基于BIM技術的公路工程正向設計方法研究

彭欣　龐聰　韋繼寧　藍仁楷

摘要：為了解決目前BIM技術在公路設計階段主要以翻模為主的逆向問題，文章從公路設計階段的常規流程出發，對公路工程特性開展分析研究，提出了一種基于BIM技術的公路工程全專業正向設計的初步建模方法及流程，并從多個公路工程的良好應用證明該方法在設計階段的實用性和優勢性，對今后公路工程BIM正向設計的發展具有參考價值和推廣意義。

關鍵詞：BIM技術;公路工程;BIM正向設計;Bentley

中國分類號：U412.36文獻標識碼：A

0 引言

隨著交通領域數字化水平的創新發展，傳統公路建設技術已經逐漸落后并面臨淘汰。我國作為全球的交通大國、強國，在公路工程里程不斷增加的同時，對工程數字化、信息化的探索和需求更加迫切。BIM作為一種以信息流為核心的三維數字化技術，其在可視、仿真、協同等方面的優勢使其能更好地適用于交通領域，促使傳統工程向數字化工程進行轉型升級，滿足項目全生命周期的需求。

BIM技術作為工程領域的又一次技術革命，其始于建筑領域，且研究已經相當深入，但在公路工程領域，BIM技術仍然處于起步階段[1]。隨著BIM技術在建筑行業的成功應用，交通行業也開始逐漸摸索BIM技術在自身領域的適應性問題。從工程本質上來說，公路與建筑均屬于土木工程，但區別于建筑工程，公路工程具有帶狀、長距離、范圍廣、工程量大、環境復雜及結構變化多等主要特點，因此，公路工程BIM技術應用應在借鑒建筑行業的基礎上結合自身特點進行研究探索[2]。

可以預見的是，BIM技術作為第二次變革性的新技術，不同于從手繪時代向計算機輔助時代轉變時“甩圖板”對設計效率的大幅提升，其更重要的是三維信息模型的信息流通。所以說，BIM技術的本質是信息及傳遞，他是一個全過程應用的系統工程。一個項目的建設，不能單純地從設計效率的高低來判斷，應該從整個項目的耗時和成本等多方面綜合考慮，BIM設計階段雖然因三維建模與編碼而耗費大量時間，但在減少錯誤和降低成本資源方面將遠遠優于傳統方法。同時，優質的BIM模型又將大大縮短施工建設時間，更有利于后期運維管理。由此可見，當信息化技術被不斷引入工程建設中，BIM技術則是頗受關注的一個[3]。

就目前來說，BIM技術在公路工程上的應用主要受到BIM軟件的不成熟及相關BIM標準的缺失等條件的影響，目前仍主要以翻模為主，這也違背了BIM技術的設計初衷，只有正向設計的全過程打通才能實現BIM技術在公路工程應用的真正價值。

1 平臺選擇

針對目前市場，BIM軟件主要可分為國產和國外兩大類，國產BIM軟件以鴻業和緯地兩大公司為主流，國外則以A（Autodesk）、B（Bentley）及D（Dassault）三大公司為主流。從技術層面分析，國內BIM系統開發較晚，以AutoCAD為基礎框架平臺，從綜合性能上仍與國外系統存在一定差距。從專業性出發，法國Dassault公司主要以制造業見長，雖然近些年在交通領域發展較快，但還是存在一定的局限，而美國Autodesk和Bentley公司均更專注于工程建設行業和基礎設施行業。從全球市場占有率來說，Autodesk和Bentley公司占據了全球大部分建筑及交通領域市場，也是目前應用最為廣泛的BIM軟件廠商。

綜上所述，針對交通基礎設施建設，Autodesk和Bentley公司均具有自己的特點，從正向設計角度出發，兩大主流平臺也提供了自己的BIM解決方案，現將上述兩大主流平臺針對公路工程設計應用情況進行對比分析，如表1所示[4]。

2 基于Bentley的公路工程BIM正向設計應用

2.1 公路工程BIM技術正向設計應用流程

2.1.1 基于Bentley平臺的公路工程BIM應用

公路項目的全生命周期應用，應注重在設計階段構建完善、科學、流通的BIM模型，滿足業主在后續施工、運維階段的相關需求[5]。Bentley的MicroStation底層平臺具有三維底層架構、統一格式、承載能力強等諸多優勢，即時存儲機制將不斷釋放內存來進行圖形處理，系統占用內存小，操作更為便捷，可有效地將各專業模型進行關聯匯總，避免模型數據的丟失，并已經推出一系列用于交通工程基礎設施設計、施工及管理的BIM應用軟件，與公路工程特性需求相符。因此，針對公路工程行業，選用基于Bentley的正向設計BIM解決方案主要包含以下BIM軟件應用，如圖1所示。

