BIM技術(shù)在高速公路工程設計階段的應用研究

王 輝

BIM技術(shù)在高速公路工程設計階段的應用研究

王 輝

（廣西路建工程集團有限公司，廣西 南寧 530001）

當前，我國社會經(jīng)濟建設對道路工程質(zhì)量提出了更高的要求，不僅要求設計科學性以及合理性滿足道路使用要求，而且還需要滿足經(jīng)濟性要求，因此加大以BIM技術(shù)為代表的高新信息技術(shù)在工程各節(jié)段應用力度成為公路工程建筑主流發(fā)展趨向。基于此，文章針對BIM技術(shù)在高速公路工程設計階段的應用進行研究，希望對相關工作提供參考意見。

BIM技術(shù)；高速公路工程；工程設計

引言

隨著我國科學技術(shù)發(fā)展速度及水平不斷提升，以BIM技術(shù)為代表的高新信息技術(shù)被廣泛應用于我國社會經(jīng)濟建設過程中。尤其是BIM技術(shù)，通過其強大的信息處理能力，可以有效實現(xiàn)依托于建筑工程項目數(shù)據(jù)夠講相應的模型，并利用數(shù)字信息仿真技術(shù)對工程中真實信息進行直觀展露。工程設計階段作為整個工程的起始點，強化工程設計質(zhì)量是確保后續(xù)施工環(huán)節(jié)有序開展以及落實項目質(zhì)量要求的重要前提，通過利用BIM技術(shù)對工程設計階段提供必要的技術(shù)支持，為設計者提前發(fā)現(xiàn)設計漏洞并進行有針對性的優(yōu)化提供便利條件。現(xiàn)階段我國關于BIM技術(shù)相關研究尚存在較大發(fā)展空間，僅有部分重要高速公路中應用片面化的BIM技術(shù)，即主要依托于BIM平臺模型構(gòu)建模塊將二維圖紙轉(zhuǎn)化為三維模型，其主要應用目的也局限于相業(yè)主方展示，而非用于指導施工。因此，切實落實BIM技術(shù)的三維輔助設計、專業(yè)協(xié)同問題是當前建筑行業(yè)內(nèi)需要面臨的主要問題。

1 BIM技術(shù)應用概況

BIM技術(shù)的廣泛應用為品質(zhì)工程建設提供有利條件，同時工程質(zhì)量以及人員財產(chǎn)安全也得到有效保障，除此以外，BIM技術(shù)在實際應用過程中一定程度上可以提升工程風險抵御能力，確保工程高效有序開展。從當前實際發(fā)展角度分析，公路水運工程建設中應用BIM技術(shù)已經(jīng)成為發(fā)展主流趨勢，BIM技術(shù)的應用為公路水運建設工程步入新階段注入活力，在提升工程建設質(zhì)量的同時，也為民眾提供了更加安全、便捷的出行條件，為推動社會物資調(diào)運效率提供有力保障[1]。

通過對公路工程建設經(jīng)驗進行總結(jié)梳理可知，項目生命全周期涉及到建設單位、設計單位等眾多參與方，工程開展過程中產(chǎn)生的信息較為繁雜，如果未能建立完善的共同渠道，會導致生命周期部分數(shù)據(jù)丟失，極大地限制項目管理水平以及效率提升，對行業(yè)可持續(xù)發(fā)展目標也會造成不利影響。在工程全生命周期中應用BIM技術(shù)可以彌補傳統(tǒng)管理模式中信息碎片化、孤島效應等短板，同時依托于互聯(lián)網(wǎng)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建結(jié)構(gòu)完善、數(shù)據(jù)高度共享、施工管理可視化的項目管理體系實現(xiàn)以計劃、進度、費用、質(zhì)量、安全等管理信息動態(tài)驅(qū)動的多維度、多角度管理方式，實現(xiàn)對公路工程項目全生命周期的現(xiàn)代化、科學化、智能化、規(guī)范化、精細化管理[2]。

