BIM技术在提升公路勘察设计质量中的应用研究

刘相法

(潍坊科技学院， 山东 寿光 262700)

BIM技术在提升公路勘察设计质量中的应用研究

刘相法

(潍坊科技学院， 山东 寿光 262700)

公路勘察设计质量是工程质量的基础，是公路工程建设的关键，对公路建设质量会造成直接影响。采用BIM技术，对公路勘察设计质量的提升进行了研究。通过分析公路勘察设计BIM技术的特点，建立了公路勘察BIM的3D模型，分析了勘察设计阶段BIM管线综合设计要求、BIM协同设计要求，采用卫星测量、3D激光测量技术，对吉林省某高速公路改扩建工程建立了BIM3D模型，在Bently环境下，根据精细模型数据，进行公路3D可视化设计，在3D可视化平台下，实现了施工图协同设计，提高了公路勘察设计的质量，使公路扩修进展顺利。

BIM技术； 公路勘察； 质量； 提升

1 概述

随着经济的发展，质量越来越成为关注的焦点，公路勘察设计质量直接关系到该工程的质量，行驶在隧道、大桥、公路的车辆安全与公路质量息息相关，因此公路勘察设计质量是工程质量的基础，是公路工程建设的关键，对公路建设质量会造成直接影响[1-4]。通过公路勘察设计质量的提升，确保公路建设水平意义重大[5-7]。

BIM建筑信息模型实质是指根据建筑工程相关信息数据为基础，建立建筑模型，通过数字信息，对建筑物全部真实信息进行仿真模拟[8-10]。采用BIM模型，可实现建设项目的勘察设计、监理、运营维护等各阶段的工作；可提升建设项目各类任务的质量，最终达到提升整个项目质量的目的[11]。目前，我国高速公路勘察设计行业对BIM技术研究还需要进一步提升[12]。在项目生命周期内，BIM模型都可应用于各类工程中[13，14]。本文采用BIM技术，对公路勘察设计质量的提升进行了研究。

2 公路勘察

设计基础环节是公路勘察信息管理公路，当前的公路勘察设计中，地质信息管理大多数是通过CAD二维模型进行建构的，形式单一，不能很