BIM技術(shù)在公路工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用淺析

徐開華，王黎明

(中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100089)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的日益提高，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)正在逐步完善，公路的質(zhì)量直接影響公路的全生命周期，更關(guān)乎著人民群眾的安全便捷出行。公路勘察設(shè)計(jì)是公路工程質(zhì)量的基礎(chǔ)保障，公路勘察設(shè)計(jì)直接關(guān)系到公路質(zhì)量和行車安全。

新時(shí)期對(duì)于公路設(shè)計(jì)提出了更高的要求，特別是黨的十八大以來，在以習(xí)近平總書記提出的“綠水青山就是金山銀山”的生態(tài)文明思想指引下，公路建設(shè)需求增長迅猛，公路工程建設(shè)由大面積建設(shè)逐漸向創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享、高效等方面轉(zhuǎn)變，因此，設(shè)計(jì)人員作為公路的先行者，必須重視對(duì)先進(jìn)信息技術(shù)的學(xué)習(xí)。

在傳統(tǒng)的公路工程設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員一般采用CAD、瑋地、Card1等設(shè)計(jì)軟件對(duì)工程進(jìn)行二維設(shè)計(jì)，由于公路工程設(shè)計(jì)涉及路線、路基路面、橋梁、隧道、互通式立交、平面交叉、交通工程、沿線設(shè)施等多專業(yè)，專業(yè)之間互有交叉，且影響范圍較大，設(shè)計(jì)出來的成果會(huì)有一定的缺陷，導(dǎo)致后期設(shè)計(jì)變更增加，進(jìn)而影響工程項(xiàng)目成本和總投資。工程設(shè)計(jì)的目的在于在滿足工程安全的前提下，把建設(shè)用地信息全面地傳遞給交通規(guī)劃部門，把工程量和控制因素準(zhǔn)確地傳遞給建設(shè)單位，把設(shè)計(jì)意圖完整地傳達(dá)給施工單位。然而，隨著道路建等級(jí)的提高，建設(shè)難度越來越大，公路各組成部分越來越多，線性復(fù)雜且構(gòu)造物造型各異，對(duì)建設(shè)環(huán)境要求也越來越高，加之二維平面設(shè)計(jì)存在大量的“錯(cuò)、漏、碰、缺”等現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)階段難以用二維設(shè)計(jì)圖紙檢查出來，且遠(yuǎn)超過工程師的空間想象力，因此這種現(xiàn)象只能在施工階段再發(fā)現(xiàn)、再變更，進(jìn)而影響整個(gè)工程的造價(jià)。

傳統(tǒng)模式下建設(shè)工程從設(shè)計(jì)到施工的流轉(zhuǎn)：設(shè)計(jì)出平面CAD圖紙，施工單位拿到設(shè)計(jì)圖紙后，需要做的工作包括：施工深化圖紙，利用現(xiàn)場施工安裝經(jīng)驗(yàn)來彌補(bǔ)圖紙的不精確表達(dá)，甚至需要設(shè)計(jì)交底、圖紙變更單、技術(shù)核定單等。這種傳統(tǒng)模式屬于勞動(dòng)力密集、高能耗的工作流程，很大程度上依靠人的因素。設(shè)計(jì)師需要考慮的信息量相對(duì)較少，對(duì)于信息的缺失和誤傳導(dǎo)，彌補(bǔ)方式相對(duì)簡單；施工方則需要處理大量的信息，包括讀取圖紙信息，分析可行性，拆算工程量，核定價(jià)格等等。對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的施工方很多東西可以預(yù)計(jì)，如果經(jīng)驗(yàn)不足，可能出現(xiàn)的情況是施工過程中發(fā)現(xiàn)問題再去找設(shè)計(jì)，施工工期延誤也成了情理之中的事情。

