BIM技术在高速公路工程设计阶段的应用研究

王 辉

BIM技术在高速公路工程设计阶段的应用研究

王 辉

（广西路建工程集团有限公司，广西 南宁 530001）

当前，我国社会经济建设对道路工程质量提出了更高的要求，不仅要求设计科学性以及合理性满足道路使用要求，而且还需要满足经济性要求，因此加大以BIM技术为代表的高新信息技术在工程各节段应用力度成为公路工程建筑主流发展趋向。基于此，文章针对BIM技术在高速公路工程设计阶段的应用进行研究，希望对相关工作提供参考意见。

BIM技术；高速公路工程；工程设计

引言

随着我国科学技术发展速度及水平不断提升，以BIM技术为代表的高新信息技术被广泛应用于我国社会经济建设过程中。尤其是BIM技术，通过其强大的信息处理能力，可以有效实现依托于建筑工程项目数据够讲相应的模型，并利用数字信息仿真技术对工程中真实信息进行直观展露。工程设计阶段作为整个工程的起始点，强化工程设计质量是确保后续施工环节有序开展以及落实项目质量要求的重要前提，通过利用BIM技术对工程设计阶段提供必要的技术支持，为设计者提前发现设计漏洞并进行有针对性的优化提供便利条件。现阶段我国关于BIM技术相关研究尚存在较大发展空间，仅有部分重要高速公路中应用片面化的BIM技术，即主要依托于BIM平台模型构建模块将二维图纸转化为三维模型，其主要应用目的也局限于相业主方展示，而非用于指导施工。因此，切实落实BIM技术的三维辅助设计、专业协同问题是当前建筑行业内需要面临的主要问题。

1 BIM技术应用概况

BIM技术的广泛应用为品质工程建设提供有利条件，同时工程质量以及人员财产安全也得到有效保障，除此以外，BIM技术在实际应用过程中一定程度上可以提升工程风险抵御能力，确保工程高效有序开展。从当前实际发展角度分析，公路水运工程建设中应用BIM技术已经成为发展主流趋势，BIM技术的应用为公路水运建设工程步入新阶段注入活力，在提升工程建设质量的同时，也为民众提供了更加安全、便捷的出行条件，为推动社会物资调运效率提供有力保障[1]。

通过对公路工程建设经验进行总结梳理可知，项目生命全周期涉及到建设单位、设计单位等众多参与方，工程开展过程中产生的信息较为繁杂，如果未能建立完善的共同渠道，会导致生命周期部分数据丢失，极大地限制项目管理水平以及效率提升，对行业可持续发展目标也会造成不利影响。在工程全生命周期中应用BIM技术可以弥补传统管理模式中信息碎片化、孤岛效应等短板，同时依托于互联网以及物联网技术构建结构完善、数据高度共享、施工管理可视化的项目管理体系实现以计划、进度、费用、质量、安全等管理信息动态驱动的多维度、多角度管理方式，实现对公路工程项目全生命周期的现代化、科学化、智能化、规范化、精细化管理[2]。

2 BIM技术应用特点

2.1 可视化建模

从BIM技术应用实际角度分析，可视化建模是该技术的核心优势之一，也是其得到广泛推广与应用的重要技术依托。BIM技术在实际应用过程中可以对公路设计阶段涉及的路线、路面等多方面信息进行整合，随后依据数据信息处理结果构建相应的3D信息模型，有效解决传统CAD图纸难以对复杂三维形态进行表述的漏洞，同时可利用BIM技术将其转化为可视化状态，方便技术人员开展后续工作。除此以外，依托于BIM技术的施工体系在搜寻设计图纸漏洞方面的效率也得到显著提升，技术人员在实际工作中可直接针在BIM模型上进行相应修改，有效提升图纸设计质量以及工作效率，为保障工程质量奠定坚实基础。

2.2 工程量计算与分析精准化

通过BIM技术应用经验进行梳理总结可知，依托于BIM模型可以对工程公粮进行运算与统计，实际操作过程中，计算机设备可以对模型中构件的几何属性信息进行识别与处理，并得出工程量统计表。工程管理者将模型以及实际工程量统计表进行横向对比即可明确二者之间是否存在差异以及差异之处，随后即可开展有针对性的核查，明确导致问题出现的原因[3]。以土石方工程量为例，作为工程预算以及结算阶段的争议点，技术人员可以利用BIM技术对土石方填挖方量进行精准、高效的计算，在提升计算速度的同时，降低因人为失误导致的计算偏差，为项目成本管控目的达成提供有力保障。依据模型中的各类基础要素信息，系统将自动对构件进行统计分类，并依照用户实际需求提供相应的工程量数据统计、计算等综合体系，切实满足项目开展在工程量检索方面的各类要求。

