基于BIM技術的公路工程信息模型參數化構建及應用

喻沐陽 斯文彬

(中交第二航務工程勘察設計院有限公司 武漢 430061)

近年來，隨著計算機和無線通信技術的迅猛發展，公路工程勘察設計正由傳統的二維平面設計不斷向可視化、精細化、信息化和智能化方向發展，建筑信息模型(building information model,BIM)技術也應運而生[1]。BIM技術涉及規劃、設計、施工、運營維護等工程技術行業全壽命周期的創新變革，是公路行業最前沿的發展趨勢。可實現各專業協同設計和項目數據的一體化管理，極大地提高了設計人員的生產力，使其可以有更多精力對設計方案進行優化，而且便于決策者對項目多方位、多角度、多維度了解和控制，做出更為準確的決策[2]。

公路工程建設項目較其他工程項目有其獨特性，其囊括專業多，線路長，覆蓋空間大，與地質地形條件聯系緊密，設計線路的合理性直接關系到群眾的出行安全和地區經濟的協調可持續發展。但目前公路工程勘察設計BIM技術的應用還停留在三維模型展示的階段，主要表現為以下幾點：①未對模型編碼和參數化，難以將模型交付施工單位進一步實現；②模型應用不足，不能充分利用已有的道路信息模型開展進一步的分析研究，規避工程設計缺陷，提升設計質量和效率；③校審困難，無法給各專業協同校審提供技術支撐；④無法批量生成施工圖表，模型和設計相分離，不僅不能達到事半功倍的效果，反而增加了較大的工作量[3]。針對模型參數化構建和應用的研究還鮮見報道。

綜上所述，傳統的BIM技術已無法適應公路工程勘察設計快速發展的要求，有著較強的局限性，難以實現項目總體空間信息管理和維護，因此，本研究擬開展基于BIM技術的公路工程信息模型參數化構建及應用研究。

1 技術路線規劃

本研究依托項目為G215線柳園至敦煌高速公路，該項目地形、數據源多，控制因素復雜，設計周期短，因此，采用BIM技術開展施工圖勘察設計。從三維設計理念出發，將BIM技術應用于項目實施策劃、設計深化和模型應用三大階段，實現項目模型的參數化，并建立資源整合數據庫，構建項目信息模型，最終針對模型開展分析研究和應用。技術路線圖見圖1。

圖1 技術路線圖

2 基于BIM技術的道路信息模型構建

2.1 項目背景和概況

G215線柳園至敦煌高速公路位于甘肅省酒泉市瓜州縣及敦煌市境內，地處河西走廊西段。是“古絲綢之路”重要路線，也是西部大通道西寧至庫爾勒公路的重要組成部分，主線采用雙向4車道戈壁、沙漠高速公路標準，設計車速為80 km/h，整體式路基寬度24.50 m、分離式路基寬度12.25 m。設計技術標準見表1。

表1 G215線柳園至敦煌段主線和連接線設計標準

本工程具有“大、精、嚴、控”4大特點。“大”體現在：道路主線全長46 km，輔道長29 km。總投資27億元，年平均日交通量為25 902 veh；“精”體現在：BIM模型精度整體達到LOD300，能夠詳細地展現模型構建的相關參數，為后期的施工管控和運維管理提供數據支持；“嚴”體現在：沿線自然保護區眾多，歷史文化遺址密集，高壓線分布情況復雜，對項目的選線和施工要求嚴格；“控”體現在：基于公司二次開發的協同設計云平臺和鴻城設計管理平臺進行管控，規范化模型設計及專業校審流程，使項目BIM應用真正上升到企業級水平。采用BIM技術實現各專業間高效的協同設計，大幅度提高了設計效率，方便了項目各參建方之間的交流和管控。具體路面結構參數見表2。

表2 G215線柳園至敦煌段瀝青路面

2.2 高精度三維地面模型構建

重復映射現象示意圖見圖2。針對無人機傾斜攝影畫面可能存在的重復映射現象[4]，本研究使用真正射影像生成技術對航拍底圖進行處理，拓撲結構更加合理。首先對初始DEM數據進行分類、修測與編輯，然后對生成的初始點云數據進行編輯，濾掉遮蓋地物及游離點，對于邊界模糊、歸類不明的建筑物，必須對其頂層邊界進行分類與修測，針對建筑物周圍存在的大量低矮地物導致的拉花與遮蓋現象，采用硬性重新插值的方法進行處理，將地面平均高程計算為統一值插入其中，以避免畸變與不連續情況的出現，便于后續正射影像的制作使用，真正射影像糾偏方法示意圖見圖3。

