BIM技術在西安外環高速公路設計中的探索與實踐

潘鵬飛，宋 飛

(陜西省交通規劃設計研究院，陜西 西安 710065)

0 引 言

公路工程設計涉及多個專業，具有規模大、設計復雜、建設周期長、施工環境多變等特點。隨著國家總體經濟發展變化，建設者越來越注重道路工程設計的科學性、合理性、經濟性及協調性[1]。傳統二維設計手段已難以滿足當前國家層面的高標準要求和期望，迫切需要采用新的技術提高設計質量。交通運輸部于2017年發布《關于推進公路水運工程BIM技術應用的指導意見》，明確了公路工程中BIM技術的定位與方向[2]。本文以西安外環高速公路南段為依托，結合項目特點與需求，制定建模標準流程與規則、質量保證措施及出圖標準；建立三維實景模型，提供精確的現實環境背景；選取隧道、橋梁、立交3處重要工點進行BIM設計；從4個方面闡述本項目BIM應用效果，可為同類施工提供借鑒。

1 工程概況

西安外環高速公路南段是陜西省高速公路網規劃的重要組成部分，與已建成的西咸北環線共同組成大西安環形交通圈。本項目被列為交通運輸部BIM技術應用典型示范工程，是陜西省公路行業首次全過程采用BIM技術并對關鍵工點進行精細化模型創建的建設項目。

1.1 本項目設計階段BIM 應用目標

選取重點段落實現隧道、橋梁、立交BIM設計，提交滿足BIM信息化管理要求的工程信息模型；充分發揮BIM技術在工程應用方面優勢，實現安全、高效、可持續的新型設計方式，為項目實施提供技術指導；研究基于BIM模型的制圖方法與流程，完成BIM施工圖出圖工作，提高設計產品質量。

1.2 建模精度與設計軟件

參考《公路工程信息模型應用統一標準》和《公路工程信息模型設計應用標準》，初步設計階段建模精度為LOD2.0，施工圖設計階段建模精度為LOD3.0。設計平臺以Bentley系列軟件為主，鴻業軟件為輔。

2 BIM設計標準化

BIM技術主導的設計產品主要為三維模型，模型質量即代表設計質量，并影響由三維模型生成的圖紙質量。一方面，模型的質量取決于造型、結構、位置、顏色、圖層等信息；另一方面，從BIM應用成本上看，需要在模型精度和數據量之間找到平衡點。建立模型質量管理標準，指導整個設計過程，使設計的模型滿足三維展示、設計出圖及信息傳遞等需求，且具備可操作性。

2.1 標準化定義

首先是建模環境的標準化。建模軟件的工作空間必須惟一，使模型的圖層、標注、字體、斷面庫、切圖規則及圖框等設計元素保持統一。構造物橫斷面庫和設備模型庫的建立保證不同的設計人員的風格一致，且模型的工程屬性和外形尺寸準確無誤。在專業內部和專業間協同工作時，統一的標準使相關模型及數據保持一致，便于管理員維護軟件后臺環境和數據庫。

其次是模型文件的組織模式標準化。模型文件的組織模式包含工程項目中單項工程的劃分、專業內部設計內容劃分及模型分裝與總裝方式。在設計過程中，按照標準規則建立的設計文檔體系可以直觀反映工作內容和協同組織形式。

2.2 模型匯總規則

本項目涉及6個專業，每個專業又細分為單項工程，這些設計模型需要經過專業匯總、單項分裝和項目總裝三級模型拼裝，需要對相關的參考和匯總操作進行規范，才能保證整體三維模型的正確布置。

專業匯總文件中應僅出現本專業繪制的模型，在繪制模型時參考的各類文件都不應在匯總文件中出現。在做單項分裝及項目總裝時，根據需要添加參考文件，對于參考文件本身不應進行任何操作，并嚴禁把參考文件與主文件合并或把參考文件復制到設計文件中。為保證各專業嵌套參考層級數一致，若有專業的匯總嵌套層級較低時，則按照最大層級原則添加1個匯總文件進行參考。

