BIM技术在公路、桥梁正向设计中的应用分析

赵斌斌，张遵聪

(苏交科华东(浙江)工程设计有限公司 杭州市 311100)

0 引言

BIM即建筑信息模型，英文全称Building Information Modeling，是通过整合分析建筑工程信息数据组给出准确的数字信息模型。简单地说BIM是涵盖了整个建筑生命周期的一个数字化信息模型，可反映出工程整个生命周期的真实状态。BIM技术的核心是通过分析建筑工程信息数据组，将工程问题中的实体建筑模拟成一个具有多维度结构化数据库的工程数字模型。依托项目“国道丹东至阿勒泰公路绥芬河(永胜)至绥阳(大东满)段改扩建工程”，进行实景模型的建立及设计中各阶段的正向应用的研究。该项目的工程数字模型在三维空间下实现灵活地创建、计算、分析等一系列研究，从而提高实施项目各条路线的精细化程度。BIM技术的应用可以系统严密地通过对建筑的数据化、信息化模型整合，在项目设计、施工和维护的全生命周期过程中进行共享和传递，因此，BIM技术在公路正向设计中受到越来越多的关注。

1 BIM技术在公路正向设计中的优势

1.1 BIM技术在道路设计中的优势

1.1.1BIM技术在立项阶段的优势

公路工程的立项准备阶段需要对该工程进行有效可靠的可行性分析，并编写工程可行性研究报告，主要针对路线起讫点、工程规模、工程目标、主要经济等多方面分析论证工程项目的可行性。目前工程可行性研究阶段相较于其他设计阶段较少引入BIM技术，诸多常见文献在此阶段均未提出相关BIM的应用，但相比于传统设计而言，在此阶段BIM的一些应用还是有较大优势[1]。

BIM技术在方案比较与决策方面的应用。在传统设计当中，设计人员会根据技术指标、经济指标、运营效益、施工条件的难易程度等方面，经过设计人员及专家的论证，推选出一条推荐线和多条比较线。与传统设计相比，随着BIM+GIS的深入融合以及无人机的飞速发展,如今设计人员可快速获取三维实景模型。专家及设计人员在实景模型中可以通过上帝视角俯览整个设计区域，从而更加立体地反映公路工程的设计。

BIM技术在初步成本估算方面的应用。设计过程中可产生很多类型的成本估算，包括从设计阶段早期的成本概算到设计完成后更精确的成本预算。事实证明，等到设计阶段结尾才形成一份成本预算并不是一种理想的方式。如果我们在设计完成后发现项目预算超支，就只能运用价值工程削减开支和降低质量，严重的甚至会取消项目。设计过程中的期间成本估算越早发现问题，对于工程的顺利进行越有利，以便于决策者们能够提前考虑备选方案。BIM技术的应用极大地促进了这种期间成本估算的发展。OpenRoads ConceptStation可以通过道路设计功能实现智能模型的快速创建，利用现实数据和成本分析结合项目前期获得的实景模型，可快速形成初步的成本估算报表，项目负责人可以对项目进行整体的把控。

1.1.2BIM技术在初步设计及施工图设计阶段的优势

目前公路设计主要分为初步设计和施工图设计两个阶段。这两个阶段的深度以及侧重点会呈现出很大的不同，其主要体现在如下几个方面：

(1)施工图设计阶段更加注重深度，主要表现为在可操作性和具体化方面更加细致。

(2)初步设计不仅作为施工图设计编制的基本佐证辅助前提，与此同时，初步设计对于审查时出现的一系列问题以及在此过程中所遗留的问题，均应该在施工图设计中对此进行必要的纠正、补充和细化完善。

(3)从预算层面来看，初步设计阶段编制的是在投资过程中所需要的概算，而施工图设计阶段编制的是以施工图为基准进行的具体施工工程预算。

总而言之施工图设计就是对初步设计的进一步具体完善和深化。

路线设计作为整个道路设计中最开始也是最重要的步骤，其核心就是对路线平、纵、横的设计，此阶段需要设计组在符合《公路工程技术标准》、《公路路线设计规范》等规范的前提下，还要考虑自然环境、设计经济条件、周边经济需求等多方面因素，选线必须由粗到细，由轮廓到具体，逐步深入，才能定出较为合理的路线，而想要做到上述这些条件，就需要测量、设计人员不断地到现场进行实地勘测[2]。整个路线设计的过程既耗时、耗力，花销还比较大。

OpenRoads Designer 是BIM技术在道路设计板块研发出的一款功能完善、全面详细的软件，适用于勘测、排水以及道路设计。该软件不仅可以完美地取代传统设计中所使用的InRoads、GEOPAK、MX 和 PowerCivil 提供的所有在线功能，还独特地嵌入了全新的综合建模环境，从而为工程设计提供了高效的施工驱动，显著地提升了路网项目的交付进程，进而从概念的提出到竣工的整个设计和施工过程都一步到位。

用OpenRoads Designer进行道路设计与传统设计流程类似。与传统设计相比ORD的选线过程由于所构建的地形模型是三维立体的，因此在路线选线和定线时能够更加清晰直观地参考原始地形特征，二三维视图联动修改，科学合理地确定路线走向，综合分析填方和挖方工程数量，更好地避开不良地质。横断面设计主要采用“搭积木”方法定制出适合项目的横断面模板。利用横断面模板可以将排水边沟、边坡、挡墙等以构件的形式在创建廊道时在地形模型中同步出来，比之传统设计只局限在“图表”设计，以基平测量，断面法计算的工程量更加准确，在有效统计工程量的前提下，合理地设置参数节点，以此来确保道路横断面设计的科学合理性和实用可靠性。

