基于BIM技术的公路工程信息模型参数化构建及应用

喻沐阳 斯文彬

(中交第二航务工程勘察设计院有限公司 武汉 430061)

近年来，随着计算机和无线通信技术的迅猛发展，公路工程勘察设计正由传统的二维平面设计不断向可视化、精细化、信息化和智能化方向发展，建筑信息模型(building information model,BIM)技术也应运而生[1]。BIM技术涉及规划、设计、施工、运营维护等工程技术行业全寿命周期的创新变革，是公路行业最前沿的发展趋势。可实现各专业协同设计和项目数据的一体化管理，极大地提高了设计人员的生产力，使其可以有更多精力对设计方案进行优化，而且便于决策者对项目多方位、多角度、多维度了解和控制，做出更为准确的决策[2]。

公路工程建设项目较其他工程项目有其独特性，其囊括专业多，线路长，覆盖空间大，与地质地形条件联系紧密，设计线路的合理性直接关系到群众的出行安全和地区经济的协调可持续发展。但目前公路工程勘察设计BIM技术的应用还停留在三维模型展示的阶段，主要表现为以下几点：①未对模型编码和参数化，难以将模型交付施工单位进一步实现；②模型应用不足，不能充分利用已有的道路信息模型开展进一步的分析研究，规避工程设计缺陷，提升设计质量和效率；③校审困难，无法给各专业协同校审提供技术支撑；④无法批量生成施工图表，模型和设计相分离，不仅不能达到事半功倍的效果，反而增加了较大的工作量[3]。针对模型参数化构建和应用的研究还鲜见报道。

综上所述，传统的BIM技术已无法适应公路工程勘察设计快速发展的要求，有着较强的局限性，难以实现项目总体空间信息管理和维护，因此，本研究拟开展基于BIM技术的公路工程信息模型参数化构建及应用研究。

1 技术路线规划

本研究依托项目为G215线柳园至敦煌高速公路，该项目地形、数据源多，控制因素复杂，设计周期短，因此，采用BIM技术开展施工图勘察设计。从三维设计理念出发，将BIM技术应用于项目实施策划、设计深化和模型应用三大阶段，实现项目模型的参数化，并建立资源整合数据库，构建项目信息模型，最终针对模型开展分析研究和应用。技术路线图见图1。

图1 技术路线图

2 基于BIM技术的道路信息模型构建

2.1 项目背景和概况

G215线柳园至敦煌高速公路位于甘肃省酒泉市瓜州县及敦煌市境内，地处河西走廊西段。是“古丝绸之路”重要路线，也是西部大通道西宁至库尔勒公路的重要组成部分，主线采用双向4车道戈壁、沙漠高速公路标准，设计车速为80 km/h，整体式路基宽度24.50 m、分离式路基宽度12.25 m。设计技术标准见表1。

表1 G215线柳园至敦煌段主线和连接线设计标准

本工程具有“大、精、严、控”4大特点。“大”体现在：道路主线全长46 km，辅道长29 km。总投资27亿元，年平均日交通量为25 902 veh；“精”体现在：BIM模型精度整体达到LOD300，能够详细地展现模型构建的相关参数，为后期的施工管控和运维管理提供数据支持；“严”体现在：沿线自然保护区众多，历史文化遗址密集，高压线分布情况复杂，对项目的选线和施工要求严格；“控”体现在：基于公司二次开发的协同设计云平台和鸿城设计管理平台进行管控，规范化模型设计及专业校审流程，使项目BIM应用真正上升到企业级水平。采用BIM技术实现各专业间高效的协同设计，大幅度提高了设计效率，方便了项目各参建方之间的交流和管控。具体路面结构参数见表2。

表2 G215线柳园至敦煌段沥青路面

2.2 高精度三维地面模型构建

重复映射现象示意图见图2。针对无人机倾斜摄影画面可能存在的重复映射现象[4]，本研究使用真正射影像生成技术对航拍底图进行处理，拓扑结构更加合理。首先对初始DEM数据进行分类、修测与编辑，然后对生成的初始点云数据进行编辑，滤掉遮盖地物及游离点，对于边界模糊、归类不明的建筑物，必须对其顶层边界进行分类与修测，针对建筑物周围存在的大量低矮地物导致的拉花与遮盖现象，采用硬性重新插值的方法进行处理，将地面平均高程计算为统一值插入其中，以避免畸变与不连续情况的出现，便于后续正射影像的制作使用，真正射影像纠偏方法示意图见图3。

