM技术在公路工程行业的应用是必要的。

1 BIM概述

1.1 BIM定义

BIM即建筑信息模型，其最早是由美国乔治亚理工大学建筑与计算机学院(Georgia Tech College of Architecture and Computing)的查克伊士特曼博士提出，他对BIM做出的定义为：建筑信息模型是将一个建筑建设项目在整个生命周期内的几何特性、构件要求与构件性能信息综合到一个单一的模型中，同时这个单一的模型的信息中还包括了施工进度、建造过程的过程控制信息[1]。综合各国BIM标准，笔者将公路工程BIM定义为：利用三维信息化技术，为实现公路工程各利益方的信息共享与交付，提高工作效率、资源利用效率，并为工作决策提供依据，而建立的集成公路工程全部有用信息的模型。

1.2 BIM特点

1.2.1 可视化

BIM以三维技术为基础，其模型附加了几何信息与非几何信息，不仅可以用于效果图的展示及报表的生成，项目设计、建造、运营过程中的沟通、讨论、决策都可以在可视化的状态下进行。

1.2.2 信息化

信息化是指培养、发展以计算机为主的智能化工具为代表的新成产力，BIM的本质即利用信息化技术提高整个建筑行业的生产效率。BIM具备信息获取、信息传递、信息处理、信息再生、信息利用的功能，并且其集成的建设工程信息不是孤立存在的，而是一个具有庞大规模、自上而下的、有组织的信息网络体系。

1.2.3 协同化

协同化是BIM技术变革整个工程建设行业的重要途径。BIM技术可以改善以往工程建设行业各参与方较为松散的管理体系，减少信息的流失，并利用建造的数字信息模型将各方协同到一个平台，提高设计质量[2-3]。

2 公路BIM模型设计技术路线

2.1 公路构件结构树的建立

系统的公路构件结构树，是建造整体BIM模型的基础任务。其不仅可以促使BIM模型的轻量化，方便模型的建立，还可以实现建设项目全生命周期构件及相关信息的精确查找，方便信息管理和利用。

面向对象的分类是结构树建立的主要方法，按照功能对构件进行拆分是结构树建立的主要原则。笔者将公路构件结构树分为4个层次，第1层将整体的公路工程按照不同的地质、地貌、里程等特征点分段；第2层依据施工缝为界的功能组合体细化；第3层为在功能组合体中按照工程量统计的要求进行构建；第4层根据方便建模的要求将构件细化至单元并完成构建树的建立,如图1。

图1 公路构件结构树模型Fig. 1 Structure tree model of road component

2.2 公路BIM设计技术路线

在BIM环境下，设计阶段主要包括两方面的任务：一是三维公路信息模型的建立；二是三维公路信息模型的应用。

建立三维地面模型是开展公路BIM设计的首项工作。公路工程建设具有点多线长的特点[4]，因此其对地形数据的要求较高。BIM软件首先应该支持多种格式的测量数据(如常规外业测量数据、GPS RTK测量数据、航空摄影数据、激光扫描、卫星遥感等空间信息数据)创建数字地面模型(DTM)。其次，BIM软件应该有对地面模型进行分析的能力，如汇水分析、高程分析等，并支持多种形式的三维展示。目前，实景建模技术是最具前景的三维地面模型生成技术，其不仅可以生成地物顶部的几何信息特征，还可以展现地物侧面详细的轮廓及纹理信息[5]，从而尽可能逼真的还原真实世界,如图2。

图2 景建模技术Fig. 2 Real three-dimensional modeling techniques

参数化设计是BIM模型建立的关键，一般可理解为参数化构件和参数化修改。无论是工程整体BIM模型还是构件模型都采用面向对象的设计方法，对象通过参数所代表的信息反映。参数化修改即对象之间的几何约束和工程约束，几何约束又包括结构约束和尺寸约束。结构约束是指几何元素之间的拓扑约束关系，如平行、垂直、相切、对称等；尺寸约束则是通过尺寸标注表示的约束，如距离尺寸、角度尺寸、半径尺寸等。工程约束是指尺寸之间的约束关系，通过定义尺寸变量及它们之间在数值上和逻辑上的关系来表示[6]。公路工程项目设计中，构件以及构件之间、设计要素之间都存在着不同的几何约束和逻辑约束，这在传统的二维设计中是无法体现的，而在BIM模型中定义参数化关系，即可实现自动化设计，又可实现设计中的动态关联和动态修改。例如，公路横断面设计中可以通过定义边坡与路基的不同约束关系，自动选择边坡形式与比例。

