BIM技术在道路工程设计中的应用分析

叶国平

（兰州新区市政投资管理集团有限公司， 甘肃 兰州 730314）

0 引言

当前在建筑领域中应用BIM技术，其信息建模技术提升了空间建筑的发展，为行业发展注入活力，也促进了BIM技术的创新。在早期道路工程设计以CAD为主，2011年Shim等将BIM技术运用在桥梁设计中，建设3D桥梁模型，国内也将BIM技术运用在高速公路隧道工程施工中，细化施工工序与步骤，根据参数等三维建模分析工程建设，提高了施工效率。现阶段运用在路桥施工设计中，初步取得理想效果，但在某种程度上具体施工过程中，还有待改进和完善。

1 BIM技术的应用概述

BIM技术主要是构建建筑信息模型，将建筑设计从二维向三维方向转变，实现建筑信息化的立体应用，包括几何信息、现场动态信息、施工行为运动等，BIM技术的应用十分广泛。我国从2001年引入该技术，受到政府、企业、行业协会等的重视。我国的城市更新、城镇化、地下管廊等基础设施建设中，受到资源和环境的约束，对环保方面提出更高要求，所以应该让BIM技术的应用发挥到最佳。

道路设计部分比较复杂，需要多个专业相互配合实现，具备系统性、复杂性、统筹性、交互性等特征。道路设计涉及到大量数据资料，在BIM设计中对道路设计，其设计流程和传统设计形式并没有较大差别，因此设计流程也很容易被人们接受。道路设计工作中，主要是基础资料的收集与整理、分析，其中涉及到大量合同内容、业主的需求、上位规划分析、现场情况调查等。当基础资料整理完毕之后就可以进行道路的平、纵、横方案设计，设计主要目的是在控制各种因素的前提下选择合理的平、中、纵面线形和横断面（形式）搭配。规避生产建设中的不利因素，保证规范合理，满足质量要求，保证工程施工安全。当道路平、纵、横方案初步确定之后，其他的专业设计则在这个基础上完成，不同专业数据相互支撑矫正，不同专业交互设计之后设计成果即可汇总输出，用来指导方案设计与施工（见图1）。

图1 BIM技术的全生命管理流程

BIM是一种新型生产理念，能将工程建设中各个工种与部门所掌握的信息高度集成在3D模型之内，保证整体方案的设计、工程进度、运营维护等[1]。

2 道路工程设计的实现

2.1 地质勘察

道路的地质勘察与建筑勘察不同，道路为条带式，道路沿线所有要素均在工程设计考虑范围之内，方便后期进行道路施工方案设计，以及动态调整施工。因此勘察工作主要是道路沿线地质地貌，而3D建模需要与路桥专业人员协同作业实现。电子3D建模可以动态反映施工现场实际情况，各种测绘数据综合之后，结合软件进行3D建模，按照地形测绘数据创建出丰富的曲面表达形式，可以制定出最佳设计方案。

2.2 方案选择

道路项目建设大部分是由政府投资建设实现的项目，立项之前需要分析道路建设的可行性，可行性文件内要包含道路建设区域内所有设计要素，同时预测交通状态，结合技术指标拟定方案，综合这些内容确定概算与预算，制定出不同方案。政府需要联合多个部门商讨方案的可行性最终作出决策。BIM技术提供的多因素虚拟可以灵活调整其中的各项要素，可以实现可视化对比，和常规的文字方案相比，这种方案更可以提高交流对比效果。

2.3 3D可视化

Revit软件中将导入数据建模，能直观表现出道路施工各方面需求，业主也可以根据3D可视化设计提出自己的专业要求，降低设计人员和施工人员的压力。也可以通过3D的渲染软件来展示立体化效果，在道路设计中可以高效建立起道路交叉路口、匝道出入口、桥梁墩台等实现个性化更新，通过简单参数设计就可以实现模型变动。在设计的时候通过3D可视化矫正可以提高设计效率。在Revit软件设计中自行计算碰撞冲击检测、结构稳定性验证（见图2）。

图2 可视化桥梁墩台

2.4 协同设计

BIM技术在项目设计中能实现协同设计，信息交流畅快，解决了以往信息闭塞的问题，BIM技术平台搭建的共享新模型实现了多方参与。借助信息模型平台，直观展示整个设计中的内容，实现数据资源共享和信息共享，讨论分析速度加快，将数据信息与道路的基本情况都直接传递给施工各个部门，方便施工单位造价核对精准、管理科学合理。BIM技术构建的协同平台能实现信息的综合性碰撞，以及促进信息传播速度加快，快速计算出地形曲面、路线平面、纵横断面设计的可执行性[2]。

