公路工程設計BIM系統(tǒng)在公路工程設計階段的應用

摘要：針對目前國內(nèi)公路工程領(lǐng)域所使用的主流BIM軟件均由國外軟件平臺提供這一現(xiàn)狀，以寧夏地區(qū)烏瑪高速公路項目為例，展開公路工程設計BIM系統(tǒng)在公路工程設計階段的應用研究，以期為國產(chǎn)BIM軟件在國內(nèi)的推廣與應用提供參考，促進BIM技術(shù)在公路工程領(lǐng)域的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：BIM； 公路工程； 國產(chǎn)BIM軟件

中國分類號：U412.6A

［定稿日期］2022-05-09

［基金項目］寧夏自治區(qū)重點研發(fā)課題（項目編號：2022BEG02017）

［作者簡介］黃單豐（1995—），男，碩士，研究方向為公路工程BIM技術(shù)。

0 引言

BIM（建筑信息模型）技術(shù)作為CAD之后工程技術(shù)的第二次革命，促進了公路工程設計從二維向三維的轉(zhuǎn)變，是推進公路工程行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵技術(shù)，利用BIM技術(shù)進行公路工程建設勢必成為未來公路工程發(fā)展的主流。而BIM軟件作為BIM技術(shù)實現(xiàn)的工具，對推動BIM技術(shù)的發(fā)展上有著重要的意義。目前國內(nèi)主流的BIM軟件主要由Autodesk、Bentley 及Dassault 3家平臺提供，這些軟件在國外有較好的搭載平臺，兼容性高，功能發(fā)展也較為成熟，但是卻不是很適合國內(nèi)工程行業(yè)設計的習慣及標準［1］。公路工程設計BIM系統(tǒng)是上海同豪土木工程咨詢有限公司和云南省交通規(guī)劃設計研究院聯(lián)合自主研發(fā)的的針對國內(nèi)公路工程領(lǐng)域的BIM軟件［2］，因此很有必要對其在公路工程實際項目中的應用展開研究，以期推廣在國內(nèi)的應用。

1 工程概況

烏瑪高速公路項目路線全長41.3 km，按雙向四車道高速公路標準建設，設計時速100 km/h，整體式路基寬度26 m，分幅路基寬度13 m。項目終點設置紅衛(wèi)樞紐互通式立體交叉一處，立交范圍內(nèi)共設置包蘭鐵路特大橋1座，匝道橋4座，通道橋和涵洞若干。烏瑪高速公路是我國第一條穿越沙漠腹地的高速公路，是寧夏回族自治區(qū)沿黃經(jīng)濟帶重要南北向運輸大通道，其建成與通車將對西北城市群的形成和區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展有著重要意義。

2 公路模型的創(chuàng)建

公路工程BIM設計系統(tǒng)是專門針對公路工程進行三維設計的軟件，引入三維數(shù)字地面模型進行公路工程的參數(shù)化設計。本文結(jié)合公路工程的設計流程，總結(jié)出基于公路工程設計BIM系統(tǒng)的公路三維模型創(chuàng)建的基本流程如圖1所示。

2.1 創(chuàng)建數(shù)字地形模型

數(shù)字地形模型（DTM）是應用BIM技術(shù)進行公路工程三維設計的前提，為公路工程平面線形和縱斷面線形的設計、工程量信息統(tǒng)計等提供了數(shù)據(jù)來源，實時提供公路工程設計所需的各種地理信息數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)來源于各種原始點文件、GIS數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、DWG地形圖等各類地形數(shù)據(jù)文件［3］。

公路工程設計BIM系統(tǒng)創(chuàng)建數(shù)字地形模型有3種方式。第一種可以通過二維DWG地形圖作為地形源數(shù)據(jù)來實現(xiàn)創(chuàng)建；第二種通過標準導入高程數(shù)據(jù)和影像資料創(chuàng)建；第三種通過傾斜攝影文件形成。本文應用第一種方法創(chuàng)建地形模型。