信息是BIM模型的核心[7]，既包括几何信息，又包括非几何信息，如材料性能、时间、成本等。设计过程以及延至全生命周期其都是围绕信息来运转。BIM软件应该支持在建立三维模型过程中对信息的集成与管理。以路基为例，其在设计阶段模型应包括边坡坡率、压实度、填料信息、地基处理信息。三维公路信息模型的应用是模型建立的最终目的。在设计阶段，BIM的应用主要包括：各类报表的生成、施工详图、三维可视化展示、工程量统计以及施工模拟。公路BIM设计整体技术路线如图3。

图3 BIM设计技术路线Fig. 3 BIM design technology roadmap

3 参数化公路BIM模型的建立

3.1 软件平台的选择

BIM时代公路设计师在设计阶段不再是单纯的提供设计方案，还需要为模型附加工程信息，从而进行信息管理及可视化模拟分析。这也决定了一款软件不可能满足所有BIM要求，它需要利用多款软件进行协同工作，并且要求模型及其信息能够在各软件之间进行无缝交换。笔者通过对国内外软件的综合分析，选择Bentley公司系列软件作为核心的技术支持[8]。

1)PowerCivil For China：公路工程的核心建模软件，负责在三维环境下的平纵横等公路主体设计。

2)MicroStation：产品设计平台，作为公路主要构造物的三维模型生产软件。

3)ProjectWise：项目协作和信息管理平台，用于项目全生命周期信息协作和数据管理。

3.2 项目概况

项目为我国西北某丘陵地区二级公路的建设工程。该路线主要功能为连接我国西北地区两主要城市，对促进两市经济发展有重要作用。依据交通量将路线设计为60 km/h的双向双车道二级公路。笔者截取该工程部分路段，路线全长3 510 m。在模型建立过程中，笔者采用参数化模型项目管理模式，对项目文件样式、土木模型数据进行参数化的管理，实现自定义设置和实时的动态关联。同时，软件支持我国公路工程设计标准并可对特殊路段进行单独设置，提高了设计过程的科学性。如图4。

图4 参数化模型项目管理及标准化设计Fig. 4 Project management and standardized design of parametric model

3.3 地质模型

笔者首先将二维的地形图生成三维的三角网模型，然后修正和补全三角网中的出差点，最终生成数字地面模型。道路要素的设计围绕DTM格式的三维地面模型展开，使设计更加高效和立体。如图5。

图5 二维到三维地形图的建立Fig. 5 Establishment of 2D to 3D topographic map

3.4 主体模型

3.4.1 平纵曲线设计

笔者首先从原公路设计文件(二维DWG格式)中提取平曲线，通过powercivil软件在三维数字地面模型中完成参数化建模的基础——平曲线设计(见图6)。在纵断面设计中，视图主要反映两条线：一是地面线；二是设计线。在三维地面模型中生成的地面线是精确反映地面起伏的变化线。利用精确绘图功能，按照提取的竖曲线要素进行设计(见图7)。最后通过平曲线和纵曲线的拟合，形成空间曲线。在此几何布置过程中，本模型利用设计标准工具检查了复杂图元的适用性。

图6 平曲线设计Fig. 6 The plane curve design

图7 纵断面设计Fig. 7 The profile design

3.4.2 参数化横断面设计

PowerCivil的横断面设计整合了路面结构、尺寸、路肩、护栏、路缘石、挡土墙、加宽、超高、边坡以及排水设施等构件和要素，即实现了全参数化的设计，又可对构件赋予名称、材质等信息。在横断面设计中，每个构件都是由相互约束的点构成，构件之间也是通过不同的点的约束来实现，而且点与点之间可自定义设置参数化关系。如图8为该路段一参数化横断面。在该横断面中，路面中线点为横断面原点，从路面、路基到路肩、排水沟、边坡都是依靠“父约束”关系实现参数化，同时对该横断面的每个构件赋予名称、材质信息。完成横断面模板设计后，再根据不同路段的地形环境、交通环境、用地经济等要求进行道路横断面布置，完成公路工程主体BIM模型。最后在曲线段按规范要求设置超高和加宽。图9为该路段整体BIM模型。