2.3 標準建模方法

2.3.1 半參數化建模

利用軟件自帶功能，通過輸入外形尺寸和工程屬性等參數，自動生成道路、橋涵、隧道主體及部分設備模型。由于生成的模型樣式不能隨意修改，因此建模時應核實輸入參數信息的準確性，同時加強生成模型的外形、樣式和屬性等正確性核查，并確認每個模型是否放置在預設好的圖層上。另外，如果建立參數化模型時需要使用輔助線，應將輔助線設置成構造線樣式，便于模型修改。模型庫和斷面庫應由專業人員配置和維護，其他設計人員若需更改，應按照已制定的模型庫及工作空間配置的工作流程提交需求。

2.3.2 自定義建模方法

軟件自帶功能通常不能滿足設計過程的全部需求，尤其在當前公路領域的三維協同設計過程中，用戶自定義模型占相當大比例。自定義構件建立過程與參數化建模類似，但需在軟件中提前設置模型的外形和工程屬性。

2.3.3 三維實體造型

根據二維圖紙繪制三維模型，或直接繪制大概的三維模型再進行精確修改。此類模型的外形尺寸精度要求較高，模型應先導入模型庫中，再由模型庫中調用并進行布置。隨著模型庫的逐漸豐富，應針對每一類模型建立標準的建模流程文檔，以保證同一類模型的建模方式一致，便于模型修改和批量創建模型，減少人為因素造成的模型差異，同時為參數化建模的二次開發提供基礎資料。

2.4 BIM圖紙

BIM圖紙的總體概念是三視圖與軸測圖的有機結合，BIM圖紙應合理設置色彩區分和透明度，使BIM手段下的設計圖紙成為“三維設色設計圖紙”。色彩設置應注重讀者的心理需求，注重美學表達，分不同情況，合理統一色系或強調反差，白鹿原隧道BIM施工圖見圖1。

3 BIM設計應用

3.1 實景建模

借助實景建模技術，通過無人機采集數據，獲取反映真實地形和建設環境的實景模型。利用ContextCapture軟件分析數據并生成三維實景模型，在項目的整個生命周期內為設計、施工和運營決策提供精確的環境背景，實景模型與構造物融合樣例見圖2。

圖2 實景模型與構造物融合樣例

3.2 白鹿原隧道

白鹿原隧道設計全幅長2 772 m，最大埋深為135 m，斷面面積為192.3 m3，為國內單洞斷面面積最大的三車道黃土隧道。PenRoads Designer軟件實現高程點數據生成三維地型模型，由地勘鉆孔及地質剖面數據生成三維地質模型。地質模型可以任意切取地質剖面，查詢地質屬性，指導支護參數合理選用，地形模型和地質模型見圖3。

圖3 地形模型和地質模型

結合地質條件，該隧道采用復合式襯砌結構，即初期支護+二次襯砌的形式。初期支護采用噴射混凝土+系統錨桿+鋼筋網+型鋼支撐的綜合防護系統，二次襯砌采用整體模筑鋼筋混凝土結構。通過參數化設計橫斷面模板，分圖層與構件進行材質定義，基于空間路線中心線建立三維模型。由OpenRoads Designer軟件建立隧道初噴二襯主體模型，在ProStructures軟件中完成主體鋼骨架模型。模型中每個構件都含有工程信息，統計工程量不再需要手工計算，可實現自動生成工程數量表[3-4]。隧道初噴、二襯鋼骨架模型見圖4。

圖4 隧道初噴、二襯鋼骨架模型

3.3 陶峪河大橋

陶峪河大橋全長525 m，上部結構主橋采用42 m鋼箱梁，引橋采用25 m預應力小箱梁，下部結構為門架墩、柱式墩、柱式臺、肋式臺及鉆孔灌注樁基礎。

在橋梁結構中重復出現的基本單元被定義為構件模型。按照用途和所處位置劃分，本橋定義并建立了28種上部構件，72種下部構件和14種附屬構件。采用MicroStation軟件建立混凝土結構，在ProStructures軟件中完成混凝土配筋。建立的混凝土、鋼筋、鋼束及鋼板等均按照工程材料、工程屬性、工程量等賦予工程信息，使構件庫形成信息模型，為總裝后的總體模型提取工程量建立基礎。圖5為25米小箱梁中跨中梁構件。

