道路BIM 技術(shù)在設(shè)計(jì)領(lǐng)域的研發(fā)現(xiàn)狀分析與發(fā)展策略初探

楊明

（甘肅第一建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000）

近年來(lái)，BIM 技術(shù)與道路工程設(shè)計(jì)工作充分融合，不僅大幅提升了設(shè)計(jì)效率，同時(shí)也在一定程度上降低了設(shè)計(jì)人員的工作難度，這使得BIM 技術(shù)在道路工程建設(shè)領(lǐng)域的影響力不斷提升。但從當(dāng)前BIM 技術(shù)在道路工程設(shè)計(jì)方面的實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，其設(shè)計(jì)應(yīng)用領(lǐng)域拓展較慢，而且相當(dāng)一部分優(yōu)勢(shì)功能也未得到充分發(fā)揮。在當(dāng)前道路工程整體設(shè)計(jì)難度逐漸提升的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析BIM 技術(shù)在道路工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用情況有助于提升相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用水平。

1 設(shè)計(jì)行業(yè)與道路BIM 技術(shù)分析

1.1 BIM 技術(shù)給道路工程帶來(lái)的有利影響

從BIM 技術(shù)的性質(zhì)上看，該技術(shù)及其所形成的相關(guān)系統(tǒng)屬于典型的工程建設(shè)工具，可同時(shí)在設(shè)計(jì)和管理2 方面發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)功能。對(duì)于道路工程設(shè)計(jì)工作而言，應(yīng)用BIM 技術(shù)從基礎(chǔ)層面改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法，打破了傳統(tǒng)道路工程設(shè)計(jì)工作以二維平面作業(yè)為主的形式，各設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)相關(guān)工作也都基于BIM 技術(shù)的功能特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，很大程度上推動(dòng)整個(gè)道路工程設(shè)計(jì)工作向數(shù)字化與信息化發(fā)展[1]；其次，BIM 技術(shù)具有較強(qiáng)的先進(jìn)性特征，既往設(shè)計(jì)工作中，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行不同方向的設(shè)計(jì)時(shí)往往需要使用較多獨(dú)立的平面圖紙，而B(niǎo)IM 技術(shù)條件下的道路工程設(shè)計(jì)工作則以統(tǒng)一的立體模型為主，不同方向的設(shè)計(jì)工作均可在同一立體模型上完成，該模型能夠根據(jù)不同設(shè)計(jì)需求展示和調(diào)整所有的設(shè)計(jì)參數(shù)，這不僅提升了設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)進(jìn)度，也在很大程度上降低了設(shè)計(jì)工作難度[2]；最后，道路工程設(shè)計(jì)工作涉及不同設(shè)計(jì)部門(mén)，應(yīng)用BIM 技術(shù)可展開(kāi)道路工程協(xié)同設(shè)計(jì)，這改變了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式下各設(shè)計(jì)部門(mén)獨(dú)立作戰(zhàn)的情況，各設(shè)計(jì)部門(mén)均可在統(tǒng)一的系統(tǒng)內(nèi)互相了解相應(yīng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容，最大限度保障了不同設(shè)計(jì)內(nèi)容的兼容性和匹配性。

1.2 設(shè)計(jì)工作中道路BIM 技術(shù)應(yīng)用模式

對(duì)于道路工程而言，設(shè)計(jì)工作、施工工作、后期運(yùn)維管理工作都是影響工程運(yùn)行質(zhì)量的重要內(nèi)容。設(shè)計(jì)工作包含的各分支內(nèi)容比較多，包括方案研究（可行性分析）、初期設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)、施工組織協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)等。初期設(shè)計(jì)內(nèi)容包含平面設(shè)計(jì)、橫縱斷面設(shè)計(jì)、各類(lèi)交叉設(shè)計(jì)、管線(xiàn)設(shè)計(jì)等，而施工設(shè)計(jì)中又涉及各類(lèi)施工技術(shù)分析以及技術(shù)重點(diǎn)。BIM 技術(shù)在道路工程設(shè)計(jì)工作中應(yīng)用范圍相對(duì)較廣，由于BIM 系統(tǒng)能夠容納的設(shè)計(jì)內(nèi)容極多，幾乎所有設(shè)計(jì)工作和設(shè)計(jì)內(nèi)容都可在統(tǒng)一的BIM 系統(tǒng)模型中進(jìn)行，因此應(yīng)用BIM 技術(shù)開(kāi)展道路工程設(shè)計(jì)工作，本質(zhì)是各類(lèi)道路工程設(shè)計(jì)參數(shù)整合形成BIM 數(shù)據(jù)模型的過(guò)程[3]。