图8 参数化横断面设计Fig. 8 Parametric cross-sectional design

图9 公路BIM模型Fig. 9 Highway BIM model

3.5 BIM模型在设计阶段的具体应用

3.5.1 信息管理

本项目在建模过程中对信息进行了附加，在后期实现了对模型信息的实时查询。例如，按桩号实现菜单式的信息管理。面对高速公路点多线长的特点，设置桩号即可查看横断面属性并进行标注。同时，多个视图的动态联动将不同属性信息以不同的视角展现出来。

3.5.2 工程量统计

建立三维模型后，本项目按桩号5 m间隔自动生成填挖方、沥青用量、构件数量等统计报表。同时，自定义了报表格式并输出不同格式的数据文件(PDF/DOC/XLS)，提高了设计的效率和精度。如计算土方量过程中分别运用BIM软件和传统断面法对填挖方进行计算，结果如表1。

由表1可知，两种计算结果差别较大，传统计算方法得出的计算结果相对粗略，而基于BIM的土方量计算因其基于更为实际的地形与公路模型所以结果更为准确。

表1 土方量报Table 1 Earthwork report

3.5.3 二维出图

快速高效的绘制施工图纸是BIM核心价值之一。图纸与公路模型有动态的关联性，所以修改模型也能及时得到最新的二维施工图纸。本项目首先利用软件完成了平纵横等施工图模板的定制，在此基础上形成的施工图能够较为准确的反映工程信息。

4 结 语

笔者通过阐述BIM概念和特点，提出了公路工程构件结构树和设计阶段的技术路线。以某二级公路工程为依托，基于Bentley系列软件将BIM技术应用于公路设计过程，完成了道路平面、纵断面、横断面以及附属工程信息模型的建立。在以下方面取得了一定突破：工程构件结构树和技术路线为三维BIM模型的建立提供了理论基础;公路BIM模型的建立证明了公路工程设计阶段采用BIM技术的可行性，为BIM的推广提供了一定的实践经验;基于BIM的二维出图和工程量统计等应用显著的提高了设计的效率和质量。

由于工程实例的局限性以及BIM软件的限制，公路设计技术路线有待进一步完善，同时BIM在公路行业设计阶段的应用优势并没有完全体现，如让施工图更符合中国设计习惯。但总体来说，BIM技术能够极大的提高设计质量、设计效率，降低建造成本，提升运维管理水平。

[1] EASTMAN C. BIM Handbook: a guide to building information modeling for owners, managers, designers, engineers and contractors[J].Wiley, 2011，12(3)：101-102.

[2] 何关培. BIM总论[M].北京:中国建筑工业出版社, 2011.

HE Guanpei.BIMGeneral[M].Beijing: China Building Industry Press, 2011.

[3] 葛文兰. BIM第二维度——项目不同参与方的BIM应用[M].北京:中国建筑工业出版社, 2011.

GE Wenlan.TheSecondDimensionofBIM—TheBIMApplicationofDifferentProjectParticipants[M]. Beijing: China Building Industry Press, 2011.

[4] 张建平,余芳强，赵文忠，等.BIM技术在邢汾高速公路工程建设过程中的研究和应用[J].施工技术，2014,43(18):92-95.

ZHANG Jianping, YU Fangqiang, ZHAO Wenzhong,et al. Research and application of BIM technology in Xing-Fen Highway construction project[J].TheConstructionTechnology, 2014,43(18): 92-95.

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GONG Jie.ParameterizedModelingandSimulationofTransmissionsBasedonCATIAandADAMS[D].Wuhan: Wuhan University of Technology, 2012.

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BIM Technical Committee.BIMSoftwareandHardwareProductEvaluationReport[R].Beijing:China State Construction, 2014.

ApplicationofBIMTechnologyinHighwayDesign

SUN Jiancheng, LI Yongxin, WANG Xindan

(School of Civil and Traffic Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300400, P. R. China)

The application of BIM technology has become more frequent in the traditional building industry. However, the application of BIM technology is still in its infancy in China’s highway industry. Based on the concept and characteristics of BIM technology, BIM structure tree and technical route were established for highway engineering design phase. Taking a secondary highway project in China as an example, PowerCivil software was used to elaborate the model building process and the application process of BIM at the design stage.Some technical ideas and practical experience were provided to promote the application of BIM technology in the design phase of China’s highway engineering.

highway engineering; BIM; highway design; informatization; technical route

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.11.05

2016-11-09；

2016-12-24

孙建诚(1969—)，男，河北冀州人，副教授，博士，主要从事道路方向研究和教学工作。E-mall: 459158808@qq.com。

F540.33

A

1674-0696(2017)11-023-05

(责任编辑：朱汉容)