BIM技術在公路勘測設計中的應用分析

辛力

（中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江杭州311122）

0 引言

BIM 技術即建筑信息模型，是建筑工程領域的新興技術，其以數字化仿真建模為基礎，具有出圖可視化、模擬性、協調性等諸多優勢，并且能搭載三維數字化技術、三維協同技術，可有效提升工程設計的精準性、效率，可從工程全生命周期角度對勘測設計實現精準控制。進一步推廣BIM 技術在公路勘測設計中的應用，對提升公路勘測設計水平有重要的現實意義。

1 BIM 技術概述

BIM 是建筑信息模型（Building Information Modeling）英文首字母的縮寫，為建筑工程領域新興技術手段，其主要技術內容包括三維圖形、構造物相關電腦輔助設計、物件導向等，目前其在提高設計效率、設計效果以及輔助工程管理方面發揮的作用與價值得到了世界范圍內的認可。在公路工程中應用BIM 技術，可將設計、施工直至工程拆除的整個生命周期內的信息匯總整合，構建起三維模型信息數據庫，便于各個部門協同工作、全面了解工程狀態，有助于高效工作、減少資源浪費、節約成本等，對公路行業的可持續發展有重要意義。單純從設計角度來講，其改變了傳統的設計形式，可通過三維建模與數字化技術的配合，構建起具有工程幾何信息、狀態信息以及專業屬性的仿真模型，集成化顯示信息，可供設計環節中各個主體在同一平臺上完成信息的交換、共享、交流[1]。

目前，在具體應用實踐中，BIM 技術主要呈現出以下特點：第一，可視化，即“所見所得”形式。在工程領域，可視化的運用具有重要價值，其在設計中的應用價值更為突出，能夠改變傳統以繪制線條形式表達設計意圖的模式，可直接給出立體化設計效果，無需再自行想象；且與傳統的設計效果圖相比，BIM 技術提供的三維立體可視化模型能夠顯示構件的大小、顏色、位置等多元信息，并且可在模型上直接編輯，可增強構件之間的反饋性與互動性，能夠實現整個設計過程可視化。第二，協調性。為確保設計方案的科學性、合理性，減少后續施工期間的設計變更問題，設計過程中建設單位、施工單位需協調配合，當遇到重點、難點時需要各單位協調解決、處理，探究最合適的辦法，其中設計過程中更容易發生專業碰撞問題，BIM技術可提供協調性服務，專門對各專業設計期間碰撞問題進行處理與協調[2]。第三，模擬性。BIM 技術并非只能進行三維數字化模型構建，模擬項目建設情況，其也能模擬出真實世界中的事物變化，如日照模擬、節能模擬等，更有利于優化設計，方便指導施工，可加強施工環節的成本控制。第四，優化性。工程項目設計是一個不斷優化的過程，在BIM 技術的支持下，能更好地進行優化設計。BIM 技術能夠提供準確的信息，如幾何信息、規則信息、物理信息等，遇到設計內容復雜度較高的情況，可利用其他科學技術或設備作輔助，幫助設計人員掌握更多自身能力范疇外的信息，進而降低設計工作難度。

2 BIM 技術在公路勘測設計各階段的應用

2.1 實現協同設計目標

在公路勘察設計中利用BIM 技術可實現虛擬環境選線，便于專家團隊、建設單位、監理單位同時參與，高效、協調完成設計目標。在第4 代勘測激光掃描技術的支持下，與BIM 技術相關的三維交互技術愈發成熟，能夠建立起更完善的數據庫。因此，在公路選線等環節可基于技術應用層面完善三維模型。在初期設計階段，需要通過勘測獲取施工場地的基本地形、地貌信息，并借助機載激光掃描或車載技術將數據匯總到BIM 數據庫內，構建起三維模型，模擬施工場地內的實際情況并進行分析，再將空間信息疊加，整個過程中，建設單位、監理單位可同時獲得信息，并根據公路建設需要提出完善、優化、整改設計的建議。形成初步設計方案后，則可引入專家系統，通過技術與經濟兩個層面的約束，分析設計的合理性，并且BIM 技術平臺可提供檢查、查詢及實時修改線位等功能，將各個主體的想法、需求等疊加，以便設計單位更全面地了解公路項目的建設目標，對設計進行優化。在此過程中，BIM 技術平臺還能協助各方完成實時動態協同設計，支持實時傳遞信息、快速訪問，提高審核效率，進而提升設計工作整體效率[3]。