2.3 多领域系统作业

依托于BIM技术的公路设计体系可以有效弥补传统公路设计中客观存在的短板，落实数据共享、信息互通、协同作业等目标，最大限度地提升工作效率及质量。同时，依托于BIM技术的公路设计可以促使各项工作流程系统化，各部门之间协调性得以有效提升，工作效率也得到充分保障。

2.4 设计优化性

从公路工程开展实际角度分析，设计阶段存在较为显著的周期长、任务重特征。设计者在实际工作过程中需要依据工程建设实际要求对方案进行调整，并最终形成科学、系统的设计方案，传统CAD图纸设计模式中，技术人员需要花费大量时间进行修改。而依托于BIM技术则可以利用公路工程三维动态效果图及时发现设计中存在的问题，并根据实际情况进行实时调整，确保设计达到最优。

2.5 停车视距检验

行车视距是评价公路设计和使用质量的一个重要指标，它关系到车辆的安全。从本质上讲，停车视距是驾驶员在发现障碍物后，到达安全位置的最短距离。

目前，在道路施工中，车辆视距的设计一般都是从平面和纵向两方面来进行。在工程实践中，设计人员可以运用BIM技术建立道路的全方位区域可视化模型，并采用仿真实验对汽车的运行状况进行模拟，设定汽车在两条单向车道的中间位置处，由该系统自动地求出驾驶员的视角与道路上的最大距离。通过这种方法，既可以及时地检测出道路和道路的几何形状，也可以检测出道路结构对视线的阻碍，从而检测出视线的距离。

2.6 碰撞检查

考虑到公路工程施工流程较为繁杂，不同构件在安装设计中存在不同要求，这就对技术人员空间想象能力提出较高要求，进而实现规避因碰撞导致施工进度、质量受影响的情况发生[5]。通过利用BIM技术可以有效降低因碰撞导致的施工事故以及质量问题发生几率。具体表现在以下方面。

第一，工程管理人员以及技术人员可以利用BIM模型对工程结构内容进行直观展示，并在此过程中排除施工隐患。

第二，利用BIM技术进行碰撞测试，提高对公路工程结构内部的潜在碰撞风险的检查效率，并采取相应的应对措施，将事故发生的概率降到最低，充分发挥工程防范功能，从而达到对设计图纸进行审核，提高图纸精度的目的。

第三，根据所观察到的特征，及时地发现各构件之间的矛盾和碰撞，并及时处理，避免在设计阶段将错误传达给项目的建设阶段，造成工程返工，造成人力、物力和财力损失。

3 BIM应用软件对比

现阶段，市场上应用较为广泛的BIM软件主要有Bentley以及Autodesk两种，其实际功能对比如表1所示。

表1 两种软件对比表

功能点AutodeskBentley优势方 数据互用多个格式统一Dgn格式Bentley 协同功能弱强Bentley 道路建模一般强Bentley 桥梁建模需二次开发中Bentley 二次开发强一般Autodesk 推广、用户数好一般Autodesk

依据表中信息可知，Bentley软件除二次开发以及推广方面弱于Autodesk，其他方面均具备较为显著的优势。

4 BIM技术在高速公路设计阶段的应用

4.1 方案比选

4.1.1 二维方案比选

由于工程项目的涉及因素较多，长度较长，因此工程技术人员可以利用BIM技术，根据卫星地图等制作出全线的二维贴图，并与模型进行比对，利用计算机设备生成二维线性文档，对新建线和现状路等道路建设中的关键控制因子进行绘图，以不同的色彩进行区别，然后使用LumenRT软件进行绘图，完成选线漫游的制作，完成整个设计线路的显示，保证在平面漫游的视频中，如线路等专业设计的内容和要素能够直观的呈现出来，从而为设计者和业主清楚整个工程的总体方案提供便利条件。