圖5 25米小箱梁中跨中梁構件

采用OpenBridge Modeler軟件進行全橋拼裝，導入緯地數據，建立三維設計路線，并完成全橋定位軸網。依照道路空間曲線，將全部構件定位基線繪制出來，再將構件庫通過旋轉、平移到基線位置，實現空間定位和組裝。圖6為與實景融合的陶峪河大橋俯視效果。

圖6 與實景融合的陶峪河大橋俯視效果

3.4 藍田南立交

藍田南互通式立交為樞紐立交，含橋梁12座，涵洞6道，通道10道，天橋1座。利用高程點數據構建地面模型，按照相關規范的要求，確定主線、匝道的平、縱、橫指標，采用鴻業路易軟件和Bentley系列軟件建立相應的三維路線模型。對于立交連接部設計，采用自定義互通立交連接部設計功能，先錄入出入口類型、小鼻端位置等屬性信息，再根據已有的立交平面圖拾取大鼻端位置、主線偏置過渡段、匝道偏置過渡段、行車道拓寬段及路基拓寬段等信息，從而生成立交模型。參數化定制橋梁上、下部結構模型，按照橋梁起終點樁號、橋梁名稱、跨徑組合等屬性信息組合生成橋梁模型。錄入護欄和防眩板的規格、幾何尺寸、避光角度、設計間距等參數，進行交安實施模型的生成。合理選取軟件模型庫中標志牌結構模型，填寫版面信息，依照道路模型作為參考進行放置。最后在MicroStation中將立交模型和實景模型進行總裝，輸出到LumenRT軟件中賦予材質信息并添加車流后進行渲染，進而整體漫游展示。圖7為與實景融合的藍田南立交模型渲染效果。

圖7 與實景融合的藍田南立交模型渲染效果

4 BIM技術應用效果

相較于傳統二維設計手段，BIM技術的直觀性、可視性、準確性、功能性等優勢在本項目設計中得以充分體現。

4.1 路線方案可視化比選

隨著BIM技術發展，路線方案比選和設計也逐步由二維平面向三維實體轉變。通過BIM設計方案模型，能夠在同一場景下，直觀地實現不同方案對比，定義不同影響因素的權重以建立決策模型，快捷評估各備選方案，并通過各備選方案的優劣排序找出最佳方案。

4.2 碰撞檢查

立交信息模型能夠準確量測道路與周圍地物之間空間關系、道路凈空、凈寬等數據，并能通過預警功能及時發現設計過程中的差錯，實現碰撞檢查，保證設計質量。圖8為立交區設計錯誤核查示意。

圖8 立交區設計錯誤核查示意

4.3 客貨分流

為避免危險品車輛進入秦嶺終南山隧道，在設計過程中，提出客貨分流方案，為危險品車輛設置專用匝道。通過BIM設計，能夠清晰模擬出各種客貨分流方案，方便專家的決策和判讀。

4.4 視距分析

本例實現全線自動化逐樁視距核查，可選取任意路線段落，逐樁核查視距、平縱組合等問題，及時發現設計中的疏漏與隱患，大幅提高設計可靠度。根據《公路立體交叉細則》中主線距合流鼻端100 m，匝道距合流鼻端60 m形成通視三角形的規定進行端部視距核查，可視化分析視距，此項功能是傳統手段難以實現的。

5 結 語

通過BIM數字化建模，基礎模型不僅是幾何數據模型，還包括設計過程多目標協調所體現的信息，如規范符合性、設計連續性及交通安全影響等。BIM設計較二維設計在直觀性和圖紙算量準確性方面都有一定的優勢。

基于BIM技術能直觀展示設計內容，通過方案比選優化設計；利用碰撞檢查及時發現設計錯誤，保證設計質量；BIM模型為施工建造提供信息基礎，避免判讀二維圖紙容易出現的偏差，提高工程質量和施工效率，提升項目管理水平。

BIM技術的核心在于基礎數據的可傳遞性，使不同參與方進行信息交換，當前三維設計軟件尚無法完全實現BIM數據標準應用。公路行業缺乏明確而權威的BIM標準格式，建立完整標準體系，包括技術標準和實施標準，是目前行業內BIM技術發展的極大制約。