BIM技術在公路工程設計階段中應用研究

歐佳佳 戴 瑋

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，公路交通節能環保技術交通運輸行業研發中心，合肥 230088)

前言

BIM(Building Information Modeling)技術是一種通過三維模型攜帶大量數據信息并傳遞運用在工程建設全項目周期的新型信息化技術，是對工程建設項目各階段物理特征和功能特性的數字化表達，具有以數據為中心的全生命周期理念特性[1]。BIM技術運用體系在建筑等行業已經十分完善，而在公路工程行業仍然處于初期發展階段[2]。

1 BIM技術在公路工程應用現狀

BIM 技術在我國已經發展推廣多年，部分行業如建筑行業已十分成熟，BIM 技術基本可以貫穿“建管養運”一體化全生命周期過程[3]。而公路工程仍然處于摸索和發展階段，涉及的工程范圍廣、相關專業多，同時長線條帶狀特性與點狀構筑物特性有很大的區別，因此，BIM技術在公路工程上的推廣應用十分局限。

從2003 年開始，我國就已經在工程項目中引入了BIM技術。十多年以來，BIM 技術不僅在我國各行各業得到了廣泛的應用推廣，還進行了許多創新研究。在提高工程建設質量的同時，還極大地減少了工程建設成本。到2013年，住建部發布相關文件，明確指出BIM 技術在建筑領域應用的重要性。文件明確指出：到2020年末，甲級勘察設計單位以及特一級施工企業要掌握并實現BIM 與企業管理系統和其他信息技術的一體化集成應用。2016年，交通運輸部發布了關于打造公路水運品質工程的指導意見，旨在推進公路水運品質工程建設，提升公路水運工程質量，為人民群眾安全便利出行和社會物資高效暢通運輸提供更加可靠的保障。隨即2017年，交通運輸部辦公廳下發關于開展公路BIM技術應用示范工程建設的通知，主要任務包括：提升公路設計水平； 提高公路建設管理水平； 推進公路養護管理信息化。

從交通部各階段文件可以看出，國家和行業現階段對于公路工程BIM 技術發展應用十分重視。在我國設計行業的發展歷程中，最近一次設計技術變革可追溯到CAD引進時期，從手繪圖紙到CAD繪圖，解放了設計師的雙手。而現階段的BIM 技術推廣應用，又是一次新的設計技術變革，充分解放了設計師的思想。BIM技術的應用不僅是設計工具的迭代更新，更是設計理念和思想的創新進步[4]。

2 設計階段BIM技術應用

2.1 BIM+GIS設計應用

公路工程設計對地形地貌原始數據的依賴性很高，在傳統二維設計模式中，對于長線條帶寬的高速公路設計，則需要通過委托測繪局進行實地測繪，利用大量測繪點繪制成地形圖，設計時對設計人員空間想象及理解能力要求高，設計質量難以得到保證，同時涉及到大面積拆遷征地時，會產生許多不可控影響。而且在設計環境條件復雜時，需要設計人員長時間在外進行野外勘察，根據實際項目需求在設計階段需要出勘數次，極大地影響了設計進程和效率。

G3W德州至上饒高速合肥到樅陽段根據項目特性和業主要求，全項目范圍采用無人機傾斜攝影測量技術應用，主線帶寬左右幅各300m，局部工點位置帶寬左右幅各500m，復雜工點處根據實際設計需求加大帶寬長度。無人機測量采用五鏡頭傾斜相機，沿線布設滿足1： 2 000要求的控制點，在采集照片數據之后，由于項目帶狀特性，直接進行空三分析建模成功率較低，采用重建大師軟件進行計算分析，有效地完成了空三處理，建立了多角度要素的三維真實場景模型。

項目復雜工點之一呂亭南樞紐互通立交，該互通與合安高速交匯，屬于重點復雜工點工程，在樞紐范圍內通過傾斜攝影測量技術實現了現場高清數據采集，并經過分析處理后利用GIS平臺還原項目實地現場三維立體模型，且依照國家84坐標系高程誤差控制在米級，平面誤差控制在分米級，實現了高精度的數據采集處理，建立真實有效的實景模型。

