BIM技术在公路工程设计阶段中应用研究

欧佳佳 戴 玮

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，公路交通节能环保技术交通运输行业研发中心，合肥 230088)

前言

BIM(Building Information Modeling)技术是一种通过三维模型携带大量数据信息并传递运用在工程建设全项目周期的新型信息化技术，是对工程建设项目各阶段物理特征和功能特性的数字化表达，具有以数据为中心的全生命周期理念特性[1]。BIM技术运用体系在建筑等行业已经十分完善，而在公路工程行业仍然处于初期发展阶段[2]。

1 BIM技术在公路工程应用现状

BIM 技术在我国已经发展推广多年，部分行业如建筑行业已十分成熟，BIM 技术基本可以贯穿“建管养运”一体化全生命周期过程[3]。而公路工程仍然处于摸索和发展阶段，涉及的工程范围广、相关专业多，同时长线条带状特性与点状构筑物特性有很大的区别，因此，BIM技术在公路工程上的推广应用十分局限。

从2003 年开始，我国就已经在工程项目中引入了BIM技术。十多年以来，BIM 技术不仅在我国各行各业得到了广泛的应用推广，还进行了许多创新研究。在提高工程建设质量的同时，还极大地减少了工程建设成本。到2013年，住建部发布相关文件，明确指出BIM 技术在建筑领域应用的重要性。文件明确指出：到2020年末，甲级勘察设计单位以及特一级施工企业要掌握并实现BIM 与企业管理系统和其他信息技术的一体化集成应用。2016年，交通运输部发布了关于打造公路水运品质工程的指导意见，旨在推进公路水运品质工程建设，提升公路水运工程质量，为人民群众安全便利出行和社会物资高效畅通运输提供更加可靠的保障。随即2017年，交通运输部办公厅下发关于开展公路BIM技术应用示范工程建设的通知，主要任务包括：提升公路设计水平； 提高公路建设管理水平； 推进公路养护管理信息化。

从交通部各阶段文件可以看出，国家和行业现阶段对于公路工程BIM 技术发展应用十分重视。在我国设计行业的发展历程中，最近一次设计技术变革可追溯到CAD引进时期，从手绘图纸到CAD绘图，解放了设计师的双手。而现阶段的BIM 技术推广应用，又是一次新的设计技术变革，充分解放了设计师的思想。BIM技术的应用不仅是设计工具的迭代更新，更是设计理念和思想的创新进步[4]。

2 设计阶段BIM技术应用

2.1 BIM+GIS设计应用

公路工程设计对地形地貌原始数据的依赖性很高，在传统二维设计模式中，对于长线条带宽的高速公路设计，则需要通过委托测绘局进行实地测绘，利用大量测绘点绘制成地形图，设计时对设计人员空间想象及理解能力要求高，设计质量难以得到保证，同时涉及到大面积拆迁征地时，会产生许多不可控影响。而且在设计环境条件复杂时，需要设计人员长时间在外进行野外勘察，根据实际项目需求在设计阶段需要出勘数次，极大地影响了设计进程和效率。

G3W德州至上饶高速合肥到枞阳段根据项目特性和业主要求，全项目范围采用无人机倾斜摄影测量技术应用，主线带宽左右幅各300m，局部工点位置带宽左右幅各500m，复杂工点处根据实际设计需求加大带宽长度。无人机测量采用五镜头倾斜相机，沿线布设满足1： 2 000要求的控制点，在采集照片数据之后，由于项目带状特性，直接进行空三分析建模成功率较低，采用重建大师软件进行计算分析，有效地完成了空三处理，建立了多角度要素的三维真实场景模型。

项目复杂工点之一吕亭南枢纽互通立交，该互通与合安高速交汇，属于重点复杂工点工程，在枢纽范围内通过倾斜摄影测量技术实现了现场高清数据采集，并经过分析处理后利用GIS平台还原项目实地现场三维立体模型，且依照国家84坐标系高程误差控制在米级，平面误差控制在分米级，实现了高精度的数据采集处理，建立真实有效的实景模型。

