BIM 技術(shù)在公路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與創(chuàng)新

朱琳 ，麻成明 ，李賢統(tǒng) ，3，王亮 ，伍朝輝

（1.交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院基礎(chǔ)研究創(chuàng)新中心，北京100029；2.湘西厚驛交通建設(shè)投資有限責(zé)任公司，湖南 湘西416000；3.北京交通大學(xué)，北京 100044）

1 引言

公路建設(shè)關(guān)系著國(guó)家宏觀戰(zhàn)略、地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展和居民日常出行，公路設(shè)計(jì)的科學(xué)性、合理性對(duì)公路建設(shè)起到?jīng)Q定性作用。目前，基于CAD 的公路設(shè)計(jì)方法多以“3-2-3”設(shè)計(jì)思路為主，用二維的CAD 圖紙表達(dá)三維設(shè)計(jì)創(chuàng)意，之后創(chuàng)建三維實(shí)體模型，其設(shè)計(jì)過程不可避免地會(huì)出現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖表達(dá)不準(zhǔn)確、空間信息丟失和錯(cuò)漏碰缺問題。建筑信息建模（Building Information Modeling， BIM）在三維空間進(jìn)行設(shè)計(jì)與協(xié)同，為公路工程的設(shè)計(jì)與優(yōu)化帶來了新的思路與機(jī)遇【1】。

BIM 是對(duì)建筑工程物理特征和功能特性信息的數(shù)字化承載和可視化表達(dá)，它用數(shù)字信息為項(xiàng)目各個(gè)參與者提供各環(huán)節(jié)的“模擬和分析”。一方面，受限于設(shè)計(jì)習(xí)慣、交付要求、標(biāo)準(zhǔn)體系、支撐軟件等諸多因素，BIM 技術(shù)所倡導(dǎo)的“3-3-3”正向設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用與推廣仍不夠成熟；另一方面，公路工程具有量大、面廣、線長(zhǎng)，大面積地表地質(zhì)模型，不規(guī)則路基，長(zhǎng)距離的空間地理位置關(guān)系等不同于建筑工程的特點(diǎn)，導(dǎo)致建筑工程設(shè)計(jì)中的BIM 成功經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)路線難以直接復(fù)制。因此，BIM 技術(shù)在公路工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與推廣仍是當(dāng)前一個(gè)具有挑戰(zhàn)性問題之一。

目前，更多的公路工程設(shè)計(jì)與研究人員在采用傳統(tǒng)CAD設(shè)計(jì)的同時(shí)，同步構(gòu)建BIM 模型，這一“翻?！边^程同樣有助于提升設(shè)計(jì)質(zhì)量、提高溝通效率，也推動(dòng)了BIM 技術(shù)向正向設(shè)計(jì)的發(fā)展。BIM 技術(shù)在公路工程設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用已經(jīng)廣泛開展，并已具備支持實(shí)際工程應(yīng)用的能力，但仍存在以下亟待解決的問題：（1）缺少對(duì)公路工程多結(jié)構(gòu)對(duì)象建模與整合方法的系統(tǒng)梳理。公路工程包含了地形、道路、橋梁、隧道、隧洞、交通安全設(shè)施等多種結(jié)構(gòu)對(duì)象，不同對(duì)象的建模方法不同，缺少對(duì)多對(duì)象建模與整合方法的系統(tǒng)研究。（2）缺少符合公路工程特點(diǎn)的BIM 模型感知與設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)方法研究。公路工程是典型的線狀工程，對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果的評(píng)價(jià)包括了交通適用性、工程合理性、成本可控性、工期符合性、景觀優(yōu)美性等多個(gè)因素，需要研究符合公路工程特點(diǎn)和評(píng)價(jià)要求的BIM 感知與設(shè)計(jì)優(yōu)化方法。

