公路工程数智化设计生产系统研究

云南省交通规划设计研究院有限公司 申俊昕

前言

以CAD、CAE、BIM等研发设计类工业软件为代表的数智化技术，在公路工程设计行业的转型升级中扮演了无可替代的角色，但这类工业软件面临的“卡脖子”困局早有端倪。笔者所在的交通运输部建筑信息模型（BIM）技术应用交通运输行业研发中心（云南）自2016年起，充分利用以CAD、CAE、BIM为代表的数智化技术，致力于公路工程设计的全面数智化改造，倾力打造了一款公路BIM“中国芯”——公路工程设计BIM系统，以期促进公路工程设计行业早日实现应用自主可控的BIM技术，构建数字设计基础平台和集成系统，实现工程设计、工艺、制造的协同，加快推进公路工程设计行业数智化转型升级。

工程物参数分析

公路工程设计的目标是正确且合理地确定工程物的所有参数值，并将方案通过图形技术准确地表达出来。由于公路工程规模大、参数多、参数间逻辑复杂，因此在设计过程中，设计师需具备大量的专业基础知识，将大量的工程物参数从具体的设计过程中剥离，大幅降低设计工作量。需要充分利用以往的工程设计经验来快速确定大量的常规参数，快速形成初步方案。找出初步方案中的不合理参数，通过反复试算、各种分析技术运用以及向专家咨询等手段，确定剩余的疑难参数。由于团队分工，设计师之间还会存在相互关联、依赖的参数，需要团队间协商确定。另外，由于数据量庞大，为确保工程设计质量，还需要开展大量的相互校核和上级审核工作，导致设计思想在人脑之间的反复传递[1]。

利用CAD、BIM等数智化技术对包括道路、桥梁、隧道等在内的公路工程进行数字化设计，关键在于对工程物参数化。数智化技术已应用于正向设计多年却一直难以落地，很大程度上都与参数密切相关。一方面是参数的取值，即确定工程设计方案的过程；另一方面是参数的表达，就是用二维图纸、三维模型等形式来表达工程设计方案的过程。

工程物参数的数量往往很大，并且受到一系列参数的影响，如控制参数、环境参数和必要的性能参数等。工程物参数按取值方式可以分成三类：可标准化的参数、可智能化的参数、创新设计的参数。

可标准化的参数，是指设计生产工作中经过多年工程实践经验积累，已经被标准图、通用图等形式规定取值的参数，这类参数大约占比70%；可智能化的参数，是指通过设计原则、经验规则等能够智能化自动确定的参数，这类参数大约占比20%；创新设计的参数，是指需要设计工程师根据工程具体情况来现场决定的参数，这类参数大约占比10%。

其中，70%、20%、10%这些比例，是以施工图设计的标准来划定的。在初步设计阶段，可智能化的参数可能上升到25%，创新设计的参数也就下降到只有5%；在工可、方案设计阶段，可智能化的参数甚至可能达到29%，创新性参数只剩下1%。这个比例其实反映了一个国家的工程设计水平，如果可标准化的参数和可智能化的参数的整体比例很高，则说明这个国家的工程设计水平非常高。在数智化转型升级过程中，以BIM技术为代表的数智化技术及应用手段是否考虑了这三类参数的分布规律，直接关系到这些技术手段的落地效果。

工程设计过程分析

公路设计工程师在设计过程中，通常要做好以下工作：

一是理解。设计师针对设计意图、设计资料、设计指导书、合作伙伴所提要求等，形成深入细致的理解。

二是思考。包括对参考图、设计者自身设计经验的回顾及思考。

三是协商。在设计过程中有一些不确定的因素，需要向上级、专家、业主等沟通、协商、请示。

表1 公路工程设计现状及数智化的技术思路

四是决策。对工程物参数进行取值，对方案进行校验及专业化分析。

五是表达。设计方案的表达过程，可以分为两部分：一部分是方案本身交付成果的表达；另一部分是对合作伙伴之间的协同“关联”关系的表达。

通过进一步调研和分析，当前公路工程设计工作在设计资料、关联信息、设计信息量、图纸成果、协商沟通、过程管理等方面存在诸多问题，结合各类数智化技术的特点，我们提出了解决这些问题的技术思路，以期指导“公路工程设计BIM系统”数智化设计生产系统的研发工作，如表1所示。

