道路BIM 技术在设计领域的研发现状分析与发展策略初探

杨明

（甘肃第一建设集团有限责任公司，甘肃 兰州 730000）

近年来，BIM 技术与道路工程设计工作充分融合，不仅大幅提升了设计效率，同时也在一定程度上降低了设计人员的工作难度，这使得BIM 技术在道路工程建设领域的影响力不断提升。但从当前BIM 技术在道路工程设计方面的实际应用情况来看，其设计应用领域拓展较慢，而且相当一部分优势功能也未得到充分发挥。在当前道路工程整体设计难度逐渐提升的基础上，进一步分析BIM 技术在道路工程设计中的应用情况有助于提升相关技术的应用水平。

1 设计行业与道路BIM 技术分析

1.1 BIM 技术给道路工程带来的有利影响

从BIM 技术的性质上看，该技术及其所形成的相关系统属于典型的工程建设工具，可同时在设计和管理2 方面发挥其优势功能。对于道路工程设计工作而言，应用BIM 技术从基础层面改变了传统的设计理念和设计方法，打破了传统道路工程设计工作以二维平面作业为主的形式，各设计环节相关工作也都基于BIM 技术的功能特点进行调整，很大程度上推动整个道路工程设计工作向数字化与信息化发展[1]；其次，BIM 技术具有较强的先进性特征，既往设计工作中，设计人员在进行不同方向的设计时往往需要使用较多独立的平面图纸，而BIM 技术条件下的道路工程设计工作则以统一的立体模型为主，不同方向的设计工作均可在同一立体模型上完成，该模型能够根据不同设计需求展示和调整所有的设计参数，这不仅提升了设计效率和设计进度，也在很大程度上降低了设计工作难度[2]；最后，道路工程设计工作涉及不同设计部门，应用BIM 技术可展开道路工程协同设计，这改变了传统设计模式下各设计部门独立作战的情况，各设计部门均可在统一的系统内互相了解相应的设计内容，最大限度保障了不同设计内容的兼容性和匹配性。

1.2 设计工作中道路BIM 技术应用模式

对于道路工程而言，设计工作、施工工作、后期运维管理工作都是影响工程运行质量的重要内容。设计工作包含的各分支内容比较多，包括方案研究（可行性分析）、初期设计、施工设计、施工组织协调设计等。初期设计内容包含平面设计、横纵断面设计、各类交叉设计、管线设计等，而施工设计中又涉及各类施工技术分析以及技术重点。BIM 技术在道路工程设计工作中应用范围相对较广，由于BIM 系统能够容纳的设计内容极多，几乎所有设计工作和设计内容都可在统一的BIM 系统模型中进行，因此应用BIM 技术开展道路工程设计工作，本质是各类道路工程设计参数整合形成BIM 数据模型的过程[3]。

2 道路BIM 技术在设计领域的研发应用现状

2.1 建立道路信息模型

应用BIM 技术进行道路工程设计时，构建相应的道路信息模型是基础工作。当前，道路信息模型主要由各类地形数据和几何参数构成，模型单元包括3 类常见构造物，分别为道路、桥梁及隧道，而构造物又分为相应的结构组成和功能组成部分，结构组成中包括路面、路基等，而功能组成部分包括交通标志、排水系统、照明系统、绿化系统等。以某道路工程为例，该工程全长37.2 km，公路宽度为35.5 m，高程范围为24～49 m。以本工程中部分线路设计为例，此部分全部为道路工程，无桥梁隧道。在利用BIM 技术构建道路信息模型时，首先基于地形点和高等线来绘制地形曲面图[4]。根据实际需求构建2 条不同类型的道路，其中，1 号道路全长3 427 m，共有5 个平曲线，最长直线距离为310 m，最大纵坡度为3.95%；而2 号道路全长3 4 9 1 m，共有6 个平曲线，最长直线距离440 m，最大纵坡度为4.07%。基于系统内置线型比选模块分别对2 条线路的成本、安全性、施工影响及人性化这4 大模块进行对比分析，共包含对比因素16 项，录入相关参数后，由系统自动计算各项加权平均值，并计算总值，结合数据结果敲定具体设计方案，选定相关设计方案后，将具体施工参数录入，并结合该模型进行施工模拟，结合模型模拟结果，调整施工设计方案并进行模型渲染，获取仿真工程模拟效果图[5]。上述流程是构建道路信息模型的标准流程，代表了BIM技术在该方向的应用现状。

2.2 行车视距分析

当前应用BIM 技术进行道路工程设计时可充分使用系统中的四棱台模块进行行车视距分析。停车视距是行车视距参数中较为重要的内容，相关道路设计方案必须符合国家对此类道路停车秩序的相关要求。在进行验证的过程中，可充分利用BIM 技术的道路模型，基于四棱台模块和通视功能来计算当前设计参数下的停车视距。在道路模型基础上选择不同车道明确视点位置，用四棱台模块向前投影，根据视线三角面覆盖情况来计算停车距离（如图1 所示）。以某高速公路工程为例，其设计时速为120 km/h，停车视距为反应形式距离、汽车制动距离及安全距离三者之和，根据通视四棱台模块模拟所得数据得出其反应距离为89.5 m（取最高设计时速85%为行车速度），汽车全力杀停制动距离为38 m，安全距离取7 m，最终计算得出，该道路设计参数下停车视距为134.5 m，该数值小于此类高速公路210 m 的安全停车视距要求，设计参数合理[6]。