針對(duì)以上問題，本文圍繞BIM 技術(shù)在公路工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與創(chuàng)新方法展開研究，在梳理公路工程特征與設(shè)計(jì)應(yīng)用需求的基礎(chǔ)上，對(duì)公路工程不同結(jié)構(gòu)對(duì)象的建模與整合方法進(jìn)行介紹，并對(duì)設(shè)計(jì)方案審查、工程量估算、可視化展示等公路BIM感知與設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行研究，最后提出BIM 設(shè)計(jì)成果傳遞要求，有助于形成 BIM 全生命周期管理的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)【2～4】。

2 公路工程特征與設(shè)計(jì)階段BIM 應(yīng)用需求

基于公路工程的專業(yè)特征分析設(shè)計(jì)階段的BIM 應(yīng)用需求，為BIM 技術(shù)在公路工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用規(guī)劃與實(shí)施提供基礎(chǔ)。

公路工程具有“點(diǎn)多、線長(zhǎng)、面廣”的線性工程的典型特征，涉及工程包含道路、橋梁、隧道、機(jī)電及交通安全等不同專業(yè)，具有多種專業(yè)分工合作的特點(diǎn)。通常公路工程項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模廣闊，包含大面積不規(guī)則的地表、地質(zhì)數(shù)字模型，考慮沿線的氣候、水文、地質(zhì)、地貌等復(fù)雜的環(huán)境因素，導(dǎo)致附加信息量增多。同其他建筑工程比較，公路工程設(shè)計(jì)存在顯著的差異性。BIM 技術(shù)為公路設(shè)計(jì)階段的各個(gè)參與者提供了模擬和分析工具，結(jié)合公路工程專業(yè)特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)階段對(duì)BIM 技術(shù)有著更為迫切的需求。（1）二維設(shè)計(jì)的三維復(fù)核，提高設(shè)計(jì)準(zhǔn)確率。公路工程設(shè)計(jì)中多以“翻?！睘橹?，即先出圖，后出模，二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)往往由于不可避免的人為因素形成大量的錯(cuò)漏碰缺，造成項(xiàng)目變更增加和成本上升，以BIM 模型為基礎(chǔ)復(fù)核圖紙的錯(cuò)誤和不足提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，減少設(shè)計(jì)變更，降低設(shè)計(jì)成本。（2）工程算量的快速估算，優(yōu)化資源配置。根據(jù)公路工程的不同建設(shè)情況與質(zhì)量要求，其投資額從幾億元到幾百億元不等，施工過程涉及大量的土方工程，如何保持填挖方平衡、合理規(guī)劃土方工程是設(shè)計(jì)階段需要考慮的內(nèi)容，利用BIM 技術(shù)有效避免因傳統(tǒng)測(cè)量方法出現(xiàn)的差誤，及時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)方案的要求快速預(yù)算設(shè)計(jì)過程工程量，預(yù)算工程用料的資源配置，控制建設(shè)成本。（3）三維可視化表達(dá)，減少溝通成本。三維可視化設(shè)計(jì)有效彌補(bǔ)了項(xiàng)目各參與方因?qū)鹘y(tǒng)建筑圖紙的理解差異造成的交流鴻溝，可以從不同視角全方位地理解設(shè)計(jì)意圖，提升決策的科學(xué)性和效率。（4）多專業(yè)數(shù)字化成果交付，為全生命周期應(yīng)用提供數(shù)據(jù)保障。公路工程設(shè)計(jì)成果通過三維設(shè)計(jì)信息模型進(jìn)一步向施工、運(yùn)維階段繼承和傳遞，有助于實(shí)現(xiàn)全過程信息協(xié)同，推進(jìn)公路工程向設(shè)計(jì)全生命周期BIM 應(yīng)用的發(fā)展【5～7】。

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

對(duì)BIM 技術(shù)在公路設(shè)計(jì)中的高效建模、設(shè)計(jì)方案審查、工程量計(jì)算、可視化展示等關(guān)鍵技術(shù)與方法展開研究。