数智化设计生产系统技术路线

“公路工程设计BIM系统”的研发正是基于工程物参数的完整性及设计过程的复杂性，充分利用BIM、互联网等数智化技术，从三个维度对上述工程设计过程进行数智化改造，如图1所示。

第一个维度：简单的日常事务力求规范化、标准化、自动化。其主要包括：规范化的资料表达和收集，标准化的流程。而对于图纸成果表达，技术简单但工作量很大，应该以自动化绘图为主要手段。

第二个维度：复杂的设计过程要针对三类参数分类施策。首先，设计师人工处理的工程物参数要大幅“瘦身”，即70%左右的可标准化的参数不应该出现在软件交互界面上，而是隐藏在软件后台的标准库里，让软件交互界面上只剩下30%的参数交给设计师来做设计，以免给设计师造成巨大的负担；其次，对剩下20%左右的可智能化的参数，要充分利用设计经验规则，也就是各设计院的设计指导书，进行充分的数字化改造，以实现智能化设计，即实现设计经验规则的智能化自动应用；最后，对很小一部分确实需要依赖于具体项目来思考定夺、创新设计的疑难参数，要提供“强人机交互”功能，也就是让设计工程师有足够便利、高效的设计环境及技术手段来做实验、分析，辅助他们理解、优化，从而最终确定下这一部分疑难参数。

第三个维度：设计过程中团队间相互协同“关联”的事情。首先，信息要充分地共享；其次，相互间的沟通要便捷；最后，对相互依赖的中间结果以及最终成果都要数字化留痕、跟踪。

上述三大维度的数智化改造，已贯彻落实到“公路工程设计BIM系统”之中，期望可以实现整个工程设计生产的数智化、透明化。在数智化改造的研发过程中，主要采用了以下四类关键技术[2]：

图1 数智化设计生产系统的技术路线

一是数字化标准部件库技术。以通用图和行业规范标准等标准化文件为基础，建立数字化的标准部件库，并规定标准化的索引方式，利用BIM模型中的信息来自动化引用标准部件库中的数据。利用标准部件库技术，可实现自动化引用，无需人工干预，既避免了重复劳动，也保证了标准贯彻的正确性。

二是数字化设计经验库技术。以设计指导书为基础，建立数字化的设计经验库，针对工程环境参数、设计经验参数建立智能的索引方式，依据GIS数据、已经确定的BIM数据和设计者的构思数据，可智能且快速地形成设计方案，从而既提高了设计效率，又降低了工程合理性控制的难度。

三是参数化智能联动技术。对于疑难部位的设计，只能由设计师充分发挥自己的创造性。通过设置专业性的设计控制参数，由设计师手动调整控制值，所有相关的BIM参数全部联动更新，并同时刷新三维效果图，让设计师可即时查看设计结果的变化，从而加深对疑难点设计逻辑及其变化规律的理解。必要时还能自动生成其他分析软件（如结构分析、交通流仿真）的数据输入文件，加深设计师对相关问题的理解，并形成合理决策，以有效降低设计难度。

四是电子沙盘协同共享技术。通过建立工程项目的共享电子沙盘，可实时汇总设计团队的最新三维虚拟实景的成果。在虚拟实景中，设计团队及关联各方相互了解各自情况，并利用互联网技术在线沟通，既能充分利用高效的通讯技术提高沟通效率，又能避免很多基于图纸沟通所致的人为串行过程，有效地避免了低级的设计反复。

数智化设计生产系统功能概述

笔者所在的交通运输部建筑信息模型（BIM）技术应用交通运输行业研发中心（云南）研发团队，近五年来根据上述数智化改造的技术路线，深入研究了上述四项关键技术，持续开展公路工程数智化设计生产系统的研发工作，已经取得了阶段性突破及相关成果。包括总体设计子系统、路基设计子系统、涵洞设计子系统、隧道设计子系统、交安设计子系统、电子沙盘子系统、资料管理子系统7个子系统在内的“公路工程设计BIM系统”体验版，自2019年6月已面向行业用户试点推广，在经过一年的用户反馈和持续迭代优化后，于2020年6月面向公路勘察设计全行业发布了《公路工程设计BIM系统V1.0》正式版。各子系统的功能主要包括以下几个方面：

