BIM技術(shù)在公路勘測設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析

辛力

（中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州311122）

0 引言

BIM 技術(shù)即建筑信息模型，是建筑工程領(lǐng)域的新興技術(shù)，其以數(shù)字化仿真建模為基礎(chǔ)，具有出圖可視化、模擬性、協(xié)調(diào)性等諸多優(yōu)勢，并且能搭載三維數(shù)字化技術(shù)、三維協(xié)同技術(shù)，可有效提升工程設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)性、效率，可從工程全生命周期角度對勘測設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。進(jìn)一步推廣BIM 技術(shù)在公路勘測設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，對提升公路勘測設(shè)計(jì)水平有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 BIM 技術(shù)概述

BIM 是建筑信息模型（Building Information Modeling）英文首字母的縮寫，為建筑工程領(lǐng)域新興技術(shù)手段，其主要技術(shù)內(nèi)容包括三維圖形、構(gòu)造物相關(guān)電腦輔助設(shè)計(jì)、物件導(dǎo)向等，目前其在提高設(shè)計(jì)效率、設(shè)計(jì)效果以及輔助工程管理方面發(fā)揮的作用與價(jià)值得到了世界范圍內(nèi)的認(rèn)可。在公路工程中應(yīng)用BIM 技術(shù)，可將設(shè)計(jì)、施工直至工程拆除的整個(gè)生命周期內(nèi)的信息匯總整合，構(gòu)建起三維模型信息數(shù)據(jù)庫，便于各個(gè)部門協(xié)同工作、全面了解工程狀態(tài)，有助于高效工作、減少資源浪費(fèi)、節(jié)約成本等，對公路行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有重要意義。單純從設(shè)計(jì)角度來講，其改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)形式，可通過三維建模與數(shù)字化技術(shù)的配合，構(gòu)建起具有工程幾何信息、狀態(tài)信息以及專業(yè)屬性的仿真模型，集成化顯示信息，可供設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中各個(gè)主體在同一平臺(tái)上完成信息的交換、共享、交流[1]。

目前，在具體應(yīng)用實(shí)踐中，BIM 技術(shù)主要呈現(xiàn)出以下特點(diǎn)：第一，可視化，即“所見所得”形式。在工程領(lǐng)域，可視化的運(yùn)用具有重要價(jià)值，其在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用價(jià)值更為突出，能夠改變傳統(tǒng)以繪制線條形式表達(dá)設(shè)計(jì)意圖的模式，可直接給出立體化設(shè)計(jì)效果，無需再自行想象；且與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)效果圖相比，BIM 技術(shù)提供的三維立體可視化模型能夠顯示構(gòu)件的大小、顏色、位置等多元信息，并且可在模型上直接編輯，可增強(qiáng)構(gòu)件之間的反饋性與互動(dòng)性，能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)設(shè)計(jì)過程可視化。第二，協(xié)調(diào)性。為確保設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性、合理性，減少后續(xù)施工期間的設(shè)計(jì)變更問題，設(shè)計(jì)過程中建設(shè)單位、施工單位需協(xié)調(diào)配合，當(dāng)遇到重點(diǎn)、難點(diǎn)時(shí)需要各單位協(xié)調(diào)解決、處理，探究最合適的辦法，其中設(shè)計(jì)過程中更容易發(fā)生專業(yè)碰撞問題，BIM技術(shù)可提供協(xié)調(diào)性服務(wù)，專門對各專業(yè)設(shè)計(jì)期間碰撞問題進(jìn)行處理與協(xié)調(diào)[2]。第三，模擬性。BIM 技術(shù)并非只能進(jìn)行三維數(shù)字化模型構(gòu)建，模擬項(xiàng)目建設(shè)情況，其也能模擬出真實(shí)世界中的事物變化，如日照模擬、節(jié)能模擬等，更有利于優(yōu)化設(shè)計(jì)，方便指導(dǎo)施工，可加強(qiáng)施工環(huán)節(jié)的成本控制。第四，優(yōu)化性。工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)是一個(gè)不斷優(yōu)化的過程，在BIM 技術(shù)的支持下，能更好地進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。BIM 技術(shù)能夠提供準(zhǔn)確的信息，如幾何信息、規(guī)則信息、物理信息等，遇到設(shè)計(jì)內(nèi)容復(fù)雜度較高的情況，可利用其他科學(xué)技術(shù)或設(shè)備作輔助，幫助設(shè)計(jì)人員掌握更多自身能力范疇外的信息，進(jìn)而降低設(shè)計(jì)工作難度。