圖2 重復映射現象示意圖

圖3 真正射影像糾正方法示意圖

利用InfraWorks軟件將經過真正射影像糾偏后的航拍底圖及Civil 3D地形曲面進行整合，創建高精度三維數字地形沙盤，實現項目所在區域地形、水系、建筑物等信息的可視化表達，精確反映項目各影響因素的尺寸和地理位置信息，便于設計人員整體把控，為公路工程平、縱、橫協同設計提供有力支撐。

2.3 公路平、縱、橫協同設計

傳統公路工程設計方案優化流程是：路線平面設計→建立數字地面模型→獲取縱橫地面線→縱斷面設計→超高加寬設計→橫斷面設計→土石方計算和調配。當發現填挖方放坡受限、土石方

數量較大，不良地質條件制約等現象時，需重新回到第一步調整優化路線平面設計，依次循環直到找到經濟合理路線方案為止。

本研究利用Infraworks軟件強大的平、縱、橫協同設計功能，并結合所在區域地形控制因素，對路線方案進行比選和優化，在調整路線平面的同時實時剖切縱橫地面線，并能夠實現縱斷面和橫斷面實時動態修改，實時瀏覽橫斷面及與原始地形的填挖切割情況，協同設計界面見圖4。在一些控制因素較多、地形復雜的區域及位置，通過平、縱、橫三維立體定線的方式進一步開展專項比選論證，確保路線方案可行、合理、經濟。為下一步項目的施工圖勘察設計提供有利條件，有效避免了設計過程中因影響因素考慮不全而導致的設計反復。

圖4 平縱橫協同設計界面

2.4 道路模型編碼及精細化建模

根據上一階段平、縱、橫協同設計成果，尤其是在一些控制因素復雜段落的優化成果，利用鴻業科技路易2018系列軟件對道路信息模型構件進行統一編碼和參數化，編輯界面見圖5。

圖5 構建編碼和參數化編輯界面

構件庫包括路面結構層、邊坡防護形式、標志標牌和護欄等項目模型BIM構件，可對其材料組成、性能參數、技術要求及施工工藝等信息進行詳細交底。以構件為核心，通過構件ID編碼與模型關聯，實現實體與參數化數據的相互關聯，便于設計和施工人員及時查看相關構件詳細參數，使得編碼數據庫更加完整、清晰，從而為模型的管理和下一階段交付工作提供有利條件[5]。

作為公路工程項目的重要組成部分，標志標線、互通立交、停車區和服務區等交通工程及沿線設施，需要按照“保障安全、提供服務、利于管理”的原則，從總體角度考慮其布局合理性和協調性，確保駕駛員可以在正確的引導下順利抵達目的地。交通安全設施設置合理與否，直接關系到公路工程的服務水平和通行能力[6]，本研究在參數化編碼建模的基礎上，對項目全線的附屬設施進行精細化建模。圖6為孔家莊互通模型，圖7為石槽子停車服務區三維實景模型。

圖6 孔家莊互通模型

圖7 停車服務區三維模型

3 道路信息模型應用

3.1 建筑界限分析

公路建筑界限范圍內不得有任何障礙物侵入。公路標志、護欄、照明燈柱、電桿、管線、綠化、行道樹、擋土墻，以及跨線橋的梁底、橋臺、橋墩等的任何部分也不得侵入公路建筑界限。否則會對駕駛員的心理產生不良影響，使其試圖避開路側邊緣障礙物，導致靠近毗鄰車道上行駛車輛，嚴重影響駕駛員行車安全，并降低道路通行能力和服務水平。

傳統設計過程并未在設計完成后針對公路建筑界限進行系統全面檢查。本研究采用三維手段對建立的BIM模型進行建筑限界分析，建筑界限檢查過程見圖8。按照規范要求自定義建筑限界尺寸和形狀，即可對設計成果進行快速檢查分析，以規避設計中的存在的問題，對提高公路工程勘察設計質量具有重要意義。