公路工程设计BIM系统总体设计子系统。系统能够完成从路线方案研究到施工图设计阶段的设计工作，完全实现了平、纵、横联动设计；在进行平面线形设计、纵断面设计及超高加宽设计时，系统会自动结合最新规范并辅以智能的分析计算，实时提醒用户进行合理性控制；实现了桥梁、隧道、边坡等构造物的三维模型快速生成、工程数量实时提取，同时支持多路线间的方案比选；在不同设计阶段，均能以BIM模型为基础快速生成相关图表成果，出图和算量的精准程度得到有效保障。

公路工程设计BIM系统路基设计子系统。以可视化的三维设计环境、先进的设计理念、丰富便捷的交互设计功能，给设计人员带来了一把专业“利器”。使用该系统，可实现单个设计人员一天内轻松完成超过100km的各等级公路的路基路面设计建模工作，并且可以一键生成所需的图纸和表格成果；系统建模功能强大，能够满足包括边坡、支挡、排水、路面、取弃土场、路基处治、土石方调配等在内的几乎所有路基路面专业方向的设计需求；可以实时生成精细的三维模型，使得设计人员不再为手工工作量繁重的“生产”任务而发愁，可以把更多的精力投入到方案的比选优化中去，真正回归到设计本质，显著提高了设计效率和设计质量。

公路工程设计BIM系统电子沙盘子系统。作为整个系统的协同共享平台，电子沙盘子系统能够即时集成总体、路基、桥梁、涵洞、隧道、交安、资料等子系统协同工作的最新成果，团队成员可以基于最新集成成果进行交流、沟通。

公路工程设计BIM系统涵洞设计子系统。涵洞设计子系统是满足公路、市政、铁路等工程涵洞设计的通用软件，能够帮助设计师实现涵洞的自动布设，输出涵洞图纸、图表并计算工程量，极大地简化了以往涵洞设计的各种繁琐过程，使涵洞设计变得更简单、直观。

公路工程设计BIM系统隧道设计子系统。隧道设计子系统融合了BIM技术，重点解决了隧道设计过程中比较繁琐的隧道内轮廓、洞门、平纵等设计问题和非通用图部分的图纸绘制问题，大大降低了隧道设计的难度，同时提高了设计效率。

公路工程设计BIM系统交安设计子系统。交安设计子系统以智能设计为主、交互设计为补充，借助强大的设计经验库思想，实现了交安设计的标准化、自动化和智能化；基于实景三维设计环境，使得交安设施的设计过程更加形象、生动，方案核查简单直观，设计效率得到极大提升；设计方案完成后，可一键提交至交安工程的三维模型及二维图纸。

公路工程设计BIM系统资料管理子系统。资料管理子系统是基于互联网、物联网、云计算等技术的“互联网+”云数据管理平台，为公路勘察设计行业提供了专业、易用的云服务平台。此次推出的“外业调查”模块，旨在提高外业调查现场编录及后续数据管理的工作效率和质量，同时还可以与其他设计子系统无缝对接，为设计阶段提供了精准的基础资料，提高了协同工作效率。

总结及展望

目前，“公路工程设计BIM系统”已成功应用于云南江川至召夸高速公路、广西桂林至钦州港高速公路（鹿寨-鱼峰段）、湖北宜都至来凤高速公路宜昌段等数十个项目的工可、初设或施工图设计。实际项目应用表明，数智化设计生产系统有助于设计人员更直观、清晰地了解项目沿线情况，高效地形成设计方案，有效降低设计难度，进而提高设计的整体性能和准确性；有助于业主对项目建设形成更加直接、高效、明确的判断，从而作出更为客观的决策，提高了决策效率，降低了决策成本。高效便捷的协同工作压缩了管理层次，提高了沟通效率，还能化串行为并行，同时避免了公路设计各专业沟通不及时而造成不必要的设计错误，大幅减少了由于局部修改导致的大量重复设计，避免了不同设计阶段不同成果间的信息冲突，大大减少了设计和审核工作量，缩短了设计周期，提高了设计质量和效率并降低了设计成本。

“公路工程设计BIM系统”的研发及实践应用，初步实现了公路工程各专业的数智化设计生产。随着物联网、移动互联网、大数据、人工智能等各种新兴数智化技术的蓬勃发展以及工程设计企业数智化转型升级的更高层次要求，数智化技术深度融合应用于工程设计技术有着更加广阔的发展前景和空间，笔者团队也将就此开展更进一步研究开发，以推动公路工程设计行业的数智化转型升级。