BIM技术在道路与桥梁工程设计中的应用综述

李德旭 王元戎 夏琦

(1.西安汽车职业大学 陕西 西安 710600; 2.陕西中霖集团工程设计研究有限公司 陕西 西安 710014)

由于道路工程具有带状分布、与地质条件密切相关，涉及专业多等相关特征，建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技术在道路工程设计中的应用与建筑工程相比存在着一定差距，桥梁工程亦是如此。为了提高BIM技术在道路与桥梁工程中的适用性，促进道路与桥梁工程的信息化，从BIM建模参数化及智能化、地形与地质三维建模关键技术、BIM与有限元分析软件交互关键技术、基于BIM 的多专业正向协同设计等方面，对BIM 技术在道路与桥梁工程中的应用现状进行综述和分析，目的在于找出BIM 技术应用于道路与桥梁工程中的极需解决的问题，以供同行研究解决相关问题参考。

1 可用于道路与桥梁工程的BIM软件及其插件

在道路与桥梁工程方面应用比较成熟的软件平台主要有Atuodesk、Bentley、Dassault、Tekla等。Atuodesk平台的Revit 软件未内置道桥专业构件族，需要自建构件族，适用性较差，智能化程度较低，加之道桥工程构件的不规则性，所以对于Revit软件道路与桥梁工程建模参数化归根结底是设计经验积累。Bentley 平台下的PowerCivil是专门为市政工程开发的BIM软件，对道路与桥梁工程适用性较强，但是对道路参数化之前需要建立参数化横断面模板，对构件参数化需要借助可视化编程技术创建单元库。Dassault 平台主要软件为Catia软件,该软件参数化能力和结构分析能力强，但是建模过程繁杂，软件使用成本高，学习难度大，加上二次开发对建模人员的要求较高。Tekla 平台主要软件为Xsteel，主要适用于钢结构领域，软件模型数据精度高，模块化功能强，但是建模流程复杂，软件应用成本高。可用于道路与桥梁工程的BIM软件及其插件如表1所示。

表1 BIM软件及其插件功能

2 BIM建模参数化与智能化

道路与桥梁工程专业众多，设计工程量大（复杂桥梁Revit 模型见图1），设计人员的流动性大，积累设计经验和规范设计流程是道路与桥梁工程设计发展的方向。为此，诸多学者通过BIM 技术开展基于知识工程的智能设计，模块化、参数化和多粒度流程定制的精细化设计，提高效率，降低设计成本，减少大量的重复绘图工作。

图1 复杂桥梁Revit模型

刘均利等人[1]在对重庆曾家岩嘉陵江大桥设计中开展了BIM应用研究，该项目为公铁路两用桥，工程量大且异型构件多，将该BIM模型用于碰撞检查、桥墩防撞性能校核、交通量校核、工程量校核，辅助设计等，优势明显，积累了大量异型构件建模经验。该项目中钢桁架的建模参数化采用了Atuodesk 平台的Advance Steel和Dynamo软件。

周游等人[2]以小湾桥为例，详细介绍了利用PowerCivil 建立立交桥模型的规范化操作流程，包括三维地形建立、BIM 路线设计、参数化横断面设计，后期利用BIM 模型进行设计优化，并实现了工程量统计及出图，设计效果明显。建模过程中参数化借用了Micro Station编程实现。

祝兵等人[3]基于Catia软件，参照“骨架+模板”的建模思路，提出一种桥梁参数化智能建模方法与相应的技术路线。使用EKL 语言提高构件模板的参数化能力，利用Catia 二次开发技术实现构件批量实例化功能，借助WPF 框架研发参数化设计系统，打通了构件模板创建、构件设计、构件实例化的全流程，实现了桥梁建模精细化、智能化。A 型桥塔构件参数化设计界面如图2所示[3]。