圖8 道路信息模型建筑界限檢查

3.2 行車視距分析

行車視距是保障公路工程行車安全的一項關鍵指標，也是國家規范規定的強制性設計指標之一。作為三維立體的空間實體工程，公路視距受平、縱、橫等幾何指標、參數和平縱組合等的影響外，還可能受到路側填挖方邊坡、護欄、路側構筑物等的遮擋影響[7]。通過對我國部分山區高速公路進行視距檢驗評價發現：在平、縱等主要幾何指標滿足對應標準、規范指標要求的情況下，仍可能存在視距不良的特殊路段，還存在著較大的安全隱患。

針對傳統視距檢查方式難以考慮標志標牌、護欄、行道樹等因素對駕駛員視距影響的弊端，本研究采用BIM技術對項目開展駕駛視距檢查和分析是十分必要的[8]，視距檢查過程見圖9。

圖9 駕駛員視距檢查

本研究采用鴻業軟件施工圖BIM設計模塊對項目進行駕駛員視距檢查分析，通過定義駕駛員視線高度、行駛方向、視距要求等技術參數(見表3)，可快速檢查出視距不良路段并進行標記，檢查過程簡潔直觀，便于及時采取相應技術措施進行改善，可有效降低路段的事故發生率。

表3 視距分析參數取值

3.3 道路信息模型校審

本研究針對BIM模型校審流程復雜的問題，組織技術力量自主研發了BIM協同設計管理系統，該系統不同于傳統公路工程勘察設計過程對圖紙校審的理念，針對經過編碼和參數化模型的專業校審可使設計人員更容易發現設計成果的缺陷和不足，便于不斷優化和改進設計，為模型的校審提供了有力的技術支撐[9]。其系統操作界面見圖10。

圖10 協同設計管理系統

在系統云端服務器上同時安裝相關BIM設計軟件和自主開發的希迪系列軟件，可將道路信息模型各專業協同設計成果上傳至系統，校審人員通過該管理系統對模型和圖紙進行校審，并可實時提出批注及修改意見，系統根據構件編碼和參數設置可自動生成模型校審意見清單，并及時反饋至各專業設計人員，模型專業校審界面見圖11。

圖11 模型專業校審界面

設計人員在接到校審意見單后會進行修改并重新提交校審，所有校審流程均可在本系統云端完成并在服務器上留痕，確保設計成果的準確性。

3.4 可視化交底及批量出圖

技術交底是指項目施工前或者工人進場作業前，由相關專業技術人員向作業人員進行的施工方案、工藝工法和操作步驟等的技術要求。傳統技術交底主要采用圖紙+文字說明的形式，難以使施工人員快速準確地領會設計人員意圖，交底效果較差。本研究通過可視化交底的方式，建立企業級工藝工法庫，輔助設計成果向施工環節移交。使得相關人員能夠更加深入了解設計意圖和設計信息，交底中可視化效果見圖12。該方法顯著提高了技術交底效果，利用鴻城云協同平臺可快速錄入上傳BIM模型、人員組織及安排、施工進度等項目信息，并以發送鏈接的方式告知業主或者施工單位等，使得BIM模型、圖紙等輕量化分享。

圖12 施工環節技術交底

目前，公路工程勘察設計成果的交付主要仍以圖紙為主，傳統公路工程BIM技術與平面設計往往需要重復工作，不能實現建筑信息模型向二維圖紙的快速轉化，本研究在建立參數化模型的基礎上，使得采用BIM技術實現設計成果的自動化出圖成為可能，本研究通過對CAD軟件進行二次開發，可實現道路平面圖、路線縱斷面圖、橫斷面圖、逐樁坐標表等自動化生成。生成的施工圖紙見圖13、14，大幅降低了設計人員機械化勞動量，效率提高30%。

圖13 逐樁坐標表

圖14 路線縱斷面圖

4 結論

1) 使用真正射影像生成技術，拓撲結構更加合理，本研究以真實地形環境屬性開展設計，采用總體-局部-總體的模式建立中心模型文件，建立各專業模型并匯總至中心文件，最終實現了道路信息模型編碼和參數化。

2) 本工程具有“大、精、嚴、控”四大特點，通過BIM協同設計，實現了LOD300級道路、橋梁和涵洞等精細化建模，設計成果批量出圖、精確算量，大大縮短設計周期，減少設計變更15%，效率提高30%。

3) 與常規BIM應用相比，本研究應用BIM設計云平臺，將其與企業生產管理及質量體系相結合，實現了傳統設計軟件和國產BIM軟件綜合應用，BIM設計水平及成果質量大幅提高，達到了BIM企業級應用水平。