2.2 展示可視化模型

傳統的公路勘測設計中多利用AutoCAD 軟件繪制二維平面圖，雖然能設計出剖切圖及立面圖，但整體缺乏立體性，不方便展示整體效果，且失誤率高，在設計方案應用過程中，還需要進一步與施工現場實際情況進行比對，浪費時間與成本。而BIM 技術在公路勘測設計中的應用，不僅能夠完善三維仿真立體建模，也能夠實現正向設計，展示可視化設計模型如圖1所示，便于建設單位等了解設計方案的整體效果。同時，整個設計過程便于控制，保證設計決策從工程整體出發，從而使設計方案更加科學、可靠[4]。此外，在勘測環節也可利用無人機傾斜設計技術構建起可視化三維地質建模平臺，還原地上、地下真實場景，為設計提供更直觀、更可靠的依據，減少設計中的沖突。

圖1 可視化設計模型

2.3 詳細比較設計方案

公路勘察設計具有專業性特征，對從業人員的專業技術能力要求較高，但個體之間的能力無法統一，綜合素質、設計理念上也存在一定差異，導致相同設計要求下，不同設計人員給出的設計方案不同，其中不乏遺漏重要信息內容的現象，且從經濟可行性、技術可行性的角度來講，也需要對多個設計方案進行評估，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，但在細節的對比上多依靠經驗或主觀判斷，或存在評判指標單一等情況，難以保證方案評選的客觀性。而利用BIM 技術平臺有機結合三維數字模型、GIS 三維智能選線技術，則可以嚴格按照公路規劃建設要求進行路線方案的對比與評估，從而幫助建設單位選擇最佳設計方案。同時，在方案評比過程中，BIM 技術平臺能夠自動完成立體模型深度分析及三維平縱定線分析，自動篩選出較高價值的路線，再利用人工智能算法，在公路建設中提出的各種限制條件上，自動優化目標函數[5]。

2.4 碰撞檢查可靠

公路工程的線性特點十分突出，但由于線路分散，情況十分復雜，導致勘測設計中經常出現設計文件與圖表不一致的情況，需要設計人員反復校核，處理誤差。但在BIM 技術平臺上，依托數字化三維模型，可完成不同展業對象的碰撞檢查，能夠快速查找誤差與錯誤，及時對設計參數與內容進行調整。例如，在公路工程中立交橋部分設計過程中，鋼筋鋼束經常發生沖突，而利用BIM 技術進行碰撞檢查，則能準確判斷有無沖突及沖突的具體位置。檢查中需根據技術參數構建起三維模型圖，即采用Revit 鋼筋族庫完成普通鋼筋鋼束模型創建，對不同類型鋼筋標記不同色彩，加以區分。點開鋼筋約束后，設計過程中鋼筋位置不會產生沖突，即在相同位置同時設置鋼筋，平臺會自動調整位置并進行提示，提醒此處已設置鋼筋，并且可自動約束，在縱橫交錯的箍筋中，里面箍筋禁止被移動到外面，根據軟件給出的規則進行檢查，再將模型調整為可視狀態，勾選不阻擋呈現，則可將鋼筋鋼束實體呈現出來，利用navisworks 再次進行碰撞檢測，則可更清晰地體現碰撞點，及時修改即可[6]。

2.5 實現模型出圖交付

以往，在公路勘測設計中，通常以二維圖紙形式交付設計文件，此方式存在局限，不便于項目的實施。而BIM 技術不僅可以交付二維圖紙，也可交付三維數字模型，為項目實施提供更直觀的依據。數字化三維模型中有公路工程構件或非構件的狀態信息，可用于設計審核、施工方案模擬、施工交底等多個環節，更方便業主了解設計情況、工程預期效果，也可應用到后期的運營監管中，還能增加工程后期養護、維修、改擴建信息，可為重大決策提供關鍵性數據信息，提高公路勘測設計的使用效果。

3 應用案例

3.1 工程概況

某地新建高速公路工程，施工段長度為8.5km，途經城鎮，設計公路時速為120km/h，路基總寬度為33.5m；該施工段內存在4 處互通式立交，涉及37 座高架橋施工，且施工時需預留出遠期綜合管廊，經現場勘測已基本明確布設條件。但從工程整體情況來看，拆遷難度大，規劃中要求保存周圍景觀，鑒于該設計的復雜性，選擇借助BIM 技術進行勘測設計，需要使用Bentley、Micro Station、Project Wise、Context Capture 等軟件搭建三維模型平臺，完成項目協同管理。