图2 A型桥塔构件参数化设计界面

3 地形、地质三维建模关键技术

BIM 是对构筑物实体的数字化表达，倾斜摄影可真实还原地表场景，地理信息系统（Geographic Information System，GIS）可展示地理空间信息，BIM 模型、倾斜摄影和GIS 技术的集成，可以在可视化地理信息的基础上精细化表达模型信息。无人机倾斜摄影可获得影像匹配点云，但是精细化程度不高，对此，可采用无人机机载LiDAR 获得高精度地面点云，也可采用倾斜摄影与激光点云融合技术（地形、地质模型BIM模型可结合的其他技术与功能如图3 所示）。地质模型可以将地质信息可视化表达，目前没有创建地质模型的专业平台，需要基于一些平台或者引擎构建，故地质模型的创建需要处理解决数据预处理数量大、地层层面交互处理困难、BIM模型与地质模型融合难等问题。

图3 地质、地形BIM模型创建关系图

相诗尧等人[4]为解决复杂地形区域道路设计时地理信息基础数据获取困难的问题，将无人机机载Li-DAR 以获取用于道路工程设计所需的高精度地面点云，数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）和文档对象模型（Document Object Model，DOM）数据可用于构建三维地形模型，与BIM 技术结合应用于复杂地形区域的道路设计中，有助于提高勘测与设计质量。

张志清等人[5]以北京市平谷区黄松峪山区某道路工程为例，利用Civil 3D曲面提取实体功能生成地质实体，将地质实体模型导入3DMax 贴图渲染得到可视化效果较好的三维地质地面信息模型，利用该地质模型可以实现地形、地物、地质信息的储存与管理，并为道路设计提供定量分析、纵断面设计、土石方计算等精细化支持。

林国涛等人[6]基于倾斜摄影与激光点云技术创建了符合道路工程设计精度的三维地表高精度影像模型；提出“多参数置信权重分层三角网法”解决钻孔点间距稀疏影响模型创建的问题；开发了地质信息建模软件，该软件可实现实时提取地形和地质信息、高效完成模型刨切和数值模拟等功能。软件的图形显示模块中可进行钻孔刨切的三维观察和显示，详见图4[6]。

图4 底层缺失、透镜体处理示意

刘尚蔚等人[7]将Dynamo 可视化编程用于道路与桥梁工程地基数据处理中，利用Excel处理地质钻孔点数据，将数据转换到Dynamo 中进行处理，生成地层曲面模型，实现了智能处理地质数据和精细化创建地质模型，解决了地质模型创建难、效率低的问题。

张宪亮[8]利用OCC平台创建BIM模型，总结了BIM模型与GIS 场景融合时坐标转换方法，基于OSG 开发了桥梁BIM 与GIS 融合平台，通过了该平台完成了某桥梁的BIM 模型转换和整合，并与倾斜摄影实景模型进行了集成。实践表明：该设计系统支持倾斜摄影、激光点云、数字高程模型等GIS 数据,支持智能创建桥梁BIM 模型，并能实现特殊桥梁BIM 模型的多种开放格式导入和融合。

4 BIM与有限元分析软件交互关键技术

目前，被广泛使用的大型有限元分析软件有Ansys、Midas、MATLAB 等。部分BIM 设计软件可以进行受力分析但并不成熟，BIM 模型中结构分析信息也不能与有限元分析软件直接交互，故设计人员需重建有限元分析模型进行结构分析，浪费了大量时间。近年来，许多学者开展了BIM 模型与有限元分析软件交互关键技术及自动化研究。

陈素华等人[9]基于Rhinoceros 软件建立全桥参数化BIM 模型，将索塔的BIM 模型导入至有限元分析软件Midas-Fea中进行力学分析，研究结果表明BIM模型与有限元软件的数据对接可提高桥梁结构分析的效率与精度。研究过程中发现转换后的有限元模型后在异型结构及关键节点会出现应力失真现象，故应着重处理。

王文芳等人[10]基于Revit及其API接口，运用C#语言进行二次开发，将斜拉桥BIM 模型转化为包含不同单元类型的Ansys有限元模型（如图5所示），实现了斜拉桥BIM 模型到Ansys 有限元模型转化及结构静力分析功能的自动化。

图5 revit转换的有限元分析模型

马文琪等人[11]通过Microstation 软件将DEM、地质分层面、三维边坡面耦合，创建了三维精细化BIM 模型，然后将设计剖面关键特征点坐标提取并导入有限元计算软件Midas GTS NX，得到了有限元计算模型。通过分析得出基于BIM的有限元分析模型计算结果更加符合真实情况。