首先，根據(jù)項目地理位置在Bigemap下載項目所在區(qū)域的原始高程數(shù)據(jù)；其次，用Global Mapper對下載的數(shù)據(jù)文件進行坐標系投影轉(zhuǎn)換和等高線生成等處理，生成包含高程點和等高線等一系列地理信息的DWG地形圖；最后，通過設計系統(tǒng)構(gòu)建地模功能在DWG地形圖中選擇參與構(gòu)建地模的等高線，高程點、約束線和約束參數(shù)等信息生成包含地理坐標和高程數(shù)據(jù)等地形信息的數(shù)字地形模型，如圖2所示。

2.2 平面線形設計

平面線形設計是公路工程設計的基礎(chǔ)也是最重要的工作，不僅決定了道路的整體走向和曲面參數(shù)組合形式，還決定了工程項目最終的工程造價，合理的平面線形設計能極大地節(jié)約建設成本。在公路工程設計BIM系統(tǒng)中通過導線法和線元法2種方法來完成平面線形的設計。用導線法設計烏瑪高速公路沙漠路段公路線形，線元法和導線法結(jié)合使用設計互通立交平面線形［4］。

在系統(tǒng)中設置好公路設計等級，設計速度等參數(shù)后，在平面設計界面中利用導線法創(chuàng)建路線功能在地形圖上根據(jù)地形地貌、沿線主要控制點等條件布設一系列平面導線，然后通過平曲線要素設計功能，在各導線點處設置圓曲線半徑、前后緩和曲線長或者回旋線參數(shù)A值等平曲線要素參數(shù)值，針對分離式路基段通過分別創(chuàng)建整體式路線和分幅路線，之后利用分離路基命令即可完成主線與分幅路線的合并與分離，圖3為沙漠段公路平面線形。

互通立交的線形設計包括立交主線和匝道的線形設計［5］。利用線元法完成主線和各匝道的平面線形設計后，根據(jù)匝道端部變速車道的類型完成匝道與匝道，匝道與主線之間的連接。利用加速車道命令連接匝道A和被接路線N，匝道C和被接路線N，利用減速車道命令連接匝道D和被接路線N，匝道B和被交路線N。同時通過對變速車道類型和參數(shù)等進行設置，以此來完成整個平面線形的連接，圖4為紅衛(wèi)互通平面線形。

2.3 縱斷面線形設計

利用公路工程BIM設計系統(tǒng)進行縱斷面線形設計時，由于平面線形的設計是基于建立的數(shù)字地形模型上完成的，系統(tǒng)會根據(jù)路線經(jīng)過處的地貌起伏情況自動生成地形縱斷面。不同于傳統(tǒng)二維設計模式，設計系統(tǒng)采用參數(shù)驅(qū)動、約束聯(lián)動的工作機制，平縱斷面動態(tài)關(guān)聯(lián)，縱斷面會根據(jù)平面線形在數(shù)字地形模型上的調(diào)整自動獲取新的地形數(shù)據(jù)完成實時更新，極大提高設計效率。同時通過直接利用原地形數(shù)據(jù)進行縱斷面設計使得設計師獲取的數(shù)據(jù)更為精準，保證了設計質(zhì)量。

利用原地形生成的縱斷面，根據(jù)地形起伏和控制點進行拉坡，選擇變坡點的位置，草坡完成后通過變坡點屬性框完成對豎曲線半徑和長度等豎曲線參數(shù)的設置。同時軟件啟動超規(guī)預警機制，根據(jù)軟件內(nèi)置的JTGD 20-2017《公路路線設計規(guī)范》常用公路工程設計規(guī)范值，當坡度坡長平包豎等不滿足規(guī)范要求時，會有紅色提示，保證了指標的選用，變坡點的位置始終在合規(guī)區(qū)間。圖5為平縱聯(lián)動設計窗口，在該窗口中，不同分段代表不同的平曲線類型。2、6、10分段對應圓曲線，4、8分段對應平面直線段，其余分段對應緩和曲線段，豎曲線之上的填充對應挖方路段，之下的填充對應填方路段。