图2 重复映射现象示意图

图3 真正射影像纠正方法示意图

利用InfraWorks软件将经过真正射影像纠偏后的航拍底图及Civil 3D地形曲面进行整合，创建高精度三维数字地形沙盘，实现项目所在区域地形、水系、建筑物等信息的可视化表达，精确反映项目各影响因素的尺寸和地理位置信息，便于设计人员整体把控，为公路工程平、纵、横协同设计提供有力支撑。

2.3 公路平、纵、横协同设计

传统公路工程设计方案优化流程是：路线平面设计→建立数字地面模型→获取纵横地面线→纵断面设计→超高加宽设计→横断面设计→土石方计算和调配。当发现填挖方放坡受限、土石方

数量较大，不良地质条件制约等现象时，需重新回到第一步调整优化路线平面设计，依次循环直到找到经济合理路线方案为止。

本研究利用Infraworks软件强大的平、纵、横协同设计功能，并结合所在区域地形控制因素，对路线方案进行比选和优化，在调整路线平面的同时实时剖切纵横地面线，并能够实现纵断面和横断面实时动态修改，实时浏览横断面及与原始地形的填挖切割情况，协同设计界面见图4。在一些控制因素较多、地形复杂的区域及位置，通过平、纵、横三维立体定线的方式进一步开展专项比选论证，确保路线方案可行、合理、经济。为下一步项目的施工图勘察设计提供有利条件，有效避免了设计过程中因影响因素考虑不全而导致的设计反复。

图4 平纵横协同设计界面

2.4 道路模型编码及精细化建模

根据上一阶段平、纵、横协同设计成果，尤其是在一些控制因素复杂段落的优化成果，利用鸿业科技路易2018系列软件对道路信息模型构件进行统一编码和参数化，编辑界面见图5。

图5 构建编码和参数化编辑界面

构件库包括路面结构层、边坡防护形式、标志标牌和护栏等项目模型BIM构件，可对其材料组成、性能参数、技术要求及施工工艺等信息进行详细交底。以构件为核心，通过构件ID编码与模型关联，实现实体与参数化数据的相互关联，便于设计和施工人员及时查看相关构件详细参数，使得编码数据库更加完整、清晰，从而为模型的管理和下一阶段交付工作提供有利条件[5]。

作为公路工程项目的重要组成部分，标志标线、互通立交、停车区和服务区等交通工程及沿线设施，需要按照“保障安全、提供服务、利于管理”的原则，从总体角度考虑其布局合理性和协调性，确保驾驶员可以在正确的引导下顺利抵达目的地。交通安全设施设置合理与否，直接关系到公路工程的服务水平和通行能力[6]，本研究在参数化编码建模的基础上，对项目全线的附属设施进行精细化建模。图6为孔家庄互通模型，图7为石槽子停车服务区三维实景模型。

图6 孔家庄互通模型

图7 停车服务区三维模型

3 道路信息模型应用

3.1 建筑界限分析

公路建筑界限范围内不得有任何障碍物侵入。公路标志、护栏、照明灯柱、电杆、管线、绿化、行道树、挡土墙，以及跨线桥的梁底、桥台、桥墩等的任何部分也不得侵入公路建筑界限。否则会对驾驶员的心理产生不良影响，使其试图避开路侧边缘障碍物，导致靠近毗邻车道上行驶车辆，严重影响驾驶员行车安全，并降低道路通行能力和服务水平。

传统设计过程并未在设计完成后针对公路建筑界限进行系统全面检查。本研究采用三维手段对建立的BIM模型进行建筑限界分析，建筑界限检查过程见图8。按照规范要求自定义建筑限界尺寸和形状，即可对设计成果进行快速检查分析，以规避设计中的存在的问题，对提高公路工程勘察设计质量具有重要意义。

