BIM 技術在道路設計中的應用

李鼎夫　李旭彪

【摘 要】BIM技術在傳統的建筑行業中應用的越來越多。然而，在中國的道路設計行業，BIM技術的在實際工程中的運用仍處于初級階段。文章介紹在數字科技發展的基礎上，對BIM在設計方案優化、模擬施工、數據交互、提高施工效率，資源節約等方面的實際應用進行了相關研究，為實現道路建設項目各參與單位數據共享，提高設計施工和資源利用的效率，為下階段決策提供支持而構建的全過程信息模型。

【關鍵詞】道路工程; BIM; 模型; 數據共享; 技術路線

【中圖分類號】TU391.99【文獻標志碼】A

BIM是Building Information Modeling的縮寫，在國內翻譯為建筑信息模型[1]，利用計算機數據手段建立包含各種工程信息的三維建筑模型，產生于1975年。在20世紀90年代由于計算機技術的普及和發展BIM技術也因此被越來越多的人所熟悉。2002年后，它與Revit概念促進更廣泛的應用。BIM技術具有協同、可視化、優化和仿真等特點[2]。BIM技術在市政道路設計中的應用可以有效地避免實際施工與設計不一致的情況，極大地提高了設計速度和正確率。

1 BIM 技術的概念及特點分析

BIM技術被人們稱為建筑信息模型，是一種新型的數字信息技術方法[3]，在道路設計中的應用主要體現在對項目功能的直觀呈現和工程主體的三維化表示上并且建立三維的數字模擬模型。BIM技術可以儲存道路工程項目的相關技術參數，詳細地描述工程的各種信息，并包含豐富的工程數據參數。BIM技術構建了一個數據資源龐大、數字化程度很高的數字信息模型[4]。BIM技術還被用來模擬工程的數字模擬模型，實現工程數據的跨平臺傳輸和共享的建設。BIM技術具有信息完整性、三維參數化和開放交互性等特點。BIM技術的信息全面性表明，BIM技術可以通過輸入各種相關工程參數來建立數字信息模擬單元，用數字表示道路工程的路基、路面和擋土墻等結構單元，以完成道路和其附屬工程三維數字模型的建立。BIM技術的三維數字化是指建立與道路及其附屬工程有關數據的數字三維模擬模型，并進行相應的模擬和數字分析。BIM技術的完整性意味著BIM技術可以實現對建設工程設計中結構關系的描述，能夠描述和表達建設材料、對象、工程體量和結構關系的所有信息[5]。

2 BIM應用在道路設計中的作用及優勢

2.1 充分表達設計意圖

通過BIM技術建立的可實現的三維數字模型，避免了傳統的二維CAD技術在設計前期以及設計過程中的不足[6]。將BIM技術應用在道路設計中，可以直接在設計的第一階段對道路設計完成后的效果有一個立體的了解，可以對設計過程中的細節控制有全面的把控。在BIM技術的實際應用中，BIM技術可以在設計的整個過程中對設計細節更好的把控，更明了的表達設計者的設計理念。

2.2 模擬分析能力顯著

BIM的主要作用是利用信息技術來提高整個建筑行業的生產效率。BIM具有對數字信息的獲得、信息的傳輸、信息的處理、信息的使用和信息的共享等功能，其工程項目數據信息不是單一存在的，而是一個自粗到細的、有邏輯的、大型的數據網絡綜合處理系統。BIM技術可以在道路設計階段直觀地了解道路工程設計成果的實時狀態，極大地幫助設計人員發現道路設計中所忽略的細節， 并以此為依據調整設計圖并可以模擬和分析道路在實際運作環境下的表現[7]。

2.3 有較高精確協調性

在道路工程設計中，傳統的二維設計模式雖然在道路上能起到一定的作用，但條件不足，適應性不好。當道路條件較差，道路波動較大時，很難準確估計道路工程量，容易產生較大誤差，影響道路建設[8]。與BIM技術結合是改變整個建設行業的關鍵點。 BIM技術可以對過去建設行業松散的管理模式和信息傳遞不及時的狀態帶來改善，構建數字化信息模型協調平臺提高設計施工的效率。

3 BIM 技術的應用分析

3.1 應用現狀

發達國家在BIM的應用上逐漸加深。在歐洲，BIM在基礎設施設計方案中的運用越來越廣泛。基于BIM的3D CAD技術也已成為日本政府信息化推廣計劃中的重要部分。隨著國際交流的日益頻繁，中國許多知名的設計院也已將BIM建模作為大型道路建設項目中不可缺少的重要環節。但是，與那些國家相比我們在應用的深度和廣度上，以及接受度上還存在較大的差距。雖然在道路設計領域我們進行了不斷的嘗試，但尚未達到與發達國家相應的應用水平。