在縱斷面設計窗口中利用構(gòu)造物設計命令在相應位置添加主線橋、匝道橋和涵洞等構(gòu)造物，并利用屬性表完成對跨徑組成、結(jié)構(gòu)類型等參數(shù)的設置與修改，圖6為B匝道橋平縱斷面。

2.4 橫斷面設計

在公路工程設計BIM系統(tǒng)中橫斷面設計分為路基橫斷面設計和邊坡橫斷面設計。

路基橫斷面設計是利用橫斷面模板功能根據(jù)項目實際需求創(chuàng)建路基橫斷面自定義模板。由于系統(tǒng)中內(nèi)置的路基橫斷面模板多為示例模板，在創(chuàng)建BIM模型的過程中需要對橫斷面模板庫進行擴充，建立適用于工程實際情況的橫斷面模板，同時設置好路線超高加寬方式等細節(jié)參數(shù)的設定，即可完成橫斷面的設計，圖7為整體式路基橫斷面模板。

邊坡橫斷面設計在是邊坡模板庫中根據(jù)要求對挖填方防護類型、邊坡防護、排水溝、急流槽等進行設置。圖8為本項目填挖方邊坡防護類型設置，包括植草防護、骨架防護等。然后根據(jù)實際情況選定路基邊坡起終點樁號選用剛才建好的模板即可進行設置，特殊路段方案可通過精細化的三維交互窗口快速實現(xiàn)一坡一設計。

2.5 模型創(chuàng)建

完成公路的橫斷面設計后，結(jié)合之前平縱設計利用軟件的快速三維建模能力即可創(chuàng)建集成公路平縱橫數(shù)據(jù)的三維信息模型，如圖9所示。

3 拓展應用

運用BIM技術(shù)不僅能夠構(gòu)建項目信息模型，實現(xiàn)三維立體化設計，還能實現(xiàn)高效、便捷的項目分析，本節(jié)將利用上述所建立的信息模型，進行設計階段過程中的BIM技術(shù)的應用研究。包括可視化分析、模型出圖與工程量統(tǒng)計，方案比選和碰撞檢查4個方面，提前發(fā)現(xiàn)設計中的錯誤及不妥當之處，提高設計效率和設計質(zhì)量，從而為項目施工階段、運維階段提供技術(shù)保障和數(shù)據(jù)支撐。

3.1 模型出圖與工程量統(tǒng)計

公路工程設計過程中設計方案調(diào)整與優(yōu)化是一項不可避免的工作。在傳統(tǒng)設計模式下，當設計方案調(diào)整時需要對涉及的大量的圖紙進行變更，而且相關(guān)工程量的的改變通常由設計人員利用計算器、Excel等輔助工具進行人工計算與校核，工作量巨大且計算精確度較低。

本項目中通過公路工程設計BIM系統(tǒng)在完成公路工程BIM模型創(chuàng)建的同時就可以使用一鍵出圖功能根據(jù)需求生成路線平面圖、縱斷面圖和公路用地圖等設計圖紙，并基于模型自動完成路基土石方、路面結(jié)構(gòu)層等各種結(jié)構(gòu)的工程量統(tǒng)計工作，以表格的形式輸出。如果對路線的平縱橫斷面設計方案進行優(yōu)化與調(diào)整，在三維模型上的修改可以實時反映在二維圖紙中，實現(xiàn)“一處修改，處處關(guān)聯(lián)”，這將極大提高設計的效率和質(zhì)量［6］，節(jié)約時間成本，還可以避免由人工統(tǒng)計帶來的錯誤與遺漏，結(jié)果也更加真實可靠。

以烏瑪高速分離式路基右幅為例研究模型出圖和工程量統(tǒng)計的BIM技術(shù)應用。在系統(tǒng)中建立了公路三維模型之后，利用施工圖紙圖冊編輯功能設置好要導出的設計參數(shù)圖紙，然后利用一鍵導出圖紙功能就可以直接由道路模型生成路線平面圖、縱斷面等，圖10為系統(tǒng)一鍵出圖功能。