2 BIM 技術(shù)在公路勘測設(shè)計(jì)各階段的應(yīng)用

2.1 實(shí)現(xiàn)協(xié)同設(shè)計(jì)目標(biāo)

在公路勘察設(shè)計(jì)中利用BIM 技術(shù)可實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境選線，便于專家團(tuán)隊(duì)、建設(shè)單位、監(jiān)理單位同時(shí)參與，高效、協(xié)調(diào)完成設(shè)計(jì)目標(biāo)。在第4 代勘測激光掃描技術(shù)的支持下，與BIM 技術(shù)相關(guān)的三維交互技術(shù)愈發(fā)成熟，能夠建立起更完善的數(shù)據(jù)庫。因此，在公路選線等環(huán)節(jié)可基于技術(shù)應(yīng)用層面完善三維模型。在初期設(shè)計(jì)階段，需要通過勘測獲取施工場地的基本地形、地貌信息，并借助機(jī)載激光掃描或車載技術(shù)將數(shù)據(jù)匯總到BIM 數(shù)據(jù)庫內(nèi)，構(gòu)建起三維模型，模擬施工場地內(nèi)的實(shí)際情況并進(jìn)行分析，再將空間信息疊加，整個(gè)過程中，建設(shè)單位、監(jiān)理單位可同時(shí)獲得信息，并根據(jù)公路建設(shè)需要提出完善、優(yōu)化、整改設(shè)計(jì)的建議。形成初步設(shè)計(jì)方案后，則可引入專家系統(tǒng)，通過技術(shù)與經(jīng)濟(jì)兩個(gè)層面的約束，分析設(shè)計(jì)的合理性，并且BIM 技術(shù)平臺(tái)可提供檢查、查詢及實(shí)時(shí)修改線位等功能，將各個(gè)主體的想法、需求等疊加，以便設(shè)計(jì)單位更全面地了解公路項(xiàng)目的建設(shè)目標(biāo)，對設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。在此過程中，BIM 技術(shù)平臺(tái)還能協(xié)助各方完成實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)協(xié)同設(shè)計(jì)，支持實(shí)時(shí)傳遞信息、快速訪問，提高審核效率，進(jìn)而提升設(shè)計(jì)工作整體效率[3]。

2.2 展示可視化模型

傳統(tǒng)的公路勘測設(shè)計(jì)中多利用AutoCAD 軟件繪制二維平面圖，雖然能設(shè)計(jì)出剖切圖及立面圖，但整體缺乏立體性，不方便展示整體效果，且失誤率高，在設(shè)計(jì)方案應(yīng)用過程中，還需要進(jìn)一步與施工現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行比對，浪費(fèi)時(shí)間與成本。而BIM 技術(shù)在公路勘測設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，不僅能夠完善三維仿真立體建模，也能夠?qū)崿F(xiàn)正向設(shè)計(jì)，展示可視化設(shè)計(jì)模型如圖1所示，便于建設(shè)單位等了解設(shè)計(jì)方案的整體效果。同時(shí)，整個(gè)設(shè)計(jì)過程便于控制，保證設(shè)計(jì)決策從工程整體出發(fā)，從而使設(shè)計(jì)方案更加科學(xué)、可靠[4]。此外，在勘測環(huán)節(jié)也可利用無人機(jī)傾斜設(shè)計(jì)技術(shù)構(gòu)建起可視化三維地質(zhì)建模平臺(tái)，還原地上、地下真實(shí)場景，為設(shè)計(jì)提供更直觀、更可靠的依據(jù)，減少設(shè)計(jì)中的沖突。

