道路BIM 技術在設計領域的研發現狀分析與發展策略初探

楊明

（甘肅第一建設集團有限責任公司，甘肅 蘭州 730000）

近年來，BIM 技術與道路工程設計工作充分融合，不僅大幅提升了設計效率，同時也在一定程度上降低了設計人員的工作難度，這使得BIM 技術在道路工程建設領域的影響力不斷提升。但從當前BIM 技術在道路工程設計方面的實際應用情況來看，其設計應用領域拓展較慢，而且相當一部分優勢功能也未得到充分發揮。在當前道路工程整體設計難度逐漸提升的基礎上，進一步分析BIM 技術在道路工程設計中的應用情況有助于提升相關技術的應用水平。

1 設計行業與道路BIM 技術分析

1.1 BIM 技術給道路工程帶來的有利影響

從BIM 技術的性質上看，該技術及其所形成的相關系統屬于典型的工程建設工具，可同時在設計和管理2 方面發揮其優勢功能。對于道路工程設計工作而言，應用BIM 技術從基礎層面改變了傳統的設計理念和設計方法，打破了傳統道路工程設計工作以二維平面作業為主的形式，各設計環節相關工作也都基于BIM 技術的功能特點進行調整，很大程度上推動整個道路工程設計工作向數字化與信息化發展[1]；其次，BIM 技術具有較強的先進性特征，既往設計工作中，設計人員在進行不同方向的設計時往往需要使用較多獨立的平面圖紙，而BIM 技術條件下的道路工程設計工作則以統一的立體模型為主，不同方向的設計工作均可在同一立體模型上完成，該模型能夠根據不同設計需求展示和調整所有的設計參數，這不僅提升了設計效率和設計進度，也在很大程度上降低了設計工作難度[2]；最后，道路工程設計工作涉及不同設計部門，應用BIM 技術可展開道路工程協同設計，這改變了傳統設計模式下各設計部門獨立作戰的情況，各設計部門均可在統一的系統內互相了解相應的設計內容，最大限度保障了不同設計內容的兼容性和匹配性。

1.2 設計工作中道路BIM 技術應用模式

對于道路工程而言，設計工作、施工工作、后期運維管理工作都是影響工程運行質量的重要內容。設計工作包含的各分支內容比較多，包括方案研究（可行性分析）、初期設計、施工設計、施工組織協調設計等。初期設計內容包含平面設計、橫縱斷面設計、各類交叉設計、管線設計等，而施工設計中又涉及各類施工技術分析以及技術重點。BIM 技術在道路工程設計工作中應用范圍相對較廣，由于BIM 系統能夠容納的設計內容極多，幾乎所有設計工作和設計內容都可在統一的BIM 系統模型中進行，因此應用BIM 技術開展道路工程設計工作，本質是各類道路工程設計參數整合形成BIM 數據模型的過程[3]。

2 道路BIM 技術在設計領域的研發應用現狀

2.1 建立道路信息模型

應用BIM 技術進行道路工程設計時，構建相應的道路信息模型是基礎工作。當前，道路信息模型主要由各類地形數據和幾何參數構成，模型單元包括3 類常見構造物，分別為道路、橋梁及隧道，而構造物又分為相應的結構組成和功能組成部分，結構組成中包括路面、路基等，而功能組成部分包括交通標志、排水系統、照明系統、綠化系統等。以某道路工程為例，該工程全長37.2 km，公路寬度為35.5 m，高程范圍為24～49 m。以本工程中部分線路設計為例，此部分全部為道路工程，無橋梁隧道。在利用BIM 技術構建道路信息模型時，首先基于地形點和高等線來繪制地形曲面圖[4]。根據實際需求構建2 條不同類型的道路，其中，1 號道路全長3 427 m，共有5 個平曲線，最長直線距離為310 m，最大縱坡度為3.95%；而2 號道路全長3 4 9 1 m，共有6 個平曲線，最長直線距離440 m，最大縱坡度為4.07%。基于系統內置線型比選模塊分別對2 條線路的成本、安全性、施工影響及人性化這4 大模塊進行對比分析，共包含對比因素16 項，錄入相關參數后，由系統自動計算各項加權平均值，并計算總值，結合數據結果敲定具體設計方案，選定相關設計方案后，將具體施工參數錄入，并結合該模型進行施工模擬，結合模型模擬結果，調整施工設計方案并進行模型渲染，獲取仿真工程模擬效果圖[5]。上述流程是構建道路信息模型的標準流程，代表了BIM技術在該方向的應用現狀。

2.2 行車視距分析

當前應用BIM 技術進行道路工程設計時可充分使用系統中的四棱臺模塊進行行車視距分析。停車視距是行車視距參數中較為重要的內容，相關道路設計方案必須符合國家對此類道路停車秩序的相關要求。在進行驗證的過程中，可充分利用BIM 技術的道路模型，基于四棱臺模塊和通視功能來計算當前設計參數下的停車視距。在道路模型基礎上選擇不同車道明確視點位置，用四棱臺模塊向前投影，根據視線三角面覆蓋情況來計算停車距離（如圖1 所示）。以某高速公路工程為例，其設計時速為120 km/h，停車視距為反應形式距離、汽車制動距離及安全距離三者之和，根據通視四棱臺模塊模擬所得數據得出其反應距離為89.5 m（取最高設計時速85%為行車速度），汽車全力殺停制動距離為38 m，安全距離取7 m，最終計算得出，該道路設計參數下停車視距為134.5 m，該數值小于此類高速公路210 m 的安全停車視距要求，設計參數合理[6]。

