公路工程BIM正向設(shè)計探討與實踐

何其檜

摘要：BIM技術(shù)發(fā)展日新月異，建筑行業(yè)BIM正向設(shè)計正快速普及，起步較晚的公路工程BIM正向設(shè)計正在努力探索階段，現(xiàn)階段公路工程BIM工作大多是將圖紙翻模，普及率并不高，一線設(shè)計人員使用意愿不高，所以需要不斷探索與實踐公路工程BIM正向設(shè)計并推廣到公路工程中切實應(yīng)用。

Abstract： The development of BIM technology is changing with each passing day. The BIM forward design in the construction industry is rapidly becoming popular. The BIM forward design of the road engineering is in exploring stage. At present， the BIM work of the highway engineering is mostly to overturn the drawings， and the penetration rate is not high. The first-line designers are not willing to use it. Therefore， it is necessary to continuously explore and practice the BIM forward design of highway engineering and promote it to practical application in highway engineering.

關(guān)鍵詞：BIM;公路工程;正向設(shè)計;實踐

Key words： BIM;highway engineering;forward design;practice

中圖分類號：TU17? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）26-0231-02

1? BIM技術(shù)優(yōu)勢

當(dāng)前，以信息技術(shù)為代表的新一輪科技革命持續(xù)推進(jìn)，BIM（建筑信息模型）技術(shù)作為實現(xiàn)建設(shè)項目全生命期信息化、協(xié)同化、智能化的重要手段，已成為工程建設(shè)管理行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的強大動力。BIM技術(shù)在我國交通運輸行業(yè)的研發(fā)應(yīng)用尚處起步階段，不能適應(yīng)綜合交通運輸體系提質(zhì)增效和轉(zhuǎn)型發(fā)展的迫切要求。加快推進(jìn)BIM技術(shù)研發(fā)和轉(zhuǎn)化應(yīng)用，對于交通運輸行業(yè)深入貫徹落實“五大發(fā)展理念”，以創(chuàng)新驅(qū)動行業(yè)進(jìn)一步解放和發(fā)展生產(chǎn)力，轉(zhuǎn)變發(fā)展方式，推動供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革具有重大意義。

BIM技術(shù)與人工智能技術(shù)的融合成為新興的熱門研究領(lǐng)域。人工智能技術(shù)在交通運輸行業(yè)的輔助道路規(guī)劃、擁堵城市治理、車流分析和預(yù)測等方面開展應(yīng)用，取得了初步的成果。采用深度學(xué)習(xí)算法，讓機器擁有初級智能，提升決策效率，提高設(shè)計質(zhì)量，將設(shè)計人員從繁重的繪圖、改圖中解放出來不再是遙不可及的夢想，而是可見的未來。

傳統(tǒng)設(shè)計使用二維圖紙去描述三維實體工程，其局限性很明顯，需要空間想象力，抽象不直觀，描述復(fù)雜的空間三維實體困難。

利用BIM技術(shù)將設(shè)計產(chǎn)品以虛擬的三維模型呈現(xiàn)，能夠直觀、高效地對設(shè)計方案作出決策和變更，檢查、更正設(shè)計中的紕漏、錯誤，通過模型與周圍環(huán)境的模擬分析，可以進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計。能夠快速統(tǒng)計工程量，縮短設(shè)計周期，提高效益。模型向下游傳遞，施工方可以進(jìn)行施工模擬、進(jìn)度管理、模板加工等，業(yè)主方可以進(jìn)行歸檔、運營維護(hù)、養(yǎng)護(hù)管理等，從而增加了設(shè)計的附加效益。

2? 公路工程BIM正向設(shè)計探索

BIM技術(shù)應(yīng)用研究在眾多科研機構(gòu)中展開，有的機構(gòu)主要從事國外BIM解決方案的本地化，但軟件缺乏對我國交通運輸行業(yè)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的參照，導(dǎo)致研發(fā)成果只能用于零星點綴式的示范性工程，難以大范圍推廣;有的機構(gòu)集中力量將建筑領(lǐng)域的BIM成果轉(zhuǎn)化到交通運輸行業(yè)，但缺乏自主創(chuàng)新，解決方案易用性差;有的機構(gòu)對設(shè)計階段的BIM技術(shù)大力開發(fā)，但缺乏對運營、維護(hù)階段的支持。研發(fā)方向不明，資源分散、共享意愿不高、交流渠道不暢，最終導(dǎo)致各自為陣。