3.1 多結(jié)構(gòu)對(duì)象的BIM 建模與整合

公路工程中涉及地形、道路、橋梁、隧道等多種結(jié)構(gòu)對(duì)象，需要結(jié)合不同類型的軟件進(jìn)行相應(yīng)模型構(gòu)建，不同軟件的數(shù)據(jù)格式、模型精度、坐標(biāo)位置不盡相同，還需要將不同對(duì)象建模結(jié)果整合到一個(gè)統(tǒng)一的場(chǎng)景中，以滿足工程設(shè)計(jì)需求。本文以Autodesk 的軟件體系為例，對(duì)公路工程的多結(jié)構(gòu)對(duì)象BIM建模與整合方法進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)【8】。

3.1.1 地形創(chuàng)建

基于地形點(diǎn)云、電子地形圖、等高線等數(shù)據(jù)構(gòu)建地形曲面，結(jié)合設(shè)計(jì)的道路中心線、橫斷面、縱斷面設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，構(gòu)建道路裝配，完成帶有多級(jí)放坡的道路曲面模型構(gòu)建，為道路選線和土方計(jì)算提供精確的地面模型。

3.1.2 道路模型自動(dòng)創(chuàng)建

道路模型的構(gòu)建即道路橫縱斷面的設(shè)計(jì)，要求路面寬度、路基填挖方、道路放坡以及道路附屬設(shè)施的裝配上與實(shí)際道路相符。Civil 3D 可以通過自定義方式自動(dòng)創(chuàng)建道路橫縱斷面模型，與所創(chuàng)建好的真實(shí)地形模型貼合后，能夠真實(shí)反映所建道路（見圖1），節(jié)省了設(shè)計(jì)階段對(duì)道路橫縱斷面圖的繪制環(huán)節(jié)。

圖1 道路模型示例

3.1.3 橋梁的參數(shù)化族構(gòu)建

橋梁具有結(jié)構(gòu)清晰、構(gòu)件功能明確的特征，公路工程全線建設(shè)通常包含多座橋梁，通過橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模方法實(shí)現(xiàn)橋梁BIM 參數(shù)化快速建模及出圖?？衫肦evit 結(jié)合Dynamo，首先使用Revit 對(duì)各橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，再利用Dynamo 自動(dòng)創(chuàng)建功能進(jìn)行構(gòu)件組合，同時(shí)可通過參數(shù)驅(qū)動(dòng)靈活調(diào)整橋梁構(gòu)件滿足用戶需求。另外，還可以將各通用族模型復(fù)用在不同的橋梁設(shè)計(jì)中，大大節(jié)省橋梁模型構(gòu)建所需的時(shí)間。

3.1.4 隧道創(chuàng)建

隧道模型與道路模型構(gòu)建方法一致，建造隧道BIM 模型時(shí)需按照設(shè)計(jì)要求設(shè)置取棄土方量。可利用Civil 3D 結(jié)合GIS軟件，運(yùn)用Civil 3D 軟件制作無數(shù)據(jù)信息的三維模型，并結(jié)合GIS 軟件提取的三維地形數(shù)據(jù)生成三維數(shù)據(jù)模型。其次， 在三維數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上， 結(jié)合地質(zhì)軟件進(jìn)行專業(yè)地質(zhì)設(shè)計(jì)， 最后生成隧道模型，如圖2 所示。

圖2 隧道建模示例

3.1.5 全線整合

公路工程不同結(jié)構(gòu)對(duì)象的BIM 模型需要通過不同軟件進(jìn)行繪制與編輯，由于各個(gè)軟件功能性不同，因此，所構(gòu)建好的模型無法在同一款軟件中直接整合，需要將建好的每部分模型轉(zhuǎn)換成通用格式文件利用整合軟件組合拼接。一般將地形、道路曲面的IMX 格式文件和橋梁模型的FBX 格式文件添加進(jìn)Infraworks 中，選擇好合適的坐標(biāo)系，地形、道路曲面將會(huì)在Infraworks 中生成。在放置橋梁模型時(shí)，選擇和地形、道路曲面相同的坐標(biāo)系，從而完成全線橋梁與地形、道路的模型整合。在Infraworks 中還可以對(duì)已創(chuàng)建好的道路模型進(jìn)行路面樣式的更改，對(duì)道路添加相應(yīng)的附屬交安設(shè)施，從而讓線路達(dá)到最貼近真實(shí)情況的效果。