圖1 可視化設(shè)計(jì)模型

2.3 詳細(xì)比較設(shè)計(jì)方案

公路勘察設(shè)計(jì)具有專業(yè)性特征，對從業(yè)人員的專業(yè)技術(shù)能力要求較高，但個(gè)體之間的能力無法統(tǒng)一，綜合素質(zhì)、設(shè)計(jì)理念上也存在一定差異，導(dǎo)致相同設(shè)計(jì)要求下，不同設(shè)計(jì)人員給出的設(shè)計(jì)方案不同，其中不乏遺漏重要信息內(nèi)容的現(xiàn)象，且從經(jīng)濟(jì)可行性、技術(shù)可行性的角度來講，也需要對多個(gè)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評估，最終確保選擇最佳方案。以往在對比過程中雖然有專家的參與，但在細(xì)節(jié)的對比上多依靠經(jīng)驗(yàn)或主觀判斷，或存在評判指標(biāo)單一等情況，難以保證方案評選的客觀性。而利用BIM 技術(shù)平臺(tái)有機(jī)結(jié)合三維數(shù)字模型、GIS 三維智能選線技術(shù)，則可以嚴(yán)格按照公路規(guī)劃建設(shè)要求進(jìn)行路線方案的對比與評估，從而幫助建設(shè)單位選擇最佳設(shè)計(jì)方案。同時(shí)，在方案評比過程中，BIM 技術(shù)平臺(tái)能夠自動(dòng)完成立體模型深度分析及三維平縱定線分析，自動(dòng)篩選出較高價(jià)值的路線，再利用人工智能算法，在公路建設(shè)中提出的各種限制條件上，自動(dòng)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)[5]。

2.4 碰撞檢查可靠

公路工程的線性特點(diǎn)十分突出，但由于線路分散，情況十分復(fù)雜，導(dǎo)致勘測設(shè)計(jì)中經(jīng)常出現(xiàn)設(shè)計(jì)文件與圖表不一致的情況，需要設(shè)計(jì)人員反復(fù)校核，處理誤差。但在BIM 技術(shù)平臺(tái)上，依托數(shù)字化三維模型，可完成不同展業(yè)對象的碰撞檢查，能夠快速查找誤差與錯(cuò)誤，及時(shí)對設(shè)計(jì)參數(shù)與內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整。例如，在公路工程中立交橋部分設(shè)計(jì)過程中，鋼筋鋼束經(jīng)常發(fā)生沖突，而利用BIM 技術(shù)進(jìn)行碰撞檢查，則能準(zhǔn)確判斷有無沖突及沖突的具體位置。檢查中需根據(jù)技術(shù)參數(shù)構(gòu)建起三維模型圖，即采用Revit 鋼筋族庫完成普通鋼筋鋼束模型創(chuàng)建，對不同類型鋼筋標(biāo)記不同色彩，加以區(qū)分。點(diǎn)開鋼筋約束后，設(shè)計(jì)過程中鋼筋位置不會(huì)產(chǎn)生沖突，即在相同位置同時(shí)設(shè)置鋼筋，平臺(tái)會(huì)自動(dòng)調(diào)整位置并進(jìn)行提示，提醒此處已設(shè)置鋼筋，并且可自動(dòng)約束，在縱橫交錯(cuò)的箍筋中，里面箍筋禁止被移動(dòng)到外面，根據(jù)軟件給出的規(guī)則進(jìn)行檢查，再將模型調(diào)整為可視狀態(tài)，勾選不阻擋呈現(xiàn)，則可將鋼筋鋼束實(shí)體呈現(xiàn)出來，利用navisworks 再次進(jìn)行碰撞檢測，則可更清晰地體現(xiàn)碰撞點(diǎn)，及時(shí)修改即可[6]。