2.5 工程量造价计算

常规道路工程设计是人工计算方式得到项目的工程量与工程造价，因此投入大量成本与精力，其中大量数据资料很难快速分析出来，大量资料需要阅读、处理。在以往技术并不发达，设计图纸表现并不直观，导致计算造价存在误差，工程量的校审、审核工作开展困难。3D数据模型可以将整个路面所有情况展示出来，如路基、基层、面层等，能在软件内集合左右信息实现高精准计算，精简人力构成。如果在传统施工中发现计算错误，中途更改会消耗大量成本，但是结合3D模型，更改内容均在计算机软件中完成，借助BIM技术将动态展示工程量造价结果。

道路工程设计方案都是以图纸的形式来交付，BIM技术设计成果形式是通过信息建模，传统的2D图纸使用中出现解读不充分或者过度解读的情况，当图纸存在变更的时候，常常要核对大量工作，对设计图纸进行变更。BIM技术应用，可以借助信息化实现集成，实现对整个系统的精细化管理，通过软件调整分析，在计算机上分析与输出最终结果，结合造价与工程量来分析方案设计等是否合理，如果要变更图纸等，只需要在建模的基础上调整数据即可[3]。

3 可视化建模分析

3.1 线路设计

通过搭建BIM信息模型来确定坐标，输入在软件内定义地形，也可以在软件中绘制下层土体情况DMT，这是基础性工作。通过DMT建立直观展示地下土层实际情况，为道路设计工程的开展提供数据支持。现阶段常用软件为Power Civil，可以提供Terrain独立文件，该软件在地形建模方面具备非常显著的功能，编辑、分析、运算功能强大。系统内生成xml、tin格式，线路设计方便快捷，可随身更改数据与更新，使用AutoCAD进行二次开发，即可生成3DBIM地形模型[4]。

3.2 平纵设计

Power Civil是通过导线法来设计道路主线，根据勘测资料所得到地形地貌与坐标点设置地形导向，根据交点找到曲线，将其连接成一条路线，在地形曲面基础上形成纵段面地面线，同时附加道路、排水等要求，设计纵坡竖缺陷，设计结果如图3所示。

图3 平纵设计图

3.3 路基设计

Power Civil的路基建模，创建横断面方面考虑特征点、组件、末端这三个基础部分。以施工中常见的沥青路面为例，有土路肩边缘、道路中心等，各个节点之后通过斜率、直线距离来对其进行定义，通过各种约束标签描述具体位置，对该位置进行参数化设计就是特征点。在软件对路基建模的过程中，组件是一个点组，可规定开口类型、表征人行道与基层材质等。末端就是边坡的设计，软件逻辑分支来确定边坡末端，自动化搭建模型[5]。

3.4 快速建模

Power Civil软件内基于2D模型建立的3D模型在输入数据之后就可完成初步设计，当平面、纵面、断面设计内容借助之后，将道路设计横断面按照路线设计方向拉伸模型，就可以快速建立道路3D模型。部分道路工程设计方案在横断面的设计方面存在差异，因此需要使用多个横断面模块来完成。Power Civil软件系统可以借助先进的计算能力得到最佳方案，反映到道路整体模型中（图4）。

图4 过渡方案设置

BIM技术在三维建模设计、道路中心线设计之后，可以借助系统进行全面分析、优化设计。在这个过程中技术人员和设计最终效果之间有直接关联，因此需要保证建模人员的专业素质，才可以提高BIM技术整体使用效率。道路工程设计具有复杂性、综合性等特征，施工影响因素较多。BIM技术模拟施工活动可以为道路工程施工的顺利开展提供保证。在建模完成之后，依托BIM软件平台做好防护工作，进入到虚拟漫游模块中，构建熟悉的信息化情景，充分感知道路施工中的高风险区域，结合建模制定事故应急预案，完善施工管理策略。

4 结束语

BIM技术能促进道路设计活动的合理开展，凭借BIM技术应用的典型特征，通过地质勘察准备，选择施工方案，搭建BIM信息模型，进行3D可视化建模之后完成道路工程设计。借助BIM技术和现代信息化软件完善道路工程设计，改善以往施工设计存在的弊端，有利于提高道路工程设计质量和施工质量。