當(dāng)前BIM軟件平臺間的信息數(shù)據(jù)交互性較差，導(dǎo)致項目規(guī)劃、設(shè)計、施工、運營、維護(hù)階段各自處于“孤立”狀態(tài)，無法形成全生命期的聯(lián)動，使得BIM本身具備的集成化、協(xié)同化特點無法體現(xiàn)。未來BIM工作模式必將整合所有工程階段，實現(xiàn)項目建設(shè)管理價值的最大化。因此一個具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)能夠連接建設(shè)工程全生命期不同階段的數(shù)據(jù)、過程和資源，為建設(shè)項目參與方提供一個集成管理、協(xié)同工作、科學(xué)決策環(huán)境的BIM系統(tǒng)平臺，是當(dāng)前BIM技術(shù)急需填補的空白。

工作中公路工程設(shè)計BIM應(yīng)用主要在于三維建模，與傳統(tǒng)的設(shè)計方式相比，僅豐富了對設(shè)計成果的展示，建筑信息模型（Building Information Modeling）是建筑學(xué)、工程學(xué)及土木工程的新工具，BIM在公路工程中的應(yīng)用目前更多的是圍繞著“M”進(jìn)行的，在三維翻模的過程中，不僅沒有做到縮短設(shè)計周期，反而增加了人力物力成本投入，主要原因在于BIM在公路工程還處于探索階段，BIM中“I”所指的信息的應(yīng)用還未跟上。

如今，公路工程BIM正向設(shè)計是行業(yè)迫切需要的，是推動公路工程正式進(jìn)入BIM時代的必備條件。

公路工程BIM正向設(shè)計應(yīng)該是整合高精度的數(shù)字高程模型、數(shù)字正射影像、點云、傾斜攝影等數(shù)據(jù)在一個三維集成環(huán)境中，從三維選線，到道路、橋涵、隧道等結(jié)構(gòu)物劃分，至工程數(shù)量、工程造價的自動生成，直至設(shè)計成果交付施工的過程，交付成果應(yīng)是帶有工程信息的三維模型。

傳統(tǒng)的二維設(shè)計文本資料繁雜，施工方理解真實設(shè)計意圖較困難，成果交付之后，設(shè)計企業(yè)需要花費大量的時間與施工方溝通解釋。BIM技術(shù)的誕生，將促使二維施工圖紙逐漸退出歷史舞臺，BIM模型數(shù)據(jù)庫將作為設(shè)計成果向業(yè)主交付，施工方可憑借BIM模型數(shù)據(jù)庫全方位多角度了解項目設(shè)計意圖，實現(xiàn)交通運輸行業(yè)建設(shè)模式的革新。

3? 公路工程BIM正向設(shè)計實現(xiàn)

實現(xiàn)公路工程BIM正向設(shè)計，首先要解決建模效率問題，不能讓建模效率低下占用設(shè)計時間。BIM的理念就是解放生產(chǎn)力，將工程師們從二維設(shè)計的重復(fù)繁瑣的畫圖工作中解放出來，將大部分精力投入到方案可行性、方案優(yōu)劣比選中來，提高設(shè)計質(zhì)量及設(shè)計效率。

公路工程快速建模相對房建建模難實現(xiàn)的主要原因是公路工程是一個帶狀構(gòu)造物，比房建工程的工點構(gòu)造物復(fù)雜一些，公路工程設(shè)計的其他構(gòu)造物都是受這條道路中線控制的。還有一些結(jié)構(gòu)等受地形控制，如道路邊坡、橋臺錐坡等，都需與地形地面交互。地形的復(fù)雜也使得公路建模的復(fù)雜程度增加。

公路工程BIM正向設(shè)計要具有易學(xué)易用、快捷高效、引擎強大等特點。易學(xué)易用才能讓工程師們快速轉(zhuǎn)變思維，推動BIM正向設(shè)計發(fā)展;快捷高效是是打敗傳統(tǒng)設(shè)計模式重復(fù)繁瑣的畫圖工作必要條件。引擎強大是BIM正向設(shè)計整合的是極高精度的數(shù)字高程模型、數(shù)字正射影像、點云、傾斜攝影等數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)，需要一個強大的大體量承載能力的引擎驅(qū)動，才能將BIM正向設(shè)計向三維選線推廣。

隨著工程項目信息化發(fā)展，經(jīng)過長時間的探索，將BIM技術(shù)應(yīng)用在交通領(lǐng)域設(shè)計階段已成為發(fā)展趨勢。在設(shè)計階段的工程信息存在數(shù)據(jù)量大、關(guān)聯(lián)性強、技術(shù)面廣等特點，需要由一個功能完善、加載效率高效的GIS平臺作為支撐，推動公路工程輔助設(shè)計、正向設(shè)計、數(shù)據(jù)信息化交互等多方面發(fā)展。根據(jù)公路工程建模體量巨大，涉及面廣等特點進(jìn)行了多平臺、多軟件測試，最終選定了圖新三維數(shù)字地球、Autodesk InfraWorks 2020兩款軟件來實現(xiàn)公路工程BIM正向設(shè)計。