3.2 切合國際標準

目前，我國各個設計公司使用的BIM軟件種類很多，每個軟件都有不同的界面和插件系統，難以互相溝通。行業需要選擇廣泛適用的BIM軟件，統一項目成果輸出格式和應用標準。 對于市政道路新建與改擴建設計過程中與現有市政管線的沖突，設計和規劃部門迫切需要BIM軟件來對復雜的地下管線系統進行避讓與管理。 同時，道路設計對地形特征等數據的準確性提出了更高的要求[9]，可以提高BIM技術的兼容性，并可以與地理信息系統很好地結合。

4 道路BIM模型設計技術路線

4.1 道路構件結構樹的建立

BIM系統結構樹的建立，離不開道路各個組成結構模型的支撐。有了這些模塊化的構件，可以使建模工作化繁為簡，提高工作效率，而且可以對道路項目全壽命周期內的相關信息進行檢索，提高信息管理和使用效率。

建立結構樹的主要方法是將道路工程中不同構件進行分類。 可以將道路工程的結構構件劃分為4層：第一層根據不同的地質，地形來劃分;第二層根據不同構件的細化功能組合劃分; 第三層根據不同組合的工程量劃分; 第四層根據實際建模要求將組件精煉為單元，并完成結構樹的構建。

4.2 道路BIM設計技術路線

開展道路BIM設計主要包括道路信息模型的建立和對建立后模型信息的應用兩個任務。基于BIM環境的道路設計，首項工作是建立三維地面模型。道路設計過程中點多線長，因此對地形數據的使用較為頻繁。BIM軟件應該對多種類型的測繪數據兼容支持多類型測繪數據建模。其次，BIM軟件應該具備對測繪數據進行匯水路徑分析、高程構網分析等的初步分析能力，并豐富三維展示的形式。

當前，最具前景的技術是地形地物模型實景生成技術，這一技術不僅可還原真實的地形特征還可以對地面構筑物的輪廓和尺寸數據進行詳細展現，對真實世界的還原性較高。

用BIM進行建模的關鍵在于參數化的設計，一般可理解為參數化構件和參數化修改。無論是工程整體BIM模型還是構件模型都采用面向對象的設計方法，對象通過參數所代表的信息反映。參數化修改即對象之間的幾何約束和工程約束，幾何約束又包括結構約束和尺寸約束。結構約束是指幾何元素之間的拓撲約束關系，如平行、垂直、相切、對稱等;尺寸約束則是通過尺寸標注表示的約束，如距離尺寸、角度尺寸、半徑尺寸等。工程約束是指尺寸之間的約束關系，通過定義尺寸變量及它們之間在數值上和邏輯上的關系來表示。

整體工程BIM模型和組件模型均采用面向對象的設計方法，并且對象由參數話的信息進行反映。 參數修改是指對象之間的幾何約束和工程約束的修改，幾何約束包括結構約束和尺寸約束。 結構約束是指幾何元素之間的拓撲約束，例如平行、對稱、相切、垂直等;尺寸約束是指通過尺寸表示的約束，例如距離尺寸、半徑尺寸和角度尺寸。 工程約束是指不同尺寸之間通過定義尺寸變量及其數值和邏輯關系來表示的約束。

5 BIM在工程應用中存在的問題及解決方法

建設項目涉及到許多不同的領域，相關的工程專業知識的差別使BIM建模平臺很難統一。各個BIM建模平臺的數據結構和數據格式存在很大差異，跨平臺的數據交換和數據共享存在很大問題[10]。現有的國外BIM軟件本土化程度不高，尚無一款BIM軟件可完全適應國內道路設計環境。 與此同時，道路工程的設計需要多種不同的軟件協同使用，如設計，繪圖和計算，這些軟件專業性強，數據結構和數據格式不同，難以融入大型BIM系統。解決方法是：相關部門牽頭行動制定關于BIM的國家標準和統一技術規范，解決各平臺間數據交換和數據共享的問題。

6 結論

由于計算機信息技術的發展，BIM技術是建筑信息化進程中一個重要的進展。把建筑技術提高到一個新的層次，完善建設管理信息化，提高工程效率。相信在各參建方的共同努力下，BIM技術在中國建設信息化的進程中將會扮演重要的角色。BIM技術在道路設計中的使用是工程設計領域的重大進步[11]。對于在新建或改擴建道路設計項目中新建構造物與原有構造物及管線沖突的問題，急需規劃和設計管理部門也應用BIM軟件對各種相關設施進行統一協調管理。同時道路設計對測繪數據的精確性要求較高，可以將BIM軟件在兼容性上進行升級，能夠與GIS技術相互兼容。在可預見的未來，道路設計與BIM技術的結合不可避免，因此，有必要在現有工作中加強BIM技術的應用，推動中國建設信息化和智能化的進一步提高和發展。

參考文獻

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[11]李想.BIM 技術在山區道路設計中的應用研究[J].四川建材，2016（3）;80-81.

[定稿日期]2021-01-20

[作者簡介]李鼎夫（1993～），男，碩士，工程師，從事道路設計工作。