3.2 設(shè)計(jì)方案審查

在公路設(shè)計(jì)階段，根據(jù)公路工程項(xiàng)目實(shí)際需求，利用BIM模型可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的快速審查與優(yōu)化調(diào)整，提前驗(yàn)證方案的可行性，減少方案沖突，提高設(shè)計(jì)效率，節(jié)約時(shí)間及費(fèi)用。

3.2.1 碰撞檢測(cè)

利用BIM 技術(shù)碰撞檢測(cè)功能可以對(duì)設(shè)計(jì)過程中的鋼筋及預(yù)應(yīng)力、橋梁設(shè)施、隧道管線以及其他構(gòu)件的碰撞問題進(jìn)行檢查，輔助方案對(duì)比，優(yōu)化空間布置。

3.2.2 關(guān)鍵構(gòu)件力學(xué)分析與驗(yàn)證

在橋梁工程的設(shè)計(jì)階段，其結(jié)構(gòu)的受力分析是確保工程質(zhì)量的重點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)常用的專業(yè)軟件有Abaqus、Midas、ANSYS 等進(jìn)行驗(yàn)證分析。以Abaqus 軟件為例，首先將BIM 模型轉(zhuǎn)換成通用FBX 格式或OBJ 文件導(dǎo)入Abaqus 中，多個(gè)構(gòu)件對(duì)象模型拼裝組合形成整體模型，根據(jù)實(shí)際需求設(shè)置邊界條件，添加荷載工況，劃分模型網(wǎng)格進(jìn)行模擬計(jì)算，根據(jù)得出的計(jì)算結(jié)果對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析優(yōu)化，往復(fù)迭代，最終形成設(shè)計(jì)階段力學(xué)分析結(jié)果，連同計(jì)算模型向施工、運(yùn)維階段傳遞，可為后學(xué)階段力學(xué)分析提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。

3.2.3 隱蔽工程顯式表達(dá)

在公路工程中，BIM 技術(shù)可以對(duì)橋梁工程、隧道工程、道路排水溝等隱蔽工程進(jìn)行直觀排查，尤其是橋梁樁基礎(chǔ)、承臺(tái)等施工信息和沿線隧道工程的信息，設(shè)計(jì)人員能夠從任意角度、任意斷面直觀查看設(shè)計(jì)情況，有效增加設(shè)計(jì)的精確度。通過BIM 技術(shù)的應(yīng)用，準(zhǔn)確、詳細(xì)地對(duì)沿線地下隱蔽工程信息加以記錄，為施工、運(yùn)維階段提供便捷的服務(wù)。

3.2.4 駕駛員第一視角的設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)

公路工程中涉及的各種道路行駛、出入口、休息站的設(shè)計(jì)既要考慮工程力學(xué)的合理性、美觀性，又要分析交通流的合理性、安全性等問題。通過BIM 技術(shù)以第一視角去體驗(yàn)?zāi)茏寘⑴c者從多方位發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目的不足之處，從而能夠更加合理、切實(shí)地提出相關(guān)建議，實(shí)現(xiàn)以人為本的設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)與協(xié)同工作。例如，對(duì)公路工程BIM 場(chǎng)景提供汽車駕駛員第一視角的感知方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)BIM 場(chǎng)景的虛擬駕駛感知與設(shè)計(jì)結(jié)果評(píng)價(jià)。如圖3 所示，漫游評(píng)價(jià)中發(fā)現(xiàn)地面轉(zhuǎn)向標(biāo)志與路口太近主路入口存在視野遮擋。