公路工程設(shè)計階段運用BIM技術(shù)，有效整合不同來源的測繪基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，保證模型的最高精度，對重要工點建立三維地質(zhì)模型，為設(shè)計提供強有力的基礎(chǔ)技術(shù)支撐;快速精確建立三維模型，通過BIM可視化技術(shù)輔助選線，優(yōu)化路線平縱，利用虛擬建造技術(shù)，構(gòu)建空間視距測算模型，實現(xiàn)道路視距指標(biāo)的檢驗與校核，智能設(shè)計出圖、大幅提高了設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量。

4? 公路工程BIM正向設(shè)計實踐

經(jīng)過公路工程BIM正向設(shè)計的探索及實現(xiàn)方法理論研究，將正向設(shè)計運用于實際項目中是急需解決的問題。

四川省甘洛縣受持續(xù)強降雨影響，S217線波波奎村段出現(xiàn)路基垮塌，道路上方土體出現(xiàn)不同程度開裂。經(jīng)過多次回填，原路基本保通。2019年8月6日清晨，該路段再次垮塌，所在坡體出現(xiàn)滑坡征兆，既有道路多次嘗試原路保通均失敗。

由于甘洛縣遭受特大暴雨災(zāi)害，全縣正處于全域搶險救災(zāi)的緊張工作局面，各種物資和車輛正源源不斷進(jìn)入甘洛。甘洛縣境內(nèi)無高速公路，國省干道僅G245、S217兩條，在成昆線、G245交通要道斷道情況下，S217是連接高速公路的重要通道，S217的極端重要性不言而喻。

通過實地勘察、駐點摸排，現(xiàn)場初步確定經(jīng)房群背后改線，再接入原路的保通便道方案。該方案時間緊迫，工程難度低，現(xiàn)場初步確定方案后需要進(jìn)行具體的工作，當(dāng)即決定使用快速高效的BIM正向設(shè)計軟件Autodesk InfraWorks 2020與Autodesk Civil 3D配合進(jìn)行方案選取，快速制定改線路線方案，計算土石方量，測算臨時征地紅線圖，保證合理可實施。

搶險救災(zāi)最注重的就是時間，此時按照傳統(tǒng)的公路工程設(shè)計，可能會錯過寶貴的搶險救災(zāi)時間，采用Autodesk InfraWorks 2020快速搭建集成三維模型，直接進(jìn)行三維化設(shè)計。地理信息三維化完成后，也就意味著真實的三維環(huán)境展現(xiàn)在設(shè)計師面前，結(jié)合數(shù)字高程模型、數(shù)字正射影像，能給設(shè)計師帶來一個直觀的方案選取環(huán)境，方案如何符合規(guī)范，如何避讓房屋等，一目了然，避免了二維平面過程中出錯的風(fēng)險，提高設(shè)計效率。

如圖1所示，進(jìn)行三維路線設(shè)計，對平面線型、縱斷面線型進(jìn)行調(diào)整，同時可以邊坡放坡規(guī)則定制，快速實現(xiàn)保通便道橫斷面設(shè)計，可實時查看用地紅線，土石方數(shù)量，提高方案決策效率，路線方案選定之后，將該路線方案導(dǎo)出至Autodesk Civil 3D中，利用Autodesk Civil 3D生成路線中樁逐樁坐標(biāo)表、用地紅線坐標(biāo)表，土石方數(shù)量表，直曲線表、豎曲線表等用于應(yīng)急搶險先期臨時征地，放線施工，臨時計量，設(shè)計驗證等工作，為搶險救災(zāi)爭取寶貴的時間，也是一次公路工程BIM正向設(shè)計實踐。

公路工程BIM正向設(shè)計的發(fā)展，從實現(xiàn)三維路線方案選擇入手，具有簡單易用的三維路線方案選擇系統(tǒng)之后，進(jìn)入下一階段道路曲面生成，隨即輻射至道路、橋梁、隧道等不同結(jié)構(gòu)的實時聯(lián)動，打通完整的BIM正向設(shè)計“生態(tài)鏈”，將BIM融入到公路工程設(shè)計工作中來。

5? 結(jié)束語

隨著技術(shù)工程師們在公路工程BIM設(shè)計領(lǐng)域不斷的探索、實踐，公路工程BIM正向設(shè)計理念將會被更多一線設(shè)計人員所認(rèn)可，并應(yīng)用于更多的項目，在公路工程設(shè)計行業(yè)發(fā)揮更大的作用，將解放設(shè)計人員生產(chǎn)力，大大減少設(shè)計人員花在二維圖紙繪圖的大量重復(fù)繁瑣的精力，真正回歸于設(shè)計本身，將智慧注入方案比選、設(shè)計優(yōu)化中，做出更好的設(shè)計成果，提高設(shè)計效率，提升設(shè)計品質(zhì)，展現(xiàn)BIM設(shè)計價值。

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