2.5 實(shí)現(xiàn)模型出圖交付

以往，在公路勘測設(shè)計(jì)中，通常以二維圖紙形式交付設(shè)計(jì)文件，此方式存在局限，不便于項(xiàng)目的實(shí)施。而BIM 技術(shù)不僅可以交付二維圖紙，也可交付三維數(shù)字模型，為項(xiàng)目實(shí)施提供更直觀的依據(jù)。數(shù)字化三維模型中有公路工程構(gòu)件或非構(gòu)件的狀態(tài)信息，可用于設(shè)計(jì)審核、施工方案模擬、施工交底等多個(gè)環(huán)節(jié)，更方便業(yè)主了解設(shè)計(jì)情況、工程預(yù)期效果，也可應(yīng)用到后期的運(yùn)營監(jiān)管中，還能增加工程后期養(yǎng)護(hù)、維修、改擴(kuò)建信息，可為重大決策提供關(guān)鍵性數(shù)據(jù)信息，提高公路勘測設(shè)計(jì)的使用效果。

3 應(yīng)用案例

3.1 工程概況

某地新建高速公路工程，施工段長度為8.5km，途經(jīng)城鎮(zhèn)，設(shè)計(jì)公路時(shí)速為120km/h，路基總寬度為33.5m；該施工段內(nèi)存在4 處互通式立交，涉及37 座高架橋施工，且施工時(shí)需預(yù)留出遠(yuǎn)期綜合管廊，經(jīng)現(xiàn)場勘測已基本明確布設(shè)條件。但從工程整體情況來看，拆遷難度大，規(guī)劃中要求保存周圍景觀，鑒于該設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，選擇借助BIM 技術(shù)進(jìn)行勘測設(shè)計(jì)，需要使用Bentley、Micro Station、Project Wise、Context Capture 等軟件搭建三維模型平臺(tái)，完成項(xiàng)目協(xié)同管理。

3.2 BIM 技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

3.2.1 在勘測環(huán)節(jié)的應(yīng)用

BIM 技術(shù)聯(lián)合其他設(shè)計(jì)軟件，可在相同環(huán)境下協(xié)調(diào)完成同一項(xiàng)目的多個(gè)任務(wù)，如匯總與編輯原始地形地貌勘測數(shù)據(jù)、勘測設(shè)計(jì)工程原始地形，實(shí)現(xiàn)地面實(shí)景構(gòu)建等。具體來講，結(jié)合Context Capture 軟件，可基于布設(shè)的102 個(gè)高精度像控制點(diǎn)完成公路全線三維實(shí)景模型構(gòu)建，將模型精度控制在1∶2000，再通過三維激光掃描則可在BIM 技術(shù)平臺(tái)上還原真實(shí)場景，再疊合地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)，則可高精度構(gòu)建三維地層分布模型，確保相關(guān)單位全面、準(zhǔn)確地掌握現(xiàn)場勘測結(jié)果。

3.2.2 在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的應(yīng)用

（1）建模

基于三維建模，可在模型中反饋出道路中地下、地上管線布設(shè)情況以及已有交通設(shè)施情況，各專業(yè)組基于Project Wise 平臺(tái)協(xié)同完成設(shè)計(jì)工作；結(jié)合Power Civil 軟件，可設(shè)計(jì)公路路線、立交平面與橫縱斷面，完善可視化模型的信息。對于沿線景觀以及現(xiàn)場情況復(fù)雜的區(qū)域，可在可視化下完成設(shè)計(jì)方案分析，及時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。同時(shí)，可在此基礎(chǔ)上結(jié)合路線，優(yōu)化管廊布設(shè)，這樣能夠減少管廊施工中的干擾因素。最后利用LumenRT 動(dòng)態(tài)展示三維數(shù)字化模型，便可更清晰地體現(xiàn)出工程的拆遷量。

（2）工程量計(jì)算

公路工程中的曲面公路及曲面間土方量計(jì)算通常為工程量的計(jì)算難點(diǎn)，在BIM 技術(shù)的支持下，可以更合理地運(yùn)用復(fù)合體積法、平均斷面法展開計(jì)算，因BIM 技術(shù)平臺(tái)能夠生成準(zhǔn)確的土方調(diào)配圖表，動(dòng)態(tài)展示土壤的移動(dòng)方向，客觀的給出集體填挖距離，從而可以更準(zhǔn)確地計(jì)算出施工量與所需工料。