3.2 BIM 技術的實際應用

3.2.1 在勘測環節的應用

BIM 技術聯合其他設計軟件，可在相同環境下協調完成同一項目的多個任務，如匯總與編輯原始地形地貌勘測數據、勘測設計工程原始地形，實現地面實景構建等。具體來講，結合Context Capture 軟件，可基于布設的102 個高精度像控制點完成公路全線三維實景模型構建，將模型精度控制在1∶2000，再通過三維激光掃描則可在BIM 技術平臺上還原真實場景，再疊合地質勘探數據，則可高精度構建三維地層分布模型，確保相關單位全面、準確地掌握現場勘測結果。

3.2.2 在設計環節的應用

（1）建模

基于三維建模，可在模型中反饋出道路中地下、地上管線布設情況以及已有交通設施情況，各專業組基于Project Wise 平臺協同完成設計工作；結合Power Civil 軟件，可設計公路路線、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場情況復雜的區域，可在可視化下完成設計方案分析，及時優化設計方案。同時，可在此基礎上結合路線，優化管廊布設，這樣能夠減少管廊施工中的干擾因素。最后利用LumenRT 動態展示三維數字化模型，便可更清晰地體現出工程的拆遷量。

（2）工程量計算

公路工程中的曲面公路及曲面間土方量計算通常為工程量的計算難點，在BIM 技術的支持下，可以更合理地運用復合體積法、平均斷面法展開計算，因BIM 技術平臺能夠生成準確的土方調配圖表，動態展示土壤的移動方向，客觀的給出集體填挖距離，從而可以更準確地計算出施工量與所需工料。

（3）評審

該項目對勘測設計的要求較高，增加了設計流程的復雜性，使用CAD 無法客觀、準確地評比方案，且無法實現各利益方共同參與評比。而通過Project Wise 平臺則可實現多方協同完成方案評比工作。設計人員只需將設計模型及數據文件上傳至平臺，在便攜客戶端，建設單位、監理單位、施工單位可基于相同的文件數據了解方案內容，且從信息安全角度考慮，平臺上仍有其他不具備方案評比權限的主體，可設置權限驗證或賦予權限，保證僅有具備參與評比資質的主體能夠獲得進入權限。

（4）生成設計圖

通過BIM 技術完成公路設計后，參考TK 圖框、使用數據快捷鍵，則可自動生成設計圖，簡化出圖流程，此環節能節約大量時間，且圖紙均借助相同圖例，減少設計過程中對大量重復數據的處理，也可根據需要生成無數個設計草圖，而修改中僅對施工模型上的參數進行更改，便可實現數據庫內所有設計圖中該項數據的更新。

（5）多領域協作、優化

完成公路設計后，為協調其他專業項目的設計，各專業項目可利用協同平臺在統一的路線、土方量、橫縱斷面等數據信息基礎上完成設計工作，確保設計基礎信息數據的一致性，減少專業項目設計中的沖突。

（6）統一出圖

設計工作整體結束后，出圖應按照統一的標準進行，避免因設計信息不一致，為其他專業項目設計與后續更改圖紙帶來不便。

3.2.3 BIM 技術應用效果

在該項目勘測設計中，由于公路途經城鎮，工程設計更加復雜，基于BIM 技術提供的地形、地貌實景圖，能夠更具針對性地設計不同部分的施工方法，便于指導高效、靈活施工方案的編制，且設計期間協調各主體的參與，對設計方案進行全方位的調整與優化，能使設計工作高效進行。即使涉及設計內容調整，在三維數字化模型上完成數據與信息編輯則可完成整個數據庫內的同步更新，能夠減少諸多不必要的麻煩，顯著提高設計效率。

4 結語

綜上所述，BIM 技術在公路勘測設計中的應用有重大價值，其通過三維數字模型便可實現可視化設計，能夠更全面、立體地展現設計效果，以便及時發現設計中存在的沖突、錯誤等，且基于多方協調，能夠更科學、合理地優化設計，確保獲得最佳設計方案，進而提高設計質量與效果，為公路項目順利實施奠定堅實基礎。