2 BIM技術(shù)應用特點

2.1 可視化建模

從BIM技術(shù)應用實際角度分析，可視化建模是該技術(shù)的核心優(yōu)勢之一，也是其得到廣泛推廣與應用的重要技術(shù)依托。BIM技術(shù)在實際應用過程中可以對公路設計階段涉及的路線、路面等多方面信息進行整合，隨后依據(jù)數(shù)據(jù)信息處理結(jié)果構(gòu)建相應的3D信息模型，有效解決傳統(tǒng)CAD圖紙難以對復雜三維形態(tài)進行表述的漏洞，同時可利用BIM技術(shù)將其轉(zhuǎn)化為可視化狀態(tài)，方便技術(shù)人員開展后續(xù)工作。除此以外，依托于BIM技術(shù)的施工體系在搜尋設計圖紙漏洞方面的效率也得到顯著提升，技術(shù)人員在實際工作中可直接針在BIM模型上進行相應修改，有效提升圖紙設計質(zhì)量以及工作效率，為保障工程質(zhì)量奠定堅實基礎。

2.2 工程量計算與分析精準化

通過BIM技術(shù)應用經(jīng)驗進行梳理總結(jié)可知，依托于BIM模型可以對工程公糧進行運算與統(tǒng)計，實際操作過程中，計算機設備可以對模型中構(gòu)件的幾何屬性信息進行識別與處理，并得出工程量統(tǒng)計表。工程管理者將模型以及實際工程量統(tǒng)計表進行橫向?qū)Ρ燃纯擅鞔_二者之間是否存在差異以及差異之處，隨后即可開展有針對性的核查，明確導致問題出現(xiàn)的原因[3]。以土石方工程量為例，作為工程預算以及結(jié)算階段的爭議點，技術(shù)人員可以利用BIM技術(shù)對土石方填挖方量進行精準、高效的計算，在提升計算速度的同時，降低因人為失誤導致的計算偏差，為項目成本管控目的達成提供有力保障。依據(jù)模型中的各類基礎要素信息，系統(tǒng)將自動對構(gòu)件進行統(tǒng)計分類，并依照用戶實際需求提供相應的工程量數(shù)據(jù)統(tǒng)計、計算等綜合體系，切實滿足項目開展在工程量檢索方面的各類要求。

2.3 多領域系統(tǒng)作業(yè)

依托于BIM技術(shù)的公路設計體系可以有效彌補傳統(tǒng)公路設計中客觀存在的短板，落實數(shù)據(jù)共享、信息互通、協(xié)同作業(yè)等目標，最大限度地提升工作效率及質(zhì)量。同時，依托于BIM技術(shù)的公路設計可以促使各項工作流程系統(tǒng)化，各部門之間協(xié)調(diào)性得以有效提升，工作效率也得到充分保障。

2.4 設計優(yōu)化性

從公路工程開展實際角度分析，設計階段存在較為顯著的周期長、任務重特征。設計者在實際工作過程中需要依據(jù)工程建設實際要求對方案進行調(diào)整，并最終形成科學、系統(tǒng)的設計方案，傳統(tǒng)CAD圖紙設計模式中，技術(shù)人員需要花費大量時間進行修改。而依托于BIM技術(shù)則可以利用公路工程三維動態(tài)效果圖及時發(fā)現(xiàn)設計中存在的問題，并根據(jù)實際情況進行實時調(diào)整，確保設計達到最優(yōu)。

2.5 停車視距檢驗

行車視距是評價公路設計和使用質(zhì)量的一個重要指標，它關系到車輛的安全。從本質(zhì)上講，停車視距是駕駛員在發(fā)現(xiàn)障礙物后，到達安全位置的最短距離。

目前，在道路施工中，車輛視距的設計一般都是從平面和縱向兩方面來進行。在工程實踐中，設計人員可以運用BIM技術(shù)建立道路的全方位區(qū)域可視化模型，并采用仿真實驗對汽車的運行狀況進行模擬，設定汽車在兩條單向車道的中間位置處，由該系統(tǒng)自動地求出駕駛員的視角與道路上的最大距離。通過這種方法，既可以及時地檢測出道路和道路的幾何形狀，也可以檢測出道路結(jié)構(gòu)對視線的阻礙，從而檢測出視線的距離。