2.1.2 公路工程BIM正向設計流程

目前，BIM技術應用主要采用先二維設計再BIM建模的“翻模”方式，與實際設計意圖相違背。因此，本文將BIM技術往正向設計方向開展應用研究，在前期資料的基礎上直接采用BIM技術開展設計，設計流程與傳統二維設計模式基本類似，但相較于傳統設計模式，BIM技術在協同性、可視性和仿真性上更具優勢，達到“即見即所得”的設計體驗。針對公路工程BIM正向設計的系統流程如圖2所示。

2.2 基于BIM的設計協同及管理

公路工程設計往往需要多專業共同協作完成，設計過程中的方案調整、資料互提及進度把控都需要嚴格、科學的設計模式和管理方法。傳統設計模式在協同設計和項目管理方面存在著一定的不足，而異地設計模式問題更為顯著。因此，BIM應用首先要解決設計和管理模式的協同問題。

Bentley提供了一款用于項目信息管理及協同工作的平臺ProjectWise開展協同設計。由項目負責人（管理員）根據項目各專業的人員安排、進度計劃及特點進行統一創建，所有的項目資料和消息都將在平臺上統一發布，具有嚴格的一致性和實時性。項目參與人員無論身在何處何時均可登陸客戶端開展工作，而不同的設計成員將由項目負責人賦予不同的權限以確保文件安全和流程可控。這種將分散的信息孤島進行有效集合的信息共享設計模式將使得設計工作變得簡單且規范，大幅度提高工作效率，減少過程差錯。

2.3 基于BIM的專業設計

2.3.1 設計環境構建

準確優質的設計環境構建對于提高設計質量有著極其重要的意義。在實景環境下，設計人員可直觀融入道路所經區域的虛擬三維環境進行動態交互設計，極大地提升了設計效率和質量。

選擇采用OpenRoads Designer基于高程點及等高線數據的多種方式進行地形三角網構建。利用航拍獲取高分辨率現狀影像并通過ContextCapture進行空三運算生成三維實景模型和正攝影像，再利用Descartes軟件對其進行處理生成三維地形曲面。這不僅能較好地解決傳統測繪采樣點不足的問題，同時能減少測繪成本[6]。在枯燥晦澀的傳統地形基礎上，真實還原項目實際場景，提高設計的準確性，輔助征地拆遷，達到“即見即所得”的設計體驗。

2.3.2 路線設計

路線設計作為公路項目的牽頭專業，具有將各分項專業進行有效串聯的總體職能，直接負責項目的總體把控和協調職責，各專業均基于路線平、縱、橫開展設計。

與傳統二維設計方式不同，基于OpenRoads Designer開展平、縱設計，其核心價值在于對路線的三維數字化表達，將傳統二維設計從剝離的平縱條件下進行關聯，直接以多視口的三維環境進行展示，更符合設計者對于路線走向在平面及高程面的統籌考慮及總體把控，使得路、橋、隧的區分度更為直觀。

2.3.3 路基路面設計

路基路面在傳統二維設計中通常以點和線作為設計信息的傳遞，在表達上存在一定的“模糊性”和“難辨識性”。而BIM設計的核心在于完成三維數字化模型實體的信息傳遞，將點線面轉化為以組件為基礎進行模型組合構建的實體對象，更像是將帶有不同類屬性的結構組件以類似“搭積木”的方式進行拼接，在表達上更為靈活生動。

基于OpenRoads Designer的路基路面設計的關鍵在于廊道橫斷面模板的智能構建。一個優質的廊道模板應具有結構清晰、分類明確及延展性佳等特點，可為后續的展寬、分離等過渡變化提供支撐。

2.3.4 橋梁設計

針對橋梁工程的三維建模，一款軟件是無法完全解決橋梁設計的所有問題的，因此，Bentley不僅提供了OpenBridge Modeler的專業橋梁建模軟件，同時也開發了Prostrues的配筋設計軟件及對于部分特殊組件構建的MicroStation CE三維軟件。為提高設計者的建模效率，我們建立了豐富的橋梁族庫以供設計者快速調用，也可由設計者們通過參數化設計來快速構建不同的構造物，盡可能提高橋梁建模的準確性和便利性[7]。見圖3。

2.3.5 隧道設計

隧道工程與橋梁工程相似，為公路項目的重要主體結構和難點之一，與地質專業聯系緊密。隧道工程主要采用OpenRoads Designer進行隧道主體結構及三維地質模型構建，利用MicroStation CE進行細部構件處理，最后采用Prostrues開展配筋設計，以多系統相結合的方式開展建模。見圖4。