通過采用BIM技術(shù)進(jìn)行公路工程設(shè)計(jì)，不僅可以提高設(shè)計(jì)意圖表達(dá)的準(zhǔn)確性，可以彌補(bǔ)CAD技術(shù)的不足，而且能較好的解決這些問題。從而為決策者、設(shè)計(jì)者提供更加便捷的設(shè)計(jì)手段，為傳統(tǒng)勘察設(shè)計(jì)與BIM(Building Information Modeling的簡稱，中文名為“建筑信息模型”)等新技術(shù)相互結(jié)合提供一種新思路，進(jìn)而推動(dòng)對(duì)公路信息化設(shè)計(jì)和智能化管理。作為設(shè)計(jì)企業(yè)，應(yīng)利用BIM技術(shù)開發(fā)新的盈利模式，才能更好地為業(yè)主服務(wù)，提升設(shè)計(jì)企業(yè)的價(jià)值。

1 BIM技術(shù)概念

BIM即建筑信息模型，是一種建筑全生命周期的業(yè)務(wù)流程，是建筑數(shù)據(jù)在設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營過程中的應(yīng)用，項(xiàng)目不同參與方通過一個(gè)平臺(tái)進(jìn)行操作并共享信息，以對(duì)軟件為工具集成應(yīng)用，各自發(fā)揮長處和作用的應(yīng)用過程。

隨著我國相關(guān)部門對(duì)BIM技術(shù)研究的深入，以及基于BIM技術(shù)的軟件平臺(tái)功能不斷完善，BIM技術(shù)應(yīng)用于實(shí)施已經(jīng)在我國逐漸開展。2017年7月，我國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部頒布的《建筑信息模型施工應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)BIM的定義為：在建設(shè)工程及設(shè)施全生命期內(nèi)，對(duì)其物理和功能特性進(jìn)行數(shù)字化表達(dá)，并依此設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營的過程和結(jié)果的總稱。

BIM可通過數(shù)字化技術(shù)，在計(jì)算機(jī)建立一座數(shù)字工程實(shí)體則提供了一個(gè)完整的、具有邏輯映射關(guān)系的工程信息庫，從而為工程設(shè)計(jì)提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

2 BIM技術(shù)在公路工程設(shè)計(jì)中的優(yōu)點(diǎn)

2.1 可視化

公路設(shè)計(jì)是一項(xiàng)十分復(fù)雜的工作，設(shè)計(jì)中會(huì)涉及大量的參數(shù)、數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)多、計(jì)算量大是設(shè)計(jì)的顯著特點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員不僅要必須要考慮到方方面面的因素，而且要站在整體的視角去考慮整個(gè)設(shè)計(jì)方案的合理性，這對(duì)于設(shè)計(jì)人員而言是非常困難的。通過運(yùn)用BIM技術(shù)，可以構(gòu)建建筑物的三維模型，從而實(shí)現(xiàn)模型可視化，即“所見即所得”。其成果不僅可以應(yīng)用于報(bào)表的生成和效果圖的展示，也可使得項(xiàng)目設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)營過程中的溝通、決策、討論都可以在可視化狀態(tài)下進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)真正的所見即所得。

2.2 協(xié)調(diào)性

BIM技術(shù)具有較高可協(xié)調(diào)性。在進(jìn)行公路工程設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)涉及多個(gè)專業(yè)，由于各專業(yè)設(shè)計(jì)師之間的溝通不到位，各專業(yè)會(huì)出現(xiàn)沖突。BIM的協(xié)調(diào)性服務(wù)就可以幫助處理這種問題，也就是說BIM可在公路工程施工前期對(duì)各專業(yè)的碰撞問題進(jìn)行協(xié)調(diào)，通過協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)，各種專業(yè)碰撞問題會(huì)得到避免。