2 道路BIM 技術(shù)在設(shè)計(jì)領(lǐng)域的研發(fā)應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 建立道路信息模型

應(yīng)用BIM 技術(shù)進(jìn)行道路工程設(shè)計(jì)時(shí)，構(gòu)建相應(yīng)的道路信息模型是基礎(chǔ)工作。當(dāng)前，道路信息模型主要由各類(lèi)地形數(shù)據(jù)和幾何參數(shù)構(gòu)成，模型單元包括3 類(lèi)常見(jiàn)構(gòu)造物，分別為道路、橋梁及隧道，而構(gòu)造物又分為相應(yīng)的結(jié)構(gòu)組成和功能組成部分，結(jié)構(gòu)組成中包括路面、路基等，而功能組成部分包括交通標(biāo)志、排水系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、綠化系統(tǒng)等。以某道路工程為例，該工程全長(zhǎng)37.2 km，公路寬度為35.5 m，高程范圍為24～49 m。以本工程中部分線(xiàn)路設(shè)計(jì)為例，此部分全部為道路工程，無(wú)橋梁隧道。在利用BIM 技術(shù)構(gòu)建道路信息模型時(shí)，首先基于地形點(diǎn)和高等線(xiàn)來(lái)繪制地形曲面圖[4]。根據(jù)實(shí)際需求構(gòu)建2 條不同類(lèi)型的道路，其中，1 號(hào)道路全長(zhǎng)3 427 m，共有5 個(gè)平曲線(xiàn)，最長(zhǎng)直線(xiàn)距離為310 m，最大縱坡度為3.95%；而2 號(hào)道路全長(zhǎng)3 4 9 1 m，共有6 個(gè)平曲線(xiàn)，最長(zhǎng)直線(xiàn)距離440 m，最大縱坡度為4.07%?；谙到y(tǒng)內(nèi)置線(xiàn)型比選模塊分別對(duì)2 條線(xiàn)路的成本、安全性、施工影響及人性化這4 大模塊進(jìn)行對(duì)比分析，共包含對(duì)比因素16 項(xiàng)，錄入相關(guān)參數(shù)后，由系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算各項(xiàng)加權(quán)平均值，并計(jì)算總值，結(jié)合數(shù)據(jù)結(jié)果敲定具體設(shè)計(jì)方案，選定相關(guān)設(shè)計(jì)方案后，將具體施工參數(shù)錄入，并結(jié)合該模型進(jìn)行施工模擬，結(jié)合模型模擬結(jié)果，調(diào)整施工設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行模型渲染，獲取仿真工程模擬效果圖[5]。上述流程是構(gòu)建道路信息模型的標(biāo)準(zhǔn)流程，代表了BIM技術(shù)在該方向的應(yīng)用現(xiàn)狀。

2.2 行車(chē)視距分析

當(dāng)前應(yīng)用BIM 技術(shù)進(jìn)行道路工程設(shè)計(jì)時(shí)可充分使用系統(tǒng)中的四棱臺(tái)模塊進(jìn)行行車(chē)視距分析。停車(chē)視距是行車(chē)視距參數(shù)中較為重要的內(nèi)容，相關(guān)道路設(shè)計(jì)方案必須符合國(guó)家對(duì)此類(lèi)道路停車(chē)秩序的相關(guān)要求。在進(jìn)行驗(yàn)證的過(guò)程中，可充分利用BIM 技術(shù)的道路模型，基于四棱臺(tái)模塊和通視功能來(lái)計(jì)算當(dāng)前設(shè)計(jì)參數(shù)下的停車(chē)視距。在道路模型基礎(chǔ)上選擇不同車(chē)道明確視點(diǎn)位置，用四棱臺(tái)模塊向前投影，根據(jù)視線(xiàn)三角面覆蓋情況來(lái)計(jì)算停車(chē)距離（如圖1 所示）。以某高速公路工程為例，其設(shè)計(jì)時(shí)速為120 km/h，停車(chē)視距為反應(yīng)形式距離、汽車(chē)制動(dòng)距離及安全距離三者之和，根據(jù)通視四棱臺(tái)模塊模擬所得數(shù)據(jù)得出其反應(yīng)距離為89.5 m（取最高設(shè)計(jì)時(shí)速85%為行車(chē)速度），汽車(chē)全力殺停制動(dòng)距離為38 m，安全距離取7 m，最終計(jì)算得出，該道路設(shè)計(jì)參數(shù)下停車(chē)視距為134.5 m，該數(shù)值小于此類(lèi)高速公路210 m 的安全停車(chē)視距要求，設(shè)計(jì)參數(shù)合理[6]。