2.6 碰撞檢查

考慮到公路工程施工流程較為繁雜，不同構(gòu)件在安裝設計中存在不同要求，這就對技術(shù)人員空間想象能力提出較高要求，進而實現(xiàn)規(guī)避因碰撞導致施工進度、質(zhì)量受影響的情況發(fā)生[5]。通過利用BIM技術(shù)可以有效降低因碰撞導致的施工事故以及質(zhì)量問題發(fā)生幾率。具體表現(xiàn)在以下方面。

第一，工程管理人員以及技術(shù)人員可以利用BIM模型對工程結(jié)構(gòu)內(nèi)容進行直觀展示，并在此過程中排除施工隱患。

第二，利用BIM技術(shù)進行碰撞測試，提高對公路工程結(jié)構(gòu)內(nèi)部的潛在碰撞風險的檢查效率，并采取相應的應對措施，將事故發(fā)生的概率降到最低，充分發(fā)揮工程防范功能，從而達到對設計圖紙進行審核，提高圖紙精度的目的。

第三，根據(jù)所觀察到的特征，及時地發(fā)現(xiàn)各構(gòu)件之間的矛盾和碰撞，并及時處理，避免在設計階段將錯誤傳達給項目的建設階段，造成工程返工，造成人力、物力和財力損失。

3 BIM應用軟件對比

現(xiàn)階段，市場上應用較為廣泛的BIM軟件主要有Bentley以及Autodesk兩種，其實際功能對比如表1所示。

表1 兩種軟件對比表

功能點AutodeskBentley優(yōu)勢方 數(shù)據(jù)互用多個格式統(tǒng)一Dgn格式Bentley 協(xié)同功能弱強Bentley 道路建模一般強Bentley 橋梁建模需二次開發(fā)中Bentley 二次開發(fā)強一般Autodesk 推廣、用戶數(shù)好一般Autodesk

依據(jù)表中信息可知，Bentley軟件除二次開發(fā)以及推廣方面弱于Autodesk，其他方面均具備較為顯著的優(yōu)勢。

4 BIM技術(shù)在高速公路設計階段的應用

4.1 方案比選

4.1.1 二維方案比選

由于工程項目的涉及因素較多，長度較長，因此工程技術(shù)人員可以利用BIM技術(shù)，根據(jù)衛(wèi)星地圖等制作出全線的二維貼圖，并與模型進行比對，利用計算機設備生成二維線性文檔，對新建線和現(xiàn)狀路等道路建設中的關鍵控制因子進行繪圖，以不同的色彩進行區(qū)別，然后使用LumenRT軟件進行繪圖，完成選線漫游的制作，完成整個設計線路的顯示，保證在平面漫游的視頻中，如線路等專業(yè)設計的內(nèi)容和要素能夠直觀的呈現(xiàn)出來，從而為設計者和業(yè)主清楚整個工程的總體方案提供便利條件。

4.1.2 三維方案比選

在公路工程設計階段，構(gòu)建BIM模型的首要工作即是建立數(shù)字地形模型（DTM），作為BIM模型以及真實地理地形相結(jié)合、分析的基礎保障環(huán)節(jié)，科學系統(tǒng)的DTM是提升BIM模型應用性的重要前提保障。技術(shù)人員在實際工作過程中需要首先利用無人機等設備獲取公路規(guī)劃段沿線地質(zhì)環(huán)境實際條件，并獲取相應的地形源數(shù)據(jù)，或在二維地形圖基礎上制作三維三角網(wǎng)模型，并依據(jù)實際情況對三角網(wǎng)離散點進行修正，最終生成三位數(shù)字地形模型，隨后通過剪切等二次處理，將三維路、橋、隧道等進行組合，對地形以及規(guī)劃方案進行實時分析，明確其優(yōu)缺點以及方案科學性，進而實現(xiàn)滿足三維分析比選的成效。