4.1.2 三维方案比选

在公路工程设计阶段，构建BIM模型的首要工作即是建立数字地形模型（DTM），作为BIM模型以及真实地理地形相结合、分析的基础保障环节，科学系统的DTM是提升BIM模型应用性的重要前提保障。技术人员在实际工作过程中需要首先利用无人机等设备获取公路规划段沿线地质环境实际条件，并获取相应的地形源数据，或在二维地形图基础上制作三维三角网模型，并依据实际情况对三角网离散点进行修正，最终生成三位数字地形模型，随后通过剪切等二次处理，将三维路、桥、隧道等进行组合，对地形以及规划方案进行实时分析，明确其优缺点以及方案科学性，进而实现满足三维分析比选的成效。

除此以外，技术人员在实际工作过程中还可以依托于GIS技术将真实地理数据融入模型之中，随后通过通视分析、可视域分析等对BIM模型进行三维空间关系分析，对不同设计方案后续发展预测进行直观展示，切实提升方案比选工作的直观性以及前瞻性。

4.2 平、纵、横断面优化

4.2.1 平纵曲线优化

首先，按照线路设计师提供的平面图资料，将其连同三维地质模型一起引入到OpenRoads Designer中。三维地质模型为工程平纵剖面的设计提供了真实、精确的资料，而在地质模型中，线路纵剖面与三维地质模型所抽取的地表线都在同一设计视图中，使得设计者可以更清晰地了解沿设计纵剖面的地形变化[6]。此外，三维地质建模中纵向和平面线之间总是存在着联系和动态的变化，平面线的设计变更将会在相应的纵向上进行直接更新；在减少设计者修改设计方案的同时，增加了设计的可视化程度，改善了产品的质量。

4.2.2 横断面优化

设计人员在实际工作过程中还需要利用OpenRoads Designer软件对横断面进行优化，具体内容涵盖道路、桥梁等高速公路工程所有构件参数化设计。设计者在实际工作中应注意依托于横断面各部件之间的几何关系以及结构约束条件实习那参数化设计目的，进而推动BIM模型生成速率，同时增设树木、栏杆等三维实体，将最终设计方案效果直观地展现出来，方便设计者进行优化以及业主方明确工程内容[7]。除此以外，技术人员在实际工作中需要依据横断面以及路基边坡设置相应的边坡约束条件，具体操作过程中，技术人员只需将相关参数输入系统中，即可实现自动选择边坡形式以及比例的目的，这一工作环节不但有效降低了工作人员的工作量，同时更能提升数据的精准性。

4.3 施工组织设计优化

从工程建设实际角度分析，高速公路工程开展过程中涵盖立交互通、桥梁隧道等诸多分项工程，此类工程在实际开展过程中呈现出较为明显的结构设计、施工环境复杂的特征。因此，设计人员在实际工作过程中可利用BIM系统中的施工模拟功能对施工方案设计进行辅助，切实推动施工工序设置以及施工场地布置科学、合理、有序[8]。除此以外，依托于BIM系统仿真模拟对各阶段施工设计进行预演可以有效确保施工人员明确工程重点以及自身职责内容，还可以及时发现施工组织设计中存在安全隐患，并做出相应的应对方案，最大限度地保障施工作业各流程安全有序开展，同时更能为施工企业避免出现资源浪费现象，提升企业经济效益。

5 工程实例研究

5.1 案例概述

为具体说明BIM技术在公路设计中的应用价值，本文研究中选取实际案例进行具体说明。案例工程为某地区新建高速公路工程，技术人员采用双向四车道设计，工程全长达到78.8 km，总投资额达到105亿元，为保障工程设计质量，技术人员决定利用BIM平台辅助设计工作。

5.2 基于BIM技术的公路施工要点

5.2.1 协同管理

案例工程中，技术人员搭建基于BIM技术的协作平台，可以清晰地划分各参与方的工作职责、范围和权限，与传统的设计方式相比，BIM协同管理平台极大地提高了工作效率，减少工作失误，实现信息之间的多向交流，为智慧设计、智慧施工奠定了基础。同时，设计人员利用MicroStation技术进行二次开发，建立了构件编码工具，对构件模型进行了逐个编码，把道路工程的设计、施工、构件信息与各个专业的BIM模型连接起来，通过BIM＋GIS施工管理云平台，对公路项目的成本、进度、质量、安全等方面进行全方位管理。除此以外，技术人员利用三维PDF文件，将多种设计资料与文件移动端图形文件相关联，依托于项目的各个参与方，对项目的信息进行了补充和完善，从而实现项目信息在BIM系统中流通、传输，便于设计方与有关参与方之间的沟通。另外，在协同管理平台上，技术人员将BIM模型与设计图纸和相关文档连接起来，对三维模型进行轻量化处理，并导入Navigator之中，现场施工提供便利条件支持，最大限度地保障工程质量。多模式的传递变革传统的信息流通方式，在提升数据使用效率方面发挥着重要作用。