圖1 通視四棱臺(tái)視覺(jué)范圍覆蓋面

2.3 景觀環(huán)境分析

景觀環(huán)境相關(guān)內(nèi)容是道路工程的重要組成部分，它不僅起到了綠化美觀作用，而且也與行車(chē)安全息息相關(guān)。駕駛員在車(chē)內(nèi)以移動(dòng)狀態(tài)向外觀察環(huán)境景觀時(shí)，駕駛員所觀察到的視圖也在不斷變化，因此植物綠化景觀和其他相應(yīng)的環(huán)境景觀在布設(shè)過(guò)程中應(yīng)避免在某些情況下引發(fā)視覺(jué)風(fēng)險(xiǎn)[7]。BIM 技術(shù)所構(gòu)建的三維模型能夠以不同視角來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀察，當(dāng)前在道路工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以基于當(dāng)前設(shè)計(jì)參數(shù)，依托三維模型來(lái)進(jìn)行漫游觀察，設(shè)置不同的行駛速度，以不同視角觀察當(dāng)前環(huán)境景觀，明確是否存在視線(xiàn)遮擋、影像重復(fù)等不利于行車(chē)安全的情況，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整相應(yīng)的環(huán)境景觀布設(shè)參數(shù)消除可能影響行駛安全的各類(lèi)問(wèn)題。此外該技術(shù)還能夠在多景觀環(huán)境布設(shè)方案中進(jìn)行優(yōu)選，以真實(shí)的行車(chē)視角或靜態(tài)視角來(lái)明確不同設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣[8]。

2.4 全景漫游

全景漫游是BIM 技術(shù)在道路工程設(shè)計(jì)中的另一重要功能。全景漫游能夠依托各項(xiàng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)建立的BIM三維立體模型來(lái)進(jìn)行靜態(tài)、動(dòng)態(tài)和多視角演示，該功能在道路工程設(shè)計(jì)方案、優(yōu)選優(yōu)化、工程設(shè)計(jì)匯報(bào)展示、技術(shù)交底以及安全性分析等多領(lǐng)域有重要作用。傳統(tǒng)二維平面設(shè)計(jì)模式下圖紙能夠展示的信息相對(duì)較少，各方人員只能通過(guò)當(dāng)前某一視角對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行審視觀察，而利用三維全景漫游技術(shù)，則可以從各個(gè)位置以各種視角、各種速度來(lái)審視設(shè)計(jì)內(nèi)容，而且在模型中還可以添加各種不同的影響因素，例如在安全性分析過(guò)程中，除了能夠模擬不同車(chē)速條件，還可以通過(guò)天氣系統(tǒng)來(lái)模擬雨雪天氣或強(qiáng)光照射條件，這些都能夠進(jìn)一步幫助設(shè)計(jì)人員明確當(dāng)前道路設(shè)計(jì)方案中的不利安全因素[9]。以某道路工程為例，在進(jìn)行全景漫游分析的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)前設(shè)計(jì)方案中存在的問(wèn)題。某位置隧道群前方較短距離內(nèi)存在長(zhǎng)為270 m 的小半徑曲線(xiàn)道路，該道路設(shè)計(jì)時(shí)速為80～120 km/h，當(dāng)車(chē)輛行駛速度高于100 km/h 時(shí)，駕駛員安全剎車(chē)反應(yīng)時(shí)間較短（小于2 s），研究后選擇增大平曲線(xiàn)半徑的方式解決這一問(wèn)題，將該曲線(xiàn)道路長(zhǎng)度增至350 m 后成功消除這一安全隱患。全景漫游可在道路工程設(shè)計(jì)的多方面發(fā)揮作用，當(dāng)前這一功能應(yīng)用范圍也比較廣泛[10]。

3 道路BIM 技術(shù)在設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)存在的具體問(wèn)題

雖然當(dāng)前BIM 技術(shù)已經(jīng)在道路工程設(shè)計(jì)過(guò)程中有較為廣泛的應(yīng)用，但在部分領(lǐng)域應(yīng)用深度明顯不足，可用功能尚不完善，這其中較為明顯的包括以下4 個(gè)方面：①不具備完善的路基安全性分析功能，無(wú)法結(jié)合設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)路基安全性作出輔助判斷；②路線(xiàn)安全性分析功能尚不完整，尤其是缺乏路線(xiàn)通行能力的分析功能；③當(dāng)前絕大多數(shù)道路工程設(shè)計(jì)工作并沒(méi)有在交通安全設(shè)計(jì)方面重點(diǎn)應(yīng)用BIM 技術(shù)，無(wú)法有效借助BIM 技術(shù)形成的仿真模型來(lái)對(duì)各類(lèi)影響交通安全的不利因素進(jìn)行分析；④當(dāng)前道路工程設(shè)計(jì)工作中道路BIM 技術(shù)普遍不具備違規(guī)提示功能，少數(shù)能夠進(jìn)行違規(guī)提示的系統(tǒng)，可提示的信息相對(duì)較少，而且缺乏動(dòng)態(tài)更新功能，無(wú)法根據(jù)規(guī)范要求變化而進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