2.3 模擬性

BIM正好符合大數(shù)據(jù)集成與整合，其強(qiáng)大的模擬與分析能力滿足了現(xiàn)代對(duì)于建筑工程的指導(dǎo)與演示需求，BIM技術(shù)不僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)公路設(shè)計(jì)模型的模擬，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際狀態(tài)中不易操作的問題進(jìn)行模擬。除此以外，BIM技術(shù)還可以對(duì)施工、進(jìn)度、成本、現(xiàn)場布置與安全等進(jìn)行模擬。在后期的運(yùn)營階段也可以模擬日常養(yǎng)護(hù)及應(yīng)急處置等，如道路維護(hù)與應(yīng)急處置等的模擬。通過BIM技術(shù)配合相關(guān)軟件對(duì)建筑項(xiàng)目中周邊環(huán)境的地理信息、環(huán)境信息、自然氣象信息等等進(jìn)行集成與分析，模擬項(xiàng)目的熱能傳到、日照、風(fēng)向甚至是自然災(zāi)害等狀況。同時(shí)，還可以對(duì)項(xiàng)目的設(shè)備設(shè)施的能耗、負(fù)荷等進(jìn)行模擬分析，得出建筑設(shè)備所需的能耗數(shù)值、能效信息，調(diào)整設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)綠色設(shè)計(jì)與建筑。

2.4 優(yōu)化性

具有優(yōu)化性特點(diǎn)。BIM模型提供了所有公路勘察設(shè)計(jì)信息，包括公路規(guī)劃、幾何信息、物理信息，并且通過計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)可一次生成上百種設(shè)計(jì)方案，通過對(duì)控制維度的把控，逐漸篩選出最優(yōu)秀的設(shè)計(jì)方案。在大型且復(fù)雜項(xiàng)目中，與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)成果相比，BIM技術(shù)可通過各種優(yōu)化工具，實(shí)現(xiàn)對(duì)公路復(fù)雜問題的優(yōu)化，且優(yōu)化出的成果效果更為可靠。

2.5 可出圖性

在傳統(tǒng)2D繪圖環(huán)境下，所有圖紙都是孤立的：從平面圖繪制，然后再是里面、剖面，隨著項(xiàng)目進(jìn)程，變動(dòng)時(shí)分別更改，容易造成繪圖錯(cuò)誤。然而在運(yùn)用BIM時(shí)，首先可以對(duì)公路勘察的可視化展示、協(xié)調(diào)、模擬、優(yōu)化；其次在檢查碰撞、修改設(shè)計(jì)后，相應(yīng)錯(cuò)誤就被消除，同時(shí)提供碰撞檢查報(bào)告，及修改方案；最后，可以自動(dòng)生成所有視圖。因此，在公路工程設(shè)計(jì)中采用BIM技術(shù)，可以使工程師在大量繁瑣的圖紙中解放出來。

2.6 協(xié)同化

在采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法解決專業(yè)問題時(shí)明顯存在著數(shù)據(jù)交換不充分、理解不完整等問題。BIM技術(shù)可以改善以往工程建設(shè)行業(yè)各參與方較為松散的管理體系，減少信息的流失，并利用建造的數(shù)字信息模型將各方協(xié)同到一個(gè)平臺(tái)，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。通過BIM技術(shù)可以使項(xiàng)目成員在同一個(gè)環(huán)境下用同一套標(biāo)準(zhǔn)來完成同一個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目，確保設(shè)計(jì)過程中，各專業(yè)并行設(shè)計(jì)，溝通及時(shí)、準(zhǔn)確。協(xié)同化設(shè)計(jì)的最終目的是使建筑設(shè)計(jì)各專業(yè)內(nèi)和專業(yè)間配合更加緊密，信息傳遞更加準(zhǔn)確有效，減少重復(fù)性勞動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)效率的提升。

2.7 增益性

BIM技術(shù)的增益性主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)階段，使用BIM技術(shù)流將工作級(jí)別轉(zhuǎn)移到項(xiàng)目早期時(shí)的能力，影響項(xiàng)目的成本和性能是高的，進(jìn)行設(shè)計(jì)更改的成本是低的(如圖1綠色曲線所示)。這使得工程師們可以花更多的時(shí)間來評(píng)估優(yōu)化設(shè)計(jì)的假設(shè)場景，而花更少的時(shí)間來編制施工文檔。考慮到這一點(diǎn)，考慮采用BIM過程如何轉(zhuǎn)化為道路和公路設(shè)計(jì)的實(shí)際利益。BIM打造的是一個(gè)流線化的工作過程，強(qiáng)調(diào)將項(xiàng)目設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)移到詳細(xì)設(shè)計(jì)階段影響項(xiàng)目績效的能力是最高的，設(shè)計(jì)成本達(dá)到最低。