圖3 第一視角標(biāo)線評(píng)價(jià)

3.2.5 交通量檢測(cè)與交通適用性評(píng)價(jià)

基于BIM 的交通仿真應(yīng)用方法是有效利用BIM 模型中所包含的信息，應(yīng)用于構(gòu)建交通仿真道路模型，并完成交通仿真的過程。相比于傳統(tǒng)的描點(diǎn)建模方法，具有高效性、準(zhǔn)確性和動(dòng)態(tài)更新的功能。找到交通擁堵點(diǎn)是交通仿真研究重要的內(nèi)容，首先要分析道路網(wǎng)的交通需求，分析在不同交通壓力下，道路交通擁堵敏感區(qū)域位置。在設(shè)計(jì)階段即可以發(fā)現(xiàn)存在擁堵的區(qū)域，避免設(shè)計(jì)失誤，減少二次投資。

3.3 工程量計(jì)算

利用公路設(shè)計(jì)階段的BIM 模型，快速估算鋼筋用量、混凝土量、填挖方量等工程量與成本，為用戶評(píng)估設(shè)計(jì)方案、控制成本提供數(shù)據(jù)支持。

3.3.1 鋼筋用量計(jì)算

在Revit 中對(duì)族部件進(jìn)行鋼筋用量函數(shù)的編制，在族屬性設(shè)置中將不同種類鋼筋進(jìn)行分類，鋼筋用量與族參數(shù)做關(guān)聯(lián)，通過計(jì)算函數(shù)驅(qū)動(dòng)，只需要改變族部件的尺寸就可以自動(dòng)計(jì)算出不同型號(hào)鋼筋的用量，以此來進(jìn)行項(xiàng)目成本的計(jì)算，提升項(xiàng)目成本計(jì)算效率。

3.3.2 混凝土計(jì)算

Revit 根據(jù)構(gòu)件自身尺寸可以自動(dòng)計(jì)算出構(gòu)件體積，根據(jù)實(shí)際需求將混凝土折損系數(shù)加入計(jì)算函數(shù)中，相應(yīng)構(gòu)件混凝土用量就可以自動(dòng)算出。在項(xiàng)目審計(jì)查閱時(shí)，只需要查看結(jié)構(gòu)屬性就可以直接觀察到相應(yīng)構(gòu)件的混凝土用量，從而與實(shí)際工程所需用量進(jìn)行分析比較。

3.3.3 土方量計(jì)算

在Civil 3D 中可以通過曲面體積計(jì)算法、放坡體積計(jì)算法和橫斷面法針對(duì)不同分析對(duì)象分別計(jì)算填挖方量，根據(jù)實(shí)際地形設(shè)置好的開挖基準(zhǔn)面選擇放坡形式，根據(jù)設(shè)計(jì)要求Civil 3D 自動(dòng)計(jì)算出相應(yīng)的土方量，如果曲面完全且準(zhǔn)確反映地形，那么，土方量的計(jì)算結(jié)果也完全準(zhǔn)確，除提升工程計(jì)量的效率外，也解決了實(shí)際工程中土方量計(jì)算困難的問題。

3.4 三維可視化表達(dá)

BIM 模型具有二維圖紙無法體現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)，能夠更直觀地表達(dá)結(jié)構(gòu)的信息，可以通過不同視角、不同立面和不同剖切面的設(shè)置任意獲取所需的工程信息，以更加直觀的方式實(shí)現(xiàn)方案比選、模型發(fā)布、全息展示、施工交底、溝通匯報(bào)等。

3.4.1 方案比選

利用BIM 技術(shù)可以在項(xiàng)目初設(shè)階段對(duì)不同方案進(jìn)行快速建模和直觀對(duì)比，三維展示使項(xiàng)目溝通更加順暢，設(shè)計(jì)方提供不同方案的BIM 模型可以盡可能地把自己對(duì)工程的設(shè)想和需求有效地傳達(dá)給業(yè)主方，還可用于不同設(shè)計(jì)方案的三維比對(duì)、工程招投標(biāo)溝通與輔助匯報(bào)、基于BIM 的不同專業(yè)之間協(xié)同檢查、不同設(shè)計(jì)方案的輔助專家評(píng)審等方面。