至今国内还没有较为有效的与业主进行三维模型的交付方式，但随着CNCCBIM OpenRoads的出现，设计院可以实现将三维模型转化为二维的图纸、工程量表，以大家都熟悉的方式交付给业主，不同的是出图流程更加简便、工程图纸更加专业[3]。

1.2 BIM技术在桥梁设计中的优势

1.2.1BIM技术在桥梁方案比选中的优势

在桥梁设计工程中，装配式桥梁作为常规桥梁的主要分支，继而在桥梁设计阶段需集中投入较大的工作量在常规桥梁的实施方案拟定中。传统公路桥梁方案设计通常情况是结合现场情况、水文情况、通航情况、地方经济情况、交通流量、地质情况等诸多因素，确定桥梁位置及控高[4]。约束路线在该节点区域的路线技术指标，最终确定该节点处的平曲线与竖曲线。但由于传统设计中的方案设计一般来说都会使用1∶2000地形图来示意项目区域的河流、植被、构造图等信息。该方式存在设计意图表达不清晰、被跨越物体与桥梁构造物的位置关系不精确、不直观等问题。

在BIM中同样存在一款桥梁设计软件OpenBridge Modeler，直接利用从OpenRoads Designer中获得土木工程数据，将获得的LandXML文件导入道路信息和地面数据即可。通过运用多专业的创新可视化流程快速生成制定工程设计决策所需的信息，加速桥梁设计，同时利用工可研阶段获得的实景模型，将其与BIM方案模型相结合，从专业的角度剖析和评价桥梁方案，能够更加清晰地验证上下结构选型、孔径布置、通航情况的合理有效性。

1.2.2BIM技术在钢箱梁细节设计中的优势

随着我国路网逐步完善，如何减少新建道路对既有道路的影响，快速建立跨线、互通桥梁成了一个相对棘手的问题。预制钢箱梁有着自重轻便于吊装、施工速度快、线型灵活等优点，被广泛应用于公路、城市道路的跨线桥或互通桥梁上。然而由于钢箱梁内部包含顶板、底板、腹板、横隔板、加劲肋等多种尺寸不一、功能不同的构件组成，其内部构造纵横交错[5]。在常规二维图纸中，通常设计人员为了将设计意图及构造情况表达清楚图纸内容会较为繁琐、复杂，致使人为因素导致图纸不同程度的错误，也是常见之事。

桥梁设计阶段BIM可利用ProStructure软件进行钢箱梁的精细化设计，通过将结构设计与三维设计在BIM技术设计阶段相结合的方式，从而展示出钢箱梁各构件的位置关系的三维模型。基于三维模型进行模拟预拼装尝试性连接，针对设计阶段出现的不合理因素给予指出发现并加以更改，以便于生成三维信息模型供施工单位进行后续的加工拼装。工厂可将设计数据对接到数控加工机床，这样就实现了大幅度地提高设计质量、缩短设计与施工之间的协调沟通工作周期，进而有效缩短整个施工工期的时长，很大程度上提高了工程质量。

1.2.3BIM技术在桥梁可视化技术交底中的优势

BIM技术模拟关键施工工序的优势在于设计者可以直观地将自己意图通过三维的方式表达出来，同时可以将施工过程中需要重点注意的地方做出特别提示。设计院通过将二维的施工组织设计和施工作业指导书的关键步骤制作成施工动画的方式，提高与施工单位的沟通效率，从而提升工程品质。同时，可以制作关于关键的施工工法与成套的施工工艺的技术交底库，方便后续的类似项目直接调出以供指导与参考。为了更方便地展示三维设计流程，图1为贯穿道路桥梁设计的三维设计流程图。

图1 基于BIM的道路三维设计流程

2 BIM技术在公路桥梁设计应用中存在的不足

(1)成果交付相对困难。目前各大院所较为流行的交付方式为采用云端交付方式，但该方式其信息安全、模型体量、交付速度、法律地位等均存在一定的问题。另一种交付方式则是采用三维转二维方式来解决，BIM与传统设计问题的转换，虽然该方式暂时可以解决BIM正向应用的一部分不足，然而由于目前所应用的大部分BIM建模软件均采用国外软件，由于国情的不同，其图纸转换及转换后的图纸样式均存在非常大的差异性，导致目前BIM技术的出图率非常的低。

(2)缺乏相应的标准。目前在公路行业中，由于BIM技术处于一个起步期，虽然各企业均相继出台自己内部的BIM标准。然而缺乏一个行业层面的统一标准，导致其模型编制、模型等级划分、构建编码、模型交换等跨单位、跨行业进行模型交付时均存在协调、统一难的问题。

(3)对BIM从业人员有更高的专业要求。由于设计、施工、运营管理等全生命周期的工程建设活动中都涉及BIM技术，在设计期的BIM应用就需要向其它阶段进行模型信息传递。因此要求从业人员了解并掌握项目各个阶段的相应知识以及BIM相关软件的应用。此外，还需要引进一些优秀的开发人员对一些需要完善的功能进行二次开发。

3 结语

随着近几年BIM技术的快速发展以及在公路桥梁设计中应用的深入分析不难发现，该项技术已渗透甚至应用在公路桥梁设计的各个阶段。尽管在结合过程中会不可避免地遇到一些实践难题和复杂的环境阻碍，但从目前的发展趋势以及相关成果来看，BIM技术必将在公路桥梁设计中成为一把锋刃有力的工具。其优势体现于可以深入到设计阶段的各部分实践中，起到辅助作用攻克工程中所遇到的复杂问题，并能轻松灵活地将二维设计成果无法详细表达的内容通过自身三维的优势清晰直观地准确展示。经过一系列深入的调查研究和实践探索，BIM技术定会以更加成熟的实施体系应用于公路桥梁建设的各个阶段，成为未来建筑行业实用性最强、有效性最高的一项高端龙头技术。