5 基于BIM的多专业正向协同设计

在设计阶段，各管理人员、专业设计人员、校审人员之间应当通过沟通交流、相互提资、共享资料等方式实现同时设计。各人员之间的交互滞后、信息不对称，将导致设计过程中协同效率较低。BIM模型承载着项目大量的信息，可作为各专业及各部门相互关系定义的基础，故许多学者基于BIM 模型交互和数据驱动开展了设计角色、设计环境和设计资源深度融合研究。正向协同设计资料交互关系如图6所示。

图6 正向协同设计资料交互关系图

杨体旺等人[12]根据常规桥梁设计流程和习惯，基于WPF 框架，通过Revit API 接口技术，开发了基于BIM的常规桥梁正向设计辅助系统。该系统包括工程信息、通用图、GIS数据、路线数据和桥梁信息等模块，为多专业的数据交互和各种专业同时设计提供了统一平台。该辅助设计系统在项目管理、资料共享互提、实时修改更新等方面提高了设计效率。

张世基等人[13]开展了基于公共数据环境的协同设计管理平台和交互桥梁设计研究。协同设计管理平台中的公共资源管理模块可实现公共设计资源共享、实时更新提醒、自动保存等功能；过程管理模块可实现不同角色对共享资源有序和安全访问；成果管理模块可自动化发布、转换和成果交付。桥梁数字化设计交互研究中，基于信息交互的数据格式，制定了信息交互接口，开发桥梁数字化设计软件，保证了基于模型的设计信息的准确性和时效性。

卞友艳[14]以沪通铁路站场路基为工程案例，利用PowerCivil 按照设计工作流程进行了数字地形模型创建、线路平纵设计、路基设计，桥涵设计，并通过插件实现模型参数化；基于Pro-ject Wise搭建协同管理平台，将各专业模型总装至该平台，并进行了效果演示和深化设计。该设计平台基本可实现正向设计，通过二次开发可以进一步实现精细化设计。

6 结论和建议

BIM 以其三维可视化的特征，在道路与桥梁工程领域具有广阔的应用前景，BIM 技术在道路与桥梁工程设计中的应用研究也是比较活跃的研究方向。本文从BIM 建模参数化与智能化、地形与地质三维建模关键技术、BIM 与有限元分析软件交互关键技术、基于BIM 的多专业正向协同设计等方面，对BIM 技术在道路与桥梁工程设计中的应用现状进行综述和分析，得出以下结论和建议。

（1）各个BIM 软件均可通过各自平台的软件集成形成智能化建模解决方案，但是通用性不强；BIM模型化建模参数与智能化的实现需要二次开发，在实际操作中难度较高。如何利用软件融合设计经验共识和规范设计流程，使整个道路与桥梁工程BIM 正向设计基于知识和流程的数字化发展，是道路与桥梁工程BIM研究的发展趋势。

（2）目前，没有创建地形、地质模型的专业平台，基于一些平台或者引擎构建地质模型需要预处理大量数据，解决地层层面交互、BIM模型与地质模型融合等问题。研究一种能够利用基础数据实现地形、地质模型创建智能化、精细化，以及能够将地形、地质模型与BIM相融合的方法，是解决以上问题的主要途径。

（3）设计人员进行结构计算时需要创建有限元分析模型，这与BIM 模型的创建存在着重复。如何利用BIM模型精准转化为设计人员能够直接使用的有限元分析模型并能实现准确计算，是BIM 与有限元分析软件交互关键技术的难点。（4）道路与桥梁工程设计中需要多专业协同，多角色参与、多资料共享。开发一种协同设计机制，能够实现角色、设计环境和设计资源的深度融合，是开展基于BIM的多专业协同设计研究的发展方向。

7 结语

BIM技术是解决道路与桥梁工程复杂问题的有力支撑，但是仍然不成熟。基于BIM技术进行深度开发，是实现数字化信息表达、数据交互以及项目管理的有效途径。