利用傾斜攝影測量實景模型對項目實施時現場情況的收集以及現場地形地貌的分析，不僅成為實地拆遷征地的有效佐證，還能為項目踏勘時提供一定的勘察輔助，同時利用生成的高清地形地貌，為多專業設計提供了大量的有效依據和參考[5]，包括主線設計線位、填挖平衡、現有道路現狀、池塘水溝位置等。在設計完成后，采用Infraworks軟件的GIS平臺集成和定位功能，將實景模型和多專業三維設計模型綜合集成，進行設計校核及查驗，同時進行項目范圍內的景觀綠化等環境設計并直觀地進行可視化方案比選。通過BIM+GIS技術應用，不僅為設計工作提供了較大便利，降低了大量人工成本和設計成本，同時也為后期數字化設計交付數據的準確性提供了依據。

圖3 BIM+GIS改路改溝調查

圖4 BIM+GIS橋梁設計方案比選

圖5 BIM+GIS綜合應用

2.2 基于公路工程的多專業設計校核

在公路工程設計中會涉及到道路、橋梁、涵洞、隧道等多個專業設計，專業繁多且不同的公路工程項目所含設計專業也不盡相同，在傳統設計模式下無論是三階段設計過程中還是在設計階段結束后都存在繁雜的設計改動和變更，流程復雜繁瑣，影響設計效率和質量[6]。在設計階段中很多相關專業設計只能通過經驗和預估設想進行設計，道路邊坡填挖方、橋梁構件埋深、涵洞設計標高和底標高、改路改溝接線位置及方向、路面高程等等都難以精確化定位，在現場施工時對實際地形還存在不可確定性的平整和因地制宜性的選擇，同時在多專業設計協調時會存在設計差異。因此在設計階段進行專業的設計校核具有重要意義，可以提前發現和避免大量設計過程中出現的設計問題。

G3W德州至上饒高速合肥到樅陽段全線三維設計根據標段劃分和設計單位BIM實際應用情況分別選擇了Autodesk和Bentley平臺，基于Autodesk平臺的路橋隧涵及附屬工程的設計建模采用Revit+Dynamo+Civil 3d軟件組合模式，而基于Bentley平臺的路橋隧涵及附屬工程的設計建模采用的是Power Civil+Open Bridge Modeler+Microstation軟件組合模式，為了簡化建模流程及提高建模效率，分別基于Revit及Microstation平臺進行了二次軟件工具開發。最后通過項目集成平臺將兩類BIM數據融合對接。

圖6 平臺二次工具開發示例

在設計各階段過程中，通過利用現場地形還原和傾斜攝影測量三維成像BIM技術，讓設計人員在設計時充分考慮場地實際情況和影響因素進行相關專業設計。在各專業綜合設計模型完成后，通過采用綜合對比分析法、路線限界校核法和碰撞檢測校核法進行設計校核。

圖7 路線限界校核法

圖8 綜合對比分析法

圖9 碰撞檢測校核法

通過多階段設計過程同步的多專業設計校核，有效地減少了設計不合理、設計缺陷和凈空不足等問題的出現，通過優化后的設計方案和模型為下階段提供了一定的施工便利，減少了許多設計變更。

2.3 構件編碼體系應用及延伸

基于全壽命周期BIM技術應用背景下，三維數據模型從設計到施工再至運維階段，模型數據信息的傳遞、構件信息的繼承使用則成為銜接各階段BIM技術應用尤為重要的途徑，因此需要在設計階段進行詳盡的工程構件信息分類及構件編碼[7]。這種體系應用不僅可以在各個階段將所有幾何模型信息、功能要求和性能表達，更是一個創建、存儲、管理及應用數據信息的過程[8]。