圖1 通視四棱臺視覺范圍覆蓋面

2.3 景觀環境分析

景觀環境相關內容是道路工程的重要組成部分，它不僅起到了綠化美觀作用，而且也與行車安全息息相關。駕駛員在車內以移動狀態向外觀察環境景觀時，駕駛員所觀察到的視圖也在不斷變化，因此植物綠化景觀和其他相應的環境景觀在布設過程中應避免在某些情況下引發視覺風險[7]。BIM 技術所構建的三維模型能夠以不同視角來進行動態觀察，當前在道路工程設計過程中，可以基于當前設計參數，依托三維模型來進行漫游觀察，設置不同的行駛速度，以不同視角觀察當前環境景觀，明確是否存在視線遮擋、影像重復等不利于行車安全的情況，通過動態調整相應的環境景觀布設參數消除可能影響行駛安全的各類問題。此外該技術還能夠在多景觀環境布設方案中進行優選，以真實的行車視角或靜態視角來明確不同設計方案的優劣[8]。

2.4 全景漫游

全景漫游是BIM 技術在道路工程設計中的另一重要功能。全景漫游能夠依托各項設計數據建立的BIM三維立體模型來進行靜態、動態和多視角演示，該功能在道路工程設計方案、優選優化、工程設計匯報展示、技術交底以及安全性分析等多領域有重要作用。傳統二維平面設計模式下圖紙能夠展示的信息相對較少，各方人員只能通過當前某一視角對設計方案進行審視觀察，而利用三維全景漫游技術，則可以從各個位置以各種視角、各種速度來審視設計內容，而且在模型中還可以添加各種不同的影響因素，例如在安全性分析過程中，除了能夠模擬不同車速條件，還可以通過天氣系統來模擬雨雪天氣或強光照射條件，這些都能夠進一步幫助設計人員明確當前道路設計方案中的不利安全因素[9]。以某道路工程為例，在進行全景漫游分析的過程中發現當前設計方案中存在的問題。某位置隧道群前方較短距離內存在長為270 m 的小半徑曲線道路，該道路設計時速為80～120 km/h，當車輛行駛速度高于100 km/h 時，駕駛員安全剎車反應時間較短（小于2 s），研究后選擇增大平曲線半徑的方式解決這一問題，將該曲線道路長度增至350 m 后成功消除這一安全隱患。全景漫游可在道路工程設計的多方面發揮作用，當前這一功能應用范圍也比較廣泛[10]。

3 道路BIM 技術在設計領域應用時存在的具體問題

雖然當前BIM 技術已經在道路工程設計過程中有較為廣泛的應用，但在部分領域應用深度明顯不足，可用功能尚不完善，這其中較為明顯的包括以下4 個方面：①不具備完善的路基安全性分析功能，無法結合設計參數對路基安全性作出輔助判斷；②路線安全性分析功能尚不完整，尤其是缺乏路線通行能力的分析功能；③當前絕大多數道路工程設計工作并沒有在交通安全設計方面重點應用BIM 技術，無法有效借助BIM 技術形成的仿真模型來對各類影響交通安全的不利因素進行分析；④當前道路工程設計工作中道路BIM 技術普遍不具備違規提示功能，少數能夠進行違規提示的系統，可提示的信息相對較少，而且缺乏動態更新功能，無法根據規范要求變化而進行動態調整。

4 道路BIM 技術在設計領域應用的策略

4.1 進一步完善路基安全性分析模塊

路基安全性分析模塊在發展過程中應重視以下3方面的分析功能：①結合道路排水系統設計參數而進行排水能力分析功能。構建該模塊能夠結合當地降水量情況模擬極端降水情況下當前排水系統是否有積水風險。②邊坡預警功能。構建該模塊能夠依托當前坡率參數、邊坡土體摩擦系數等數據分析一系列邊坡失穩的情況，并結合相關信息設計更為安全的邊坡處理模式和邊坡體系。③短路基預警。由于短路基路面施工難度相對較大，需要采取不同的填料和碾壓形式，構建該模塊能夠結合設計參數明確標注所有短路基，保障施工技術應用到位，提升工程建設質量。

4.2 增加路線安全性分析模塊

線路安全性分析模塊主要作用是分析道路通行能力。在這一模塊構建過程中，可充分增加可選影響因素，全方位考慮天氣因素、路面因素、交規因素及其他人為或自然因素。例如相關模塊可通過增加天氣影響因素、光線影響因素、路面影響因素等，充分分析不同情況下道路車輛運行承載能力，根據平均行駛速度及單位時間內車輛通行量等數據來繪制當前設計條件下道路通行能力曲線，對于承載能力相對較低的路段進行多因素分析，明確造成該問題的原因后，進行針對性設計調整。

4.3 完善交通安全分析模塊

交通安全分析模塊中應包含排水能力檢測系統、邊坡預警系統及短路基預警系統。排水能力檢測系統應具備結合排水系統相關設計參數自動化分析排水系統可承載的最大降水量的功能，通過模擬某一條件下單位時間內降水量來了解該排水系統是否存在積水問題，同時對排水能力不足的部位進行設計調整。邊坡預警模塊應具備被動參數信息搜集分析及主動信息獲取請求2 方面功能，保障該模塊既能夠主動搜集設計參數中與邊坡失穩相關的參數，同時也能夠主動提示錄入欠缺的邊坡參數信息，分析明確當前設計條件下，是否存在邊坡失穩風險。短路基預警模塊應具備結合設計參數分析本線路內短路基數量和短路基位置的功能，明確顯示所有短路基信息，為各工作人員提供準確的信息參數。

5 結束語

本文對道路工程設計工作中BMI 技術的應用發展情況進行了詳細分析，明確了相應的技術內容，并對當前應用過程中存在的問題及發展策略進行了論述，希望相關內容能夠推動中國道路工程設計現代化發展，提高BMI 技術在道路工程設計領域的應用水平。