图1 通视四棱台视觉范围覆盖面

2.3 景观环境分析

景观环境相关内容是道路工程的重要组成部分，它不仅起到了绿化美观作用，而且也与行车安全息息相关。驾驶员在车内以移动状态向外观察环境景观时，驾驶员所观察到的视图也在不断变化，因此植物绿化景观和其他相应的环境景观在布设过程中应避免在某些情况下引发视觉风险[7]。BIM 技术所构建的三维模型能够以不同视角来进行动态观察，当前在道路工程设计过程中，可以基于当前设计参数，依托三维模型来进行漫游观察，设置不同的行驶速度，以不同视角观察当前环境景观，明确是否存在视线遮挡、影像重复等不利于行车安全的情况，通过动态调整相应的环境景观布设参数消除可能影响行驶安全的各类问题。此外该技术还能够在多景观环境布设方案中进行优选，以真实的行车视角或静态视角来明确不同设计方案的优劣[8]。

2.4 全景漫游

全景漫游是BIM 技术在道路工程设计中的另一重要功能。全景漫游能够依托各项设计数据建立的BIM三维立体模型来进行静态、动态和多视角演示，该功能在道路工程设计方案、优选优化、工程设计汇报展示、技术交底以及安全性分析等多领域有重要作用。传统二维平面设计模式下图纸能够展示的信息相对较少，各方人员只能通过当前某一视角对设计方案进行审视观察，而利用三维全景漫游技术，则可以从各个位置以各种视角、各种速度来审视设计内容，而且在模型中还可以添加各种不同的影响因素，例如在安全性分析过程中，除了能够模拟不同车速条件，还可以通过天气系统来模拟雨雪天气或强光照射条件，这些都能够进一步帮助设计人员明确当前道路设计方案中的不利安全因素[9]。以某道路工程为例，在进行全景漫游分析的过程中发现当前设计方案中存在的问题。某位置隧道群前方较短距离内存在长为270 m 的小半径曲线道路，该道路设计时速为80～120 km/h，当车辆行驶速度高于100 km/h 时，驾驶员安全刹车反应时间较短（小于2 s），研究后选择增大平曲线半径的方式解决这一问题，将该曲线道路长度增至350 m 后成功消除这一安全隐患。全景漫游可在道路工程设计的多方面发挥作用，当前这一功能应用范围也比较广泛[10]。

3 道路BIM 技术在设计领域应用时存在的具体问题

虽然当前BIM 技术已经在道路工程设计过程中有较为广泛的应用，但在部分领域应用深度明显不足，可用功能尚不完善，这其中较为明显的包括以下4 个方面：①不具备完善的路基安全性分析功能，无法结合设计参数对路基安全性作出辅助判断；②路线安全性分析功能尚不完整，尤其是缺乏路线通行能力的分析功能；③当前绝大多数道路工程设计工作并没有在交通安全设计方面重点应用BIM 技术，无法有效借助BIM 技术形成的仿真模型来对各类影响交通安全的不利因素进行分析；④当前道路工程设计工作中道路BIM 技术普遍不具备违规提示功能，少数能够进行违规提示的系统，可提示的信息相对较少，而且缺乏动态更新功能，无法根据规范要求变化而进行动态调整。

4 道路BIM 技术在设计领域应用的策略

4.1 进一步完善路基安全性分析模块

路基安全性分析模块在发展过程中应重视以下3方面的分析功能：①结合道路排水系统设计参数而进行排水能力分析功能。构建该模块能够结合当地降水量情况模拟极端降水情况下当前排水系统是否有积水风险。②边坡预警功能。构建该模块能够依托当前坡率参数、边坡土体摩擦系数等数据分析一系列边坡失稳的情况，并结合相关信息设计更为安全的边坡处理模式和边坡体系。③短路基预警。由于短路基路面施工难度相对较大，需要采取不同的填料和碾压形式，构建该模块能够结合设计参数明确标注所有短路基，保障施工技术应用到位，提升工程建设质量。

4.2 增加路线安全性分析模块

线路安全性分析模块主要作用是分析道路通行能力。在这一模块构建过程中，可充分增加可选影响因素，全方位考虑天气因素、路面因素、交规因素及其他人为或自然因素。例如相关模块可通过增加天气影响因素、光线影响因素、路面影响因素等，充分分析不同情况下道路车辆运行承载能力，根据平均行驶速度及单位时间内车辆通行量等数据来绘制当前设计条件下道路通行能力曲线，对于承载能力相对较低的路段进行多因素分析，明确造成该问题的原因后，进行针对性设计调整。

4.3 完善交通安全分析模块

交通安全分析模块中应包含排水能力检测系统、边坡预警系统及短路基预警系统。排水能力检测系统应具备结合排水系统相关设计参数自动化分析排水系统可承载的最大降水量的功能，通过模拟某一条件下单位时间内降水量来了解该排水系统是否存在积水问题，同时对排水能力不足的部位进行设计调整。边坡预警模块应具备被动参数信息搜集分析及主动信息获取请求2 方面功能，保障该模块既能够主动搜集设计参数中与边坡失稳相关的参数，同时也能够主动提示录入欠缺的边坡参数信息，分析明确当前设计条件下，是否存在边坡失稳风险。短路基预警模块应具备结合设计参数分析本线路内短路基数量和短路基位置的功能，明确显示所有短路基信息，为各工作人员提供准确的信息参数。

5 结束语

本文对道路工程设计工作中BMI 技术的应用发展情况进行了详细分析，明确了相应的技术内容，并对当前应用过程中存在的问题及发展策略进行了论述，希望相关内容能够推动中国道路工程设计现代化发展，提高BMI 技术在道路工程设计领域的应用水平。