（3）評審

該項(xiàng)目對勘測設(shè)計(jì)的要求較高，增加了設(shè)計(jì)流程的復(fù)雜性，使用CAD 無法客觀、準(zhǔn)確地評比方案，且無法實(shí)現(xiàn)各利益方共同參與評比。而通過Project Wise 平臺(tái)則可實(shí)現(xiàn)多方協(xié)同完成方案評比工作。設(shè)計(jì)人員只需將設(shè)計(jì)模型及數(shù)據(jù)文件上傳至平臺(tái)，在便攜客戶端，建設(shè)單位、監(jiān)理單位、施工單位可基于相同的文件數(shù)據(jù)了解方案內(nèi)容，且從信息安全角度考慮，平臺(tái)上仍有其他不具備方案評比權(quán)限的主體，可設(shè)置權(quán)限驗(yàn)證或賦予權(quán)限，保證僅有具備參與評比資質(zhì)的主體能夠獲得進(jìn)入權(quán)限。

（4）生成設(shè)計(jì)圖

通過BIM 技術(shù)完成公路設(shè)計(jì)后，參考TK 圖框、使用數(shù)據(jù)快捷鍵，則可自動(dòng)生成設(shè)計(jì)圖，簡化出圖流程，此環(huán)節(jié)能節(jié)約大量時(shí)間，且圖紙均借助相同圖例，減少設(shè)計(jì)過程中對大量重復(fù)數(shù)據(jù)的處理，也可根據(jù)需要生成無數(shù)個(gè)設(shè)計(jì)草圖，而修改中僅對施工模型上的參數(shù)進(jìn)行更改，便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫內(nèi)所有設(shè)計(jì)圖中該項(xiàng)數(shù)據(jù)的更新。

（5）多領(lǐng)域協(xié)作、優(yōu)化

完成公路設(shè)計(jì)后，為協(xié)調(diào)其他專業(yè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，各專業(yè)項(xiàng)目可利用協(xié)同平臺(tái)在統(tǒng)一的路線、土方量、橫縱斷面等數(shù)據(jù)信息基礎(chǔ)上完成設(shè)計(jì)工作，確保設(shè)計(jì)基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)的一致性，減少專業(yè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)中的沖突。

（6）統(tǒng)一出圖

設(shè)計(jì)工作整體結(jié)束后，出圖應(yīng)按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，避免因設(shè)計(jì)信息不一致，為其他專業(yè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)與后續(xù)更改圖紙帶來不便。

3.2.3 BIM 技術(shù)應(yīng)用效果

在該項(xiàng)目勘測設(shè)計(jì)中，由于公路途經(jīng)城鎮(zhèn)，工程設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，基于BIM 技術(shù)提供的地形、地貌實(shí)景圖，能夠更具針對性地設(shè)計(jì)不同部分的施工方法，便于指導(dǎo)高效、靈活施工方案的編制，且設(shè)計(jì)期間協(xié)調(diào)各主體的參與，對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行全方位的調(diào)整與優(yōu)化，能使設(shè)計(jì)工作高效進(jìn)行。即使涉及設(shè)計(jì)內(nèi)容調(diào)整，在三維數(shù)字化模型上完成數(shù)據(jù)與信息編輯則可完成整個(gè)數(shù)據(jù)庫內(nèi)的同步更新，能夠減少諸多不必要的麻煩，顯著提高設(shè)計(jì)效率。

4 結(jié)語

綜上所述，BIM 技術(shù)在公路勘測設(shè)計(jì)中的應(yīng)用有重大價(jià)值，其通過三維數(shù)字模型便可實(shí)現(xiàn)可視化設(shè)計(jì)，能夠更全面、立體地展現(xiàn)設(shè)計(jì)效果，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的沖突、錯(cuò)誤等，且基于多方協(xié)調(diào)，能夠更科學(xué)、合理地優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保獲得最佳設(shè)計(jì)方案，進(jìn)而提高設(shè)計(jì)質(zhì)量與效果，為公路項(xiàng)目順利實(shí)施奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。