4 道路BIM 技術(shù)在設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用的策略

4.1 進(jìn)一步完善路基安全性分析模塊

路基安全性分析模塊在發(fā)展過(guò)程中應(yīng)重視以下3方面的分析功能：①結(jié)合道路排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)而進(jìn)行排水能力分析功能。構(gòu)建該模塊能夠結(jié)合當(dāng)?shù)亟邓壳闆r模擬極端降水情況下當(dāng)前排水系統(tǒng)是否有積水風(fēng)險(xiǎn)。②邊坡預(yù)警功能。構(gòu)建該模塊能夠依托當(dāng)前坡率參數(shù)、邊坡土體摩擦系數(shù)等數(shù)據(jù)分析一系列邊坡失穩(wěn)的情況，并結(jié)合相關(guān)信息設(shè)計(jì)更為安全的邊坡處理模式和邊坡體系。③短路基預(yù)警。由于短路基路面施工難度相對(duì)較大，需要采取不同的填料和碾壓形式，構(gòu)建該模塊能夠結(jié)合設(shè)計(jì)參數(shù)明確標(biāo)注所有短路基，保障施工技術(shù)應(yīng)用到位，提升工程建設(shè)質(zhì)量。

4.2 增加路線(xiàn)安全性分析模塊

線(xiàn)路安全性分析模塊主要作用是分析道路通行能力。在這一模塊構(gòu)建過(guò)程中，可充分增加可選影響因素，全方位考慮天氣因素、路面因素、交規(guī)因素及其他人為或自然因素。例如相關(guān)模塊可通過(guò)增加天氣影響因素、光線(xiàn)影響因素、路面影響因素等，充分分析不同情況下道路車(chē)輛運(yùn)行承載能力，根據(jù)平均行駛速度及單位時(shí)間內(nèi)車(chē)輛通行量等數(shù)據(jù)來(lái)繪制當(dāng)前設(shè)計(jì)條件下道路通行能力曲線(xiàn)，對(duì)于承載能力相對(duì)較低的路段進(jìn)行多因素分析，明確造成該問(wèn)題的原因后，進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)調(diào)整。

4.3 完善交通安全分析模塊

交通安全分析模塊中應(yīng)包含排水能力檢測(cè)系統(tǒng)、邊坡預(yù)警系統(tǒng)及短路基預(yù)警系統(tǒng)。排水能力檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)具備結(jié)合排水系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)自動(dòng)化分析排水系統(tǒng)可承載的最大降水量的功能，通過(guò)模擬某一條件下單位時(shí)間內(nèi)降水量來(lái)了解該排水系統(tǒng)是否存在積水問(wèn)題，同時(shí)對(duì)排水能力不足的部位進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整。邊坡預(yù)警模塊應(yīng)具備被動(dòng)參數(shù)信息搜集分析及主動(dòng)信息獲取請(qǐng)求2 方面功能，保障該模塊既能夠主動(dòng)搜集設(shè)計(jì)參數(shù)中與邊坡失穩(wěn)相關(guān)的參數(shù)，同時(shí)也能夠主動(dòng)提示錄入欠缺的邊坡參數(shù)信息，分析明確當(dāng)前設(shè)計(jì)條件下，是否存在邊坡失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。短路基預(yù)警模塊應(yīng)具備結(jié)合設(shè)計(jì)參數(shù)分析本線(xiàn)路內(nèi)短路基數(shù)量和短路基位置的功能，明確顯示所有短路基信息，為各工作人員提供準(zhǔn)確的信息參數(shù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)道路工程設(shè)計(jì)工作中BMI 技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展情況進(jìn)行了詳細(xì)分析，明確了相應(yīng)的技術(shù)內(nèi)容，并對(duì)當(dāng)前應(yīng)用過(guò)程中存在的問(wèn)題及發(fā)展策略進(jìn)行了論述，希望相關(guān)內(nèi)容能夠推動(dòng)中國(guó)道路工程設(shè)計(jì)現(xiàn)代化發(fā)展，提高BMI 技術(shù)在道路工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用水平。