圖1 項(xiàng)目全生命周期內(nèi)BIM與項(xiàng)目各階段成本之間的關(guān)系

3 BIM在公路設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用分析

3.1 道路建模

直接利用道路幾何設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)，構(gòu)建準(zhǔn)確的地面、道路以及橋隧等的三維實(shí)體模型，再利用衛(wèi)星或者航空數(shù)字影像進(jìn)行模型貼圖處理后，營造出公路虛擬現(xiàn)實(shí)空間。

使用BIM軟件可以更高效地設(shè)計(jì)公路模型，例如可以創(chuàng)建更新的交互式平面交叉路口模型。同時(shí)可以利用內(nèi)置的部件(包括行車道、人行道、溝渠和復(fù)雜的車道組件)，可以根據(jù)常用設(shè)計(jì)規(guī)范更迅速的設(shè)計(jì)環(huán)島，包括交通標(biāo)識(shí)和路面標(biāo)線等?；蛘吒鶕?jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建自己的部件。使施工圖和標(biāo)注始終處于最新狀態(tài)，便于設(shè)計(jì)師集中精力優(yōu)化設(shè)計(jì)。強(qiáng)大聯(lián)動(dòng)功能，平、立、剖面、明細(xì)表雙向關(guān)聯(lián)，一處修改，處處更新，自動(dòng)避免低級(jí)錯(cuò)誤。

3.2 工程量計(jì)算與分析

傳統(tǒng)的工程量計(jì)算方式得到的并不是一個(gè)工程所含有的井工程量，因此會(huì)有較大誤差。運(yùn)用BIM軟件(civil3D建模)可以模擬工程構(gòu)件的三維實(shí)體模型，能計(jì)算出土石方的開挖量與回填量，使用生成土方調(diào)配圖表，用以分析適合的挖填距離，要移動(dòng)的土方數(shù)量及移動(dòng)方向，確定取土坑和棄土堆的可能位置，做到土方調(diào)配平衡計(jì)算的精確化和精細(xì)化，并且可以節(jié)約大量時(shí)間，進(jìn)而對(duì)項(xiàng)目成本管控發(fā)揮了重要作用。

3.3 碰撞檢查

各專業(yè)工程師在設(shè)計(jì)過程中針對(duì)每個(gè)工程項(xiàng)目中的不同部分可能出現(xiàn)沖突，這種問題可以通過碰撞檢查解決，碰撞檢查分為硬碰撞和軟碰撞。系統(tǒng)直接把二維圖紙變成三維模型并整合所有專業(yè)，通過軟件內(nèi)置的邏輯關(guān)系可以自動(dòng)查找出來，對(duì)道路進(jìn)行碰撞檢查后，得到硬碰撞數(shù)量為67，軟碰撞數(shù)量為361。

3.4 自動(dòng)生成施工平面圖

在精確建模的基礎(chǔ)上，用Revit建模生成的平立圖完全對(duì)得起來，圖面質(zhì)量受人的因素影響很小，而對(duì)建筑和CAD繪圖理解不深的設(shè)計(jì)師畫的平立圖可能有很多地方不交接。利用BIM模型可直接輸出各種圖紙，快捷準(zhǔn)確，直接出圖，極大的提高了設(shè)計(jì)效率。Autodesk? Revit?系列軟件構(gòu)建于Revit平臺(tái)之上是完整的、針對(duì)特定專業(yè)的建筑設(shè)計(jì)和文檔系統(tǒng)，支持所有階段的設(shè)計(jì)和施工圖紙。

4 結(jié) 論

BIM技術(shù)是目前土木工程領(lǐng)域內(nèi)重要發(fā)展的前沿技術(shù)，對(duì)于改進(jìn)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方法具有重要意義。本文詳細(xì)探討了BIM技術(shù)優(yōu)勢及其在公路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，在總結(jié)公路工程設(shè)計(jì)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，明確了BIM在公路設(shè)計(jì)中的詳細(xì)應(yīng)用前景和方向，促進(jìn)BIM技術(shù)在公里工程領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)展和應(yīng)用。