除此以外，技術(shù)人員在實際工作過程中還可以依托于GIS技術(shù)將真實地理數(shù)據(jù)融入模型之中，隨后通過通視分析、可視域分析等對BIM模型進行三維空間關系分析，對不同設計方案后續(xù)發(fā)展預測進行直觀展示，切實提升方案比選工作的直觀性以及前瞻性。

4.2 平、縱、橫斷面優(yōu)化

4.2.1 平縱曲線優(yōu)化

首先，按照線路設計師提供的平面圖資料，將其連同三維地質(zhì)模型一起引入到OpenRoads Designer中。三維地質(zhì)模型為工程平縱剖面的設計提供了真實、精確的資料，而在地質(zhì)模型中，線路縱剖面與三維地質(zhì)模型所抽取的地表線都在同一設計視圖中，使得設計者可以更清晰地了解沿設計縱剖面的地形變化[6]。此外，三維地質(zhì)建模中縱向和平面線之間總是存在著聯(lián)系和動態(tài)的變化，平面線的設計變更將會在相應的縱向上進行直接更新；在減少設計者修改設計方案的同時，增加了設計的可視化程度，改善了產(chǎn)品的質(zhì)量。

4.2.2 橫斷面優(yōu)化

設計人員在實際工作過程中還需要利用OpenRoads Designer軟件對橫斷面進行優(yōu)化，具體內(nèi)容涵蓋道路、橋梁等高速公路工程所有構(gòu)件參數(shù)化設計。設計者在實際工作中應注意依托于橫斷面各部件之間的幾何關系以及結(jié)構(gòu)約束條件實習那參數(shù)化設計目的，進而推動BIM模型生成速率，同時增設樹木、欄桿等三維實體，將最終設計方案效果直觀地展現(xiàn)出來，方便設計者進行優(yōu)化以及業(yè)主方明確工程內(nèi)容[7]。除此以外，技術(shù)人員在實際工作中需要依據(jù)橫斷面以及路基邊坡設置相應的邊坡約束條件，具體操作過程中，技術(shù)人員只需將相關參數(shù)輸入系統(tǒng)中，即可實現(xiàn)自動選擇邊坡形式以及比例的目的，這一工作環(huán)節(jié)不但有效降低了工作人員的工作量，同時更能提升數(shù)據(jù)的精準性。

4.3 施工組織設計優(yōu)化

從工程建設實際角度分析，高速公路工程開展過程中涵蓋立交互通、橋梁隧道等諸多分項工程，此類工程在實際開展過程中呈現(xiàn)出較為明顯的結(jié)構(gòu)設計、施工環(huán)境復雜的特征。因此，設計人員在實際工作過程中可利用BIM系統(tǒng)中的施工模擬功能對施工方案設計進行輔助，切實推動施工工序設置以及施工場地布置科學、合理、有序[8]。除此以外，依托于BIM系統(tǒng)仿真模擬對各階段施工設計進行預演可以有效確保施工人員明確工程重點以及自身職責內(nèi)容，還可以及時發(fā)現(xiàn)施工組織設計中存在安全隱患，并做出相應的應對方案，最大限度地保障施工作業(yè)各流程安全有序開展，同時更能為施工企業(yè)避免出現(xiàn)資源浪費現(xiàn)象，提升企業(yè)經(jīng)濟效益。

5 工程實例研究

5.1 案例概述

為具體說明BIM技術(shù)在公路設計中的應用價值，本文研究中選取實際案例進行具體說明。案例工程為某地區(qū)新建高速公路工程，技術(shù)人員采用雙向四車道設計，工程全長達到78.8 km，總投資額達到105億元，為保障工程設計質(zhì)量，技術(shù)人員決定利用BIM平臺輔助設計工作。