3.2 可視化分析

本項目中紅衛(wèi)互通立交結(jié)構(gòu)組成復雜，B匝道橋上跨定武高速與C匝道，C匝道橋上跨定武高速與A匝道，利用公路工程設計BIM系統(tǒng)中電子沙盤子系統(tǒng)的車流模擬駕駛仿真功能，充分發(fā)揮了BIM建模可視化的優(yōu)點，在漫游過程中可以了解橋梁與周圍環(huán)境是否協(xié)調(diào)以及在橋梁上的具體的行車效果，分析互通式立交主線與匝道的位置關(guān)系，處理好跨線構(gòu)造物與道路的連貫性，保證了相交線路有足夠的跨線高度，滿足行車視距、橋下凈空等要求，為設計人員分析設計與施工中可能存在的問題提供直觀的展示。圖11為漫游過程中發(fā)現(xiàn)B匝道橋樁位不合理，從而可以進行及時的修改，提高了設計的準確性。

4 總結(jié)

通過公路工程設計BIM系統(tǒng)在烏瑪高速公路上的實例應用，相比較目前各種主流的公路工程BIM軟件，可以得出其主要有幾個優(yōu)勢。

4.1 本地化程度高有助于BIM技術(shù)的推廣與應用

公路工程設計BIM系統(tǒng)本地化程度高，采用自主研發(fā)平臺，以數(shù)字化為核心，針對我國現(xiàn)階段國情更符合國內(nèi)設計師公路工程設計理念，界面清晰操作簡單。提供了與目前國內(nèi)主流道路設計軟件的接口，比如緯地EICAD等，方便使用者能將已有的設計資料或者已完成的設計路線導入系統(tǒng)中進行道路的設計、建模。對于剛接觸BIM技術(shù)的公路工程設計師，通過這種方式能更好地消除設計人員在軟件上的障礙，對公路工程BIM技術(shù)的應用與推廣有很大作用。

4.2 一站式解決方案信息傳遞更精確

目前常用的公路工程建模軟件只能針對某個結(jié)構(gòu)物或者某個項目階段，不同軟件平臺間數(shù)據(jù)格式不一致導致信息傳遞困難，且容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失。公路工程設計BIM系統(tǒng)以電子沙盤為共享平臺，以總體設計系統(tǒng)為主導［7］，各專業(yè)子系統(tǒng)協(xié)同，平臺格式統(tǒng)一，建立的信息模型可以在各不同子系統(tǒng)下實現(xiàn)雙向直接調(diào)用，保證產(chǎn)生的信息能夠方便準確的傳遞到項目各參與方，有助于信息在全生命周期的傳遞。

4.3 系統(tǒng)內(nèi)置規(guī)范提升設計效率

在公路工程平縱斷面線形設計過程中，路線直線長度、圓曲線半徑和緩和曲線長度等各種路線參數(shù)的選取需要設計人員進行不斷的核驗，以確保各參數(shù)的設置都符合設計規(guī)范要求，這是一項工作量巨大且機械重復，但是又必不可少的工作。現(xiàn)階段常用的公路建模軟件如Civil 3D的道路設計規(guī)范檢查功能還未得到完全的應用和實現(xiàn)［8］，而公路工程設計BIM系統(tǒng)內(nèi)置JTG D20-2017《公路路線設計規(guī)范》的常用設計規(guī)范值，針高原山嶺地區(qū)等特殊情況也可以提前根據(jù)設計要求設定滿足的規(guī)范值，當設計不符合規(guī)范要求的時候，會第一時間提醒設計者，極大地提升了公路工程的設計效率，很大程度上保證了公路設計的規(guī)范性。

目前國產(chǎn)軟件已經(jīng)能很好的適應國內(nèi)對于公路工程設計的要求，因此，更應該推廣其在國內(nèi)的應用，減少對于國外軟件的依賴性，對促進我國BIM技術(shù)的發(fā)展有很大的意義。

參考文獻

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