在初設(shè)階段，還可以基于不同方案的BIM 模型，進(jìn)行基于BIM 的資源優(yōu)化及資金計(jì)劃，通過初設(shè)階段BIM 方案比選與投資估算，遴選出性價(jià)比最優(yōu)方案，從頂層來減少成本。

3.4.2 模型輕量化發(fā)布

模型的存儲(chǔ)容量和軟件兼容性的問題是目前阻礙BIM 數(shù)據(jù)共享的重要因素。可以通過Forge 平臺(tái)將百兆文件壓縮至0.42MB，從而完成模型的輕量化處理。另一方面，F(xiàn)orge 平臺(tái)目前可以兼容的格式包括Autodesk、Bently、達(dá)索、犀牛等主流軟件格式，可以實(shí)現(xiàn)不同軟件平臺(tái)間模型的交流。

3.4.3 全息展示

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)BIM 模型進(jìn)行全息成像展示，滿足多人協(xié)同感知和討論的需要。全息成像展示使得各方能夠預(yù)先觀看到在建項(xiàng)目建成后的成果，從而可以針對(duì)所建項(xiàng)目提出其他修改建議或改進(jìn)方案。

3.4.4 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)施工交底

用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)將BIM 模型和施工標(biāo)注信息增強(qiáng)到二維施工圖紙上，實(shí)現(xiàn)施工人員從二維圖紙到三維BIM 的感知延伸。一線施工人員只需要用手機(jī)掃一掃設(shè)計(jì)圖紙就可以看到對(duì)應(yīng)的BIM 模型、標(biāo)注等信息，有助于實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖在施工階段的準(zhǔn)確表達(dá)，提高施工交底的效率。

3.5 全生命周期數(shù)據(jù)傳遞要求

公路工程設(shè)計(jì)階段的BIM 成果可以進(jìn)一步傳遞到施工階段，為工程精細(xì)化施工和智能建造提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。根據(jù)全生命周期的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)要求和工程施工實(shí)際需求，對(duì)設(shè)計(jì)階段的BIM 模型與成果進(jìn)行集成和整合，以滿足全生命周期數(shù)據(jù)傳遞的要求。另一方面，基于公路工程施工、養(yǎng)護(hù)和運(yùn)營(yíng)階段的BIM 應(yīng)用與實(shí)踐，將BIM 應(yīng)用中涉及設(shè)計(jì)階段的問題和經(jīng)驗(yàn)反饋回設(shè)計(jì)階段，將有助于完善工程全生命周期的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)與管理。全生命周期共享模型見圖4。

依據(jù)設(shè)計(jì)信息模型滿足成本、施工、運(yùn)維等要求支撐全過程生命周期數(shù)據(jù)傳遞，從而實(shí)現(xiàn)BIM 在全生命期的協(xié)同管理。

圖4 全生命周期共享模型

4 結(jié)語

BIM 技術(shù)在公路工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與推廣仍是當(dāng)前具有挑戰(zhàn)性的問題之一，本文圍繞BIM 技術(shù)在公路工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與創(chuàng)新方法展開研究，在梳理公路工程特征與設(shè)計(jì)應(yīng)用需求的基礎(chǔ)上，對(duì)公路工程地形、道路、橋梁、隧道等多結(jié)構(gòu)對(duì)象建模與整合方法進(jìn)行了系統(tǒng)梳理，并重點(diǎn)對(duì)設(shè)計(jì)方案審查、工程量估算、可視化展示等符合公路工程特點(diǎn)的BIM 模型感知與設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了研究，最后提出了BIM 設(shè)計(jì)成果傳遞要求，為公路工程全生命周期管理提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。