5.2 基于BIM技術(shù)的公路施工要點

5.2.1 協(xié)同管理

案例工程中，技術(shù)人員搭建基于BIM技術(shù)的協(xié)作平臺，可以清晰地劃分各參與方的工作職責、范圍和權(quán)限，與傳統(tǒng)的設計方式相比，BIM協(xié)同管理平臺極大地提高了工作效率，減少工作失誤，實現(xiàn)信息之間的多向交流，為智慧設計、智慧施工奠定了基礎。同時，設計人員利用MicroStation技術(shù)進行二次開發(fā)，建立了構(gòu)件編碼工具，對構(gòu)件模型進行了逐個編碼，把道路工程的設計、施工、構(gòu)件信息與各個專業(yè)的BIM模型連接起來，通過BIM＋GIS施工管理云平臺，對公路項目的成本、進度、質(zhì)量、安全等方面進行全方位管理。除此以外，技術(shù)人員利用三維PDF文件，將多種設計資料與文件移動端圖形文件相關聯(lián)，依托于項目的各個參與方，對項目的信息進行了補充和完善，從而實現(xiàn)項目信息在BIM系統(tǒng)中流通、傳輸，便于設計方與有關參與方之間的溝通。另外，在協(xié)同管理平臺上，技術(shù)人員將BIM模型與設計圖紙和相關文檔連接起來，對三維模型進行輕量化處理，并導入Navigator之中，現(xiàn)場施工提供便利條件支持，最大限度地保障工程質(zhì)量。多模式的傳遞變革傳統(tǒng)的信息流通方式，在提升數(shù)據(jù)使用效率方面發(fā)揮著重要作用。

5.2.2 施工模擬

案例工程中涵蓋橋梁項目，其總長度為1120 m，橋面寬度為11.75 m。大橋地處山區(qū)，地勢復雜，運輸和施工材料困難，該橋梁工程手橋墩高影響，采用了變截面箱梁橋設計，使得施工條件十分復雜。由此，技術(shù)人員決定利用BIM技術(shù)對公路項目的建設計劃進行合理性檢驗，并對項目設計進行相應修改。利用計算機進行施工仿真，對橋梁施工、現(xiàn)場設備和設備的配置進行了預演，確定了施工方案，避免了施工過程中多個工序的矛盾，并對施工中可能出現(xiàn)的問題進行分析，為確保橋梁工程現(xiàn)場施工有序開展，減少了后期施工風險提供必要保障。

5.2.3 工程量計算

傳統(tǒng)的工程量和成本核算方法，往往要花費大量的時間去熟悉和閱讀圖紙，依靠手工進行計算，從而造成工作時間過長，工作效率低下。為此，案例工程中技術(shù)人員根據(jù)設計圖紙，構(gòu)建道路工程的三維模型，該模型包含了各個專業(yè)的具體情況，通過軟件對數(shù)據(jù)進行集成，可以實現(xiàn)對所需要的工程量的精確計算，提高了計算的精度和效率，增加了計算的可靠性。運用BIM模型所產(chǎn)生的工程量進行工程成本核算，使工程造價更具科學性，更具科學性，也更具透明度，降低了工程的無謂浪費。

6 結(jié)束語

綜上所述，基于BIM技術(shù)憑借自身可視化建模、工程量計算與分析精準化、多領域系統(tǒng)作業(yè)以及設計優(yōu)化性等優(yōu)勢已經(jīng)得到眾多設計人員的青睞，并且已經(jīng)開始將技術(shù)應用于公路水運領域工程設計中。本文研究中針對BIM技術(shù)在高速公路工程設計中的應用主要集中表現(xiàn)在二維、三維方案比選，平縱橫斷面設計優(yōu)化以及施工組織設計方面，從實際應用結(jié)果層面分析，BIM技術(shù)在高速公路工程設計中具有重要意義。

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Study on the Application of BIM Technology in Expressway Engineering Design Stage

At present, China's social economic construction has put forward higher requirements for the quality of road engineering, which not only requires the scientific and rational design to meet the requirements of road use, but also needs to meet the economic requirements. Therefore, increasing the application of high-tech information technology represented by BIM technology in all sections of the project has become the mainstream development trend of expressway engineering construction. Based on this, this paper will study the application of BIM technology in the design stage of expressway engineering, and hope to provide reference for related work.

BIM technology; expressway engineering; engineering design

U412

A

1008-1151(2022)09-0028-03

2022-07-10

王輝，男，陜西渭南人，廣西路建工程集團有限公司工程師，從事交通工程建設與技術(shù)管理工作。