現階段公路工程構件編碼體系國內外均很粗泛，根據公路工程項目的特殊性，并參照鐵路構件編碼規范自主進行構件信息分類和編碼。

圖10 構件編碼構成原則

圖11 道路構件編碼示例

BIM三維模型由諸多構件組成，而構件作為組成BIM模型的基本單位，在儲存和調用模型構件信息時，就必須通過構件編碼進行區別與索引[9]。在項目設計階段中，通過三維模型建立過程中對每一個構件賦予唯一的構件編碼，相關專業人員可通過構件編碼對所需構件信息進行直接調取，在項目工程量統計估算時，根據不同的構件分類迅速對三維模型工程凈量進行自動統計對比，提高估算的準確度。同時也方便了在后期快速發現、查找和定位設計錯誤或者需要設計修改的工程構件。

圖12 橋梁構件編碼示例

在構件加工階段，利用每個單體構件上的編碼可以為生產廠商提供每一個構件的詳細信息，極大地降低了數據傳遞過程中的丟失和錯誤，方便構件的實時管理和查詢。在項目施工階段，施工管理人員可以對實際施工情況進行實時把控，直觀地觀察到施工計劃的進度偏差，能夠及時采取措施并對施工進度計劃進行調整或重置。在項目運維階段，可以實現信息化的運維管理，當構件壽命、預設維護和更換時間等相關指標達到期限時，會自動提醒業主進行構件檢查和維護，并把相關運維信息再記錄進去，實現數據信息的保存和再次利用。

構件編碼體系的應用是為全壽命周期BIM技術應用各階段提供服務，其數據信息基礎起于設計階段，因此在設計階段做好構件信息分類和編碼具有重大意義。

3 設計階段全過程BIM技術應用總結

根據公路工程特性在其設計階段可將BIM技術應用劃分至工可方案階段、初步設計階段及施工圖設計階段，基于每個不同設計階段采用不同BIM技術應用進行輔助設計。

工可方案階段，通過采集的測繪數據形成項目工點范圍內地形圖，利用三維地形軟件將地形圖處理生成有效三維地形模型，然后將地形模型導入GIS平臺，并通過高質量衛片貼合或對接傾斜攝影測量實景模型進行工點現場實況模擬分析。利用三維實景地形進行簡便高效的平縱方案設計，設計人員通過直觀可視化的多方案比選，擇出最優方案并可以將相關方案生動地向業主匯報展示。

初步設計階段，在確定具體方案之后，采用專業的道路橋梁等三維設計軟件進行專業設計，從傳統的二維平面設計逐步轉化為空間三維設計。運用專業化的參數控制，按標準進行模板設計，從主線到被交線，從匝道到匯交鼻端，從上穿到下跨，滿足初步設計的標準和要求。在主體工程完成設計后，需要進行設計校核，針對設計上可能存在的設計問題或依據現場地形實況需要進行修改的問題，在三維模型上精準查驗探討并進行優化設計，無論是提出的設計修改意見還是相關的設計影響因素，都能及時準確地進行標注和修改。

施工圖設計階段，通過初步設計評審之后，可對初步設計的三維數據模型進行再加工，依照評審意見對相關專業進行精確的參數化變更，深化模板設計，細化更多道路邊坡邊溝、改路改溝、橋梁細部構件及護欄等深層次數據模型，并對所有分類構件模型進行構件編碼，實現數據模型信息的可控性，便于設計變更及交付后的精準查詢定位，同時基于深化設計模型可以進行相關景觀綠化排水等專業設計，使三維數據信息能被生態化、可持續化利用。

從工可階段到初步設計階段，再到施工圖設計階段，采用同一套三維數據基礎模型進行修改深化，極大地提高了設計方案的比選印證效率，實現了一套三維數據模型從低精度到高精度的重復利用，同時數字化交付的三維信息數據模型也提高了施工方后期的施工管理效率，為項目運維提供了堅實的數據基礎[10]。

4 結束語

綜上所述，隨著我國交通基建行業的BIM技術應用不斷推廣，公路工程BIM技術應用也在不斷發展、成熟，這是一個長期創新和進步的過程。本文詳細分析了公路工程設計階段多方面BIM技術應用，在總結多階段BIM技術應用的基礎上，為全壽命周期BIM技術應用提供有效依據。同時也為廣大公路工程BIM技術人員提供了設計階段BIM技術應用參考，促進數字化三維技術在公路工程的發展和應用。