5.2.2 施工模拟

案例工程中涵盖桥梁项目，其总长度为1120 m，桥面宽度为11.75 m。大桥地处山区，地势复杂，运输和施工材料困难，该桥梁工程手桥墩高影响，采用了变截面箱梁桥设计，使得施工条件十分复杂。由此，技术人员决定利用BIM技术对公路项目的建设计划进行合理性检验，并对项目设计进行相应修改。利用计算机进行施工仿真，对桥梁施工、现场设备和设备的配置进行了预演，确定了施工方案，避免了施工过程中多个工序的矛盾，并对施工中可能出现的问题进行分析，为确保桥梁工程现场施工有序开展，减少了后期施工风险提供必要保障。

5.2.3 工程量计算

传统的工程量和成本核算方法，往往要花费大量的时间去熟悉和阅读图纸，依靠手工进行计算，从而造成工作时间过长，工作效率低下。为此，案例工程中技术人员根据设计图纸，构建道路工程的三维模型，该模型包含了各个专业的具体情况，通过软件对数据进行集成，可以实现对所需要的工程量的精确计算，提高了计算的精度和效率，增加了计算的可靠性。运用BIM模型所产生的工程量进行工程成本核算，使工程造价更具科学性，更具科学性，也更具透明度，降低了工程的无谓浪费。

6 结束语

综上所述，基于BIM技术凭借自身可视化建模、工程量计算与分析精准化、多领域系统作业以及设计优化性等优势已经得到众多设计人员的青睐，并且已经开始将技术应用于公路水运领域工程设计中。本文研究中针对BIM技术在高速公路工程设计中的应用主要集中表现在二维、三维方案比选，平纵横断面设计优化以及施工组织设计方面，从实际应用结果层面分析，BIM技术在高速公路工程设计中具有重要意义。

[1] 斯文彬，刘凯. 江西上浦高速公路设计阶段中的BIM技术应用探究[J]. 中国公路，2020，10(11): 170-171.

[2] 张鹏. BIM技术在高速公路设计中的应用探讨[J]. 交通与运输，2020，36(4): 46-48.

[3] 侯泽群，龙波，周东迎，等. BIM技术在浦北高速公路勘察设计阶段的应用[J]. 西部交通科技，2019，3(4): 160-163.

[4] 王英，刘凤兰，刘智敏，等. BIM技术在塞拉利昂公路工程中的应用研究[J]. 中外公路，2021，4(8): 219-220.

[5] 崔润超，吴继峰，徐会杰. BIM技术在山区高速公路项目设计阶段的应用研究[J]. 公路交通科技(应用技术版)，2019，13(8): 226-228.

[6] 何鑫. BIM+GIS技术在公路工程中的应用研究[J]. 山西交通科技，2020，4(6): 42-45.

[7] 李智. BIM技术在公路工程设计阶段中的应用[J]. 中国公路，2021(11): 128-129.

[8] 谷健，余鹏，王敏. BIM技术在市政道路工程施工图设计阶段的应用研究[J]. 工程技术研究，2021，6(16): 19-20，23.

Study on the Application of BIM Technology in Expressway Engineering Design Stage

At present, China's social economic construction has put forward higher requirements for the quality of road engineering, which not only requires the scientific and rational design to meet the requirements of road use, but also needs to meet the economic requirements. Therefore, increasing the application of high-tech information technology represented by BIM technology in all sections of the project has become the mainstream development trend of expressway engineering construction. Based on this, this paper will study the application of BIM technology in the design stage of expressway engineering, and hope to provide reference for related work.

BIM technology; expressway engineering; engineering design

U412

A

1008-1151(2022)09-0028-03

2022-07-10

王辉，男，陕西渭南人，广西路建工程集团有限公司工程师，从事交通工程建设与技术管理工作。