2.3.6 交安設計

交安工程主要基于MicroStation CE進行模型的構建，包括交通標志、隔離柵、防眩設施、護欄及欄桿等交安設施。建立一套完善的公路交安工程設計流程則主要需要注意兩點：

（1）交通安全設施庫。通過建立完善詳細的交通安全設施數據庫，實時調用對應模型，避免重復建模，提高建模效率。交安設施數據庫應從公路等級、設施內容、組件構成等方面從上至下進行樹形結構的逐級細分，保證交安數據庫的結構性和條理性。

（2）參數化設計。公路交通安全設施分類多樣且信息量大，數據庫很難完全涵蓋所有設施需求，故應采用面向組件的參數化構建方法，具有靈活的分解性和組合性。每一種交安設施可分解為一個基本單元構建，且編碼信息唯一獨立，這樣既可以快速創建交安設施模型，同時也可保證信息唯一性[8]。

2.3.7 服務區設計

公路服務區設計與公路主體設計區別較大，主要是場地平整規劃及建筑模型構建。因此，Bentley公司建立了一套適用于場地建筑建模的流程體系。主要采用OpenRoads Designer進行服務區場地平整及相關道路銜接設計，利用AECOsim Building Designer進行服務區內建筑設計。見圖5。

2.3.8 模型匯總及后期渲染

最后利用MicroStation CE將各專業模型進行參考匯總，檢查路、橋、隧等各專業間的銜接，并通過Navigator進行碰撞檢查，對模型內部構建的錯、漏、碰、缺等情況進行有效復核，有效規避各類潛在矛盾及沖突問題，從設計的源頭保證工程質量，減少施工過程中的變更，確保施工順利進行[7]。

完成整個項目模型的匯總及檢查后，可直接通過MicroStation CE導入LumenRT進行三維實景渲染，添加真實材質、植物景觀、交通流模擬、燈光模擬等渲染處理，打造“即見即所得”的場景構建，并制作視頻動畫。見圖6。

3 工程應用

依據上述BIM正向設計建模流程，目前已在都安至巴馬高速公路、荔浦至玉林高速公路及浦北至北流高速公路等多個高速公路項目上成功應用。BIM技術在可視性、仿真性及參數性等方面具有優勢，在項目方案匯報、評審及技術交底上取得了極佳的應用效果，有助于設計階段的效率提高、差錯減少及資源節省。見圖7～9。

4 結語

本文以基于BIM技術的公路正向設計應用為探索研究，對目前市場上的主流BIM平臺進行分析對比，并提出基于Bentley平臺的公路工程BIM正向設計應用系統，以ProjectWise為協同管理平臺，從設計環境、路線、路基路面、橋梁、隧道、交安設施、服務區及后期處理（碰撞檢查及渲染）等八個分項重點進行BIM應用分析，成功梳理了一套適用于公路工程三維數字化的BIM正向設計流程方法。突出了BIM技術的可視化、協同

性、參數化等諸多優勢，并成功應用于多個高速公路項目，取得了優質的效果和反響。為今后公路工程項目的三維數字化發展積累了非常重要的經驗，具有十分重要的理論參考價值和推廣意義，為打通項目全壽命周期應用的探索研究提供了依據。

參考文獻：

[1]黃柳云，宋少軍，王建軍，等.BIM技術在南寧某立交改造工程施工中應用研究[J].公路，2019（2）：130-132.

[2]韓元利.論鐵路BIM的認識誤區與實施原則[J].鐵道工程學報，2019（4）：118-122.

[3]何則干，黃福杰，張為民.BIM技術在大型立交工程的應用研究[J].公路，2019（2）：174-179.

[4]徐 博.基于BIM技術的鐵路工程正向設計方法研究[J].鐵道設計標準，2018，62（4）：35-40.

[5]王麗園，陳楚江，余 飛.基于BIM的公路勘察設計與實踐[J].中外公路，2016，36（3）：342-346.

[6]龍 波，彭 欣.荔浦至玉林高速公路工程全要素對象BIM協同設計與施工管理[J].土木建筑工程信息技術，2019，11（2）：85-90.

[7]梁 才，彭 欣，龍 波，等.BIM技術在大跨徑組合斜拉橋設計中的應用[J].西部交通科技，2019（4）：87-90.

[8]彭 欣，龐 聰，龍 波，等.基于BIM技術的公路交通安全設施數據庫構建分析[J].西部交通科技，2019（5）：148-151.