图8 道路信息模型建筑界限检查

3.2 行车视距分析

行车视距是保障公路工程行车安全的一项关键指标，也是国家规范规定的强制性设计指标之一。作为三维立体的空间实体工程，公路视距受平、纵、横等几何指标、参数和平纵组合等的影响外，还可能受到路侧填挖方边坡、护栏、路侧构筑物等的遮挡影响[7]。通过对我国部分山区高速公路进行视距检验评价发现：在平、纵等主要几何指标满足对应标准、规范指标要求的情况下，仍可能存在视距不良的特殊路段，还存在着较大的安全隐患。

针对传统视距检查方式难以考虑标志标牌、护栏、行道树等因素对驾驶员视距影响的弊端，本研究采用BIM技术对项目开展驾驶视距检查和分析是十分必要的[8]，视距检查过程见图9。

图9 驾驶员视距检查

本研究采用鸿业软件施工图BIM设计模块对项目进行驾驶员视距检查分析，通过定义驾驶员视线高度、行驶方向、视距要求等技术参数(见表3)，可快速检查出视距不良路段并进行标记，检查过程简洁直观，便于及时采取相应技术措施进行改善，可有效降低路段的事故发生率。

表3 视距分析参数取值

3.3 道路信息模型校审

本研究针对BIM模型校审流程复杂的问题，组织技术力量自主研发了BIM协同设计管理系统，该系统不同于传统公路工程勘察设计过程对图纸校审的理念，针对经过编码和参数化模型的专业校审可使设计人员更容易发现设计成果的缺陷和不足，便于不断优化和改进设计，为模型的校审提供了有力的技术支撑[9]。其系统操作界面见图10。

图10 协同设计管理系统

在系统云端服务器上同时安装相关BIM设计软件和自主开发的希迪系列软件，可将道路信息模型各专业协同设计成果上传至系统，校审人员通过该管理系统对模型和图纸进行校审，并可实时提出批注及修改意见，系统根据构件编码和参数设置可自动生成模型校审意见清单，并及时反馈至各专业设计人员，模型专业校审界面见图11。

图11 模型专业校审界面

设计人员在接到校审意见单后会进行修改并重新提交校审，所有校审流程均可在本系统云端完成并在服务器上留痕，确保设计成果的准确性。

3.4 可视化交底及批量出图

技术交底是指项目施工前或者工人进场作业前，由相关专业技术人员向作业人员进行的施工方案、工艺工法和操作步骤等的技术要求。传统技术交底主要采用图纸+文字说明的形式，难以使施工人员快速准确地领会设计人员意图，交底效果较差。本研究通过可视化交底的方式，建立企业级工艺工法库，辅助设计成果向施工环节移交。使得相关人员能够更加深入了解设计意图和设计信息，交底中可视化效果见图12。该方法显著提高了技术交底效果，利用鸿城云协同平台可快速录入上传BIM模型、人员组织及安排、施工进度等项目信息，并以发送链接的方式告知业主或者施工单位等，使得BIM模型、图纸等轻量化分享。

图12 施工环节技术交底

目前，公路工程勘察设计成果的交付主要仍以图纸为主，传统公路工程BIM技术与平面设计往往需要重复工作，不能实现建筑信息模型向二维图纸的快速转化，本研究在建立参数化模型的基础上，使得采用BIM技术实现设计成果的自动化出图成为可能，本研究通过对CAD软件进行二次开发，可实现道路平面图、路线纵断面图、横断面图、逐桩坐标表等自动化生成。生成的施工图纸见图13、14，大幅降低了设计人员机械化劳动量，效率提高30%。

图13 逐桩坐标表

图14 路线纵断面图

4 结论

1) 使用真正射影像生成技术，拓扑结构更加合理，本研究以真实地形环境属性开展设计，采用总体-局部-总体的模式建立中心模型文件，建立各专业模型并汇总至中心文件，最终实现了道路信息模型编码和参数化。

2) 本工程具有“大、精、严、控”四大特点，通过BIM协同设计，实现了LOD300级道路、桥梁和涵洞等精细化建模，设计成果批量出图、精确算量，大大缩短设计周期，减少设计变更15%，效率提高30%。

3) 与常规BIM应用相比，本研究应用BIM设计云平台，将其与企业生产管理及质量体系相结合，实现了传统设计软件和国产BIM软件综合应用，BIM设计水平及成果质量大幅提高，达到了BIM企业级应用水平。