利用倾斜摄影测量实景模型对项目实施时现场情况的收集以及现场地形地貌的分析，不仅成为实地拆迁征地的有效佐证，还能为项目踏勘时提供一定的勘察辅助，同时利用生成的高清地形地貌，为多专业设计提供了大量的有效依据和参考[5]，包括主线设计线位、填挖平衡、现有道路现状、池塘水沟位置等。在设计完成后，采用Infraworks软件的GIS平台集成和定位功能，将实景模型和多专业三维设计模型综合集成，进行设计校核及查验，同时进行项目范围内的景观绿化等环境设计并直观地进行可视化方案比选。通过BIM+GIS技术应用，不仅为设计工作提供了较大便利，降低了大量人工成本和设计成本，同时也为后期数字化设计交付数据的准确性提供了依据。

图3 BIM+GIS改路改沟调查

图4 BIM+GIS桥梁设计方案比选

图5 BIM+GIS综合应用

2.2 基于公路工程的多专业设计校核

在公路工程设计中会涉及到道路、桥梁、涵洞、隧道等多个专业设计，专业繁多且不同的公路工程项目所含设计专业也不尽相同，在传统设计模式下无论是三阶段设计过程中还是在设计阶段结束后都存在繁杂的设计改动和变更，流程复杂繁琐，影响设计效率和质量[6]。在设计阶段中很多相关专业设计只能通过经验和预估设想进行设计，道路边坡填挖方、桥梁构件埋深、涵洞设计标高和底标高、改路改沟接线位置及方向、路面高程等等都难以精确化定位，在现场施工时对实际地形还存在不可确定性的平整和因地制宜性的选择，同时在多专业设计协调时会存在设计差异。因此在设计阶段进行专业的设计校核具有重要意义，可以提前发现和避免大量设计过程中出现的设计问题。

G3W德州至上饶高速合肥到枞阳段全线三维设计根据标段划分和设计单位BIM实际应用情况分别选择了Autodesk和Bentley平台，基于Autodesk平台的路桥隧涵及附属工程的设计建模采用Revit+Dynamo+Civil 3d软件组合模式，而基于Bentley平台的路桥隧涵及附属工程的设计建模采用的是Power Civil+Open Bridge Modeler+Microstation软件组合模式，为了简化建模流程及提高建模效率，分别基于Revit及Microstation平台进行了二次软件工具开发。最后通过项目集成平台将两类BIM数据融合对接。

图6 平台二次工具开发示例

在设计各阶段过程中，通过利用现场地形还原和倾斜摄影测量三维成像BIM技术，让设计人员在设计时充分考虑场地实际情况和影响因素进行相关专业设计。在各专业综合设计模型完成后，通过采用综合对比分析法、路线限界校核法和碰撞检测校核法进行设计校核。

图7 路线限界校核法

图8 综合对比分析法

图9 碰撞检测校核法

通过多阶段设计过程同步的多专业设计校核，有效地减少了设计不合理、设计缺陷和净空不足等问题的出现，通过优化后的设计方案和模型为下阶段提供了一定的施工便利，减少了许多设计变更。

2.3 构件编码体系应用及延伸

基于全寿命周期BIM技术应用背景下，三维数据模型从设计到施工再至运维阶段，模型数据信息的传递、构件信息的继承使用则成为衔接各阶段BIM技术应用尤为重要的途径，因此需要在设计阶段进行详尽的工程构件信息分类及构件编码[7]。这种体系应用不仅可以在各个阶段将所有几何模型信息、功能要求和性能表达，更是一个创建、存储、管理及应用数据信息的过程[8]。

现阶段公路工程构件编码体系国内外均很粗泛，根据公路工程项目的特殊性，并参照铁路构件编码规范自主进行构件信息分类和编码。

图10 构件编码构成原则

图11 道路构件编码示例

BIM三维模型由诸多构件组成，而构件作为组成BIM模型的基本单位，在储存和调用模型构件信息时，就必须通过构件编码进行区别与索引[9]。在项目设计阶段中，通过三维模型建立过程中对每一个构件赋予唯一的构件编码，相关专业人员可通过构件编码对所需构件信息进行直接调取，在项目工程量统计估算时，根据不同的构件分类迅速对三维模型工程净量进行自动统计对比，提高估算的准确度。同时也方便了在后期快速发现、查找和定位设计错误或者需要设计修改的工程构件。

图12 桥梁构件编码示例

在构件加工阶段，利用每个单体构件上的编码可以为生产厂商提供每一个构件的详细信息，极大地降低了数据传递过程中的丢失和错误，方便构件的实时管理和查询。在项目施工阶段，施工管理人员可以对实际施工情况进行实时把控，直观地观察到施工计划的进度偏差，能够及时采取措施并对施工进度计划进行调整或重置。在项目运维阶段，可以实现信息化的运维管理，当构件寿命、预设维护和更换时间等相关指标达到期限时，会自动提醒业主进行构件检查和维护，并把相关运维信息再记录进去，实现数据信息的保存和再次利用。

构件编码体系的应用是为全寿命周期BIM技术应用各阶段提供服务，其数据信息基础起于设计阶段，因此在设计阶段做好构件信息分类和编码具有重大意义。

3 设计阶段全过程BIM技术应用总结

根据公路工程特性在其设计阶段可将BIM技术应用划分至工可方案阶段、初步设计阶段及施工图设计阶段，基于每个不同设计阶段采用不同BIM技术应用进行辅助设计。

工可方案阶段，通过采集的测绘数据形成项目工点范围内地形图，利用三维地形软件将地形图处理生成有效三维地形模型，然后将地形模型导入GIS平台，并通过高质量卫片贴合或对接倾斜摄影测量实景模型进行工点现场实况模拟分析。利用三维实景地形进行简便高效的平纵方案设计，设计人员通过直观可视化的多方案比选，择出最优方案并可以将相关方案生动地向业主汇报展示。

初步设计阶段，在确定具体方案之后，采用专业的道路桥梁等三维设计软件进行专业设计，从传统的二维平面设计逐步转化为空间三维设计。运用专业化的参数控制，按标准进行模板设计，从主线到被交线，从匝道到汇交鼻端，从上穿到下跨，满足初步设计的标准和要求。在主体工程完成设计后，需要进行设计校核，针对设计上可能存在的设计问题或依据现场地形实况需要进行修改的问题，在三维模型上精准查验探讨并进行优化设计，无论是提出的设计修改意见还是相关的设计影响因素，都能及时准确地进行标注和修改。

施工图设计阶段，通过初步设计评审之后，可对初步设计的三维数据模型进行再加工，依照评审意见对相关专业进行精确的参数化变更，深化模板设计，细化更多道路边坡边沟、改路改沟、桥梁细部构件及护栏等深层次数据模型，并对所有分类构件模型进行构件编码，实现数据模型信息的可控性，便于设计变更及交付后的精准查询定位，同时基于深化设计模型可以进行相关景观绿化排水等专业设计，使三维数据信息能被生态化、可持续化利用。

从工可阶段到初步设计阶段，再到施工图设计阶段，采用同一套三维数据基础模型进行修改深化，极大地提高了设计方案的比选印证效率，实现了一套三维数据模型从低精度到高精度的重复利用，同时数字化交付的三维信息数据模型也提高了施工方后期的施工管理效率，为项目运维提供了坚实的数据基础[10]。

4 结束语

综上所述，随着我国交通基建行业的BIM技术应用不断推广，公路工程BIM技术应用也在不断发展、成熟，这是一个长期创新和进步的过程。本文详细分析了公路工程设计阶段多方面BIM技术应用，在总结多阶段BIM技术应用的基础上，为全寿命周期BIM技术应用提供有效依据。同时也为广大公路工程BIM技术人员提供了设计阶段BIM技术应用参考，促进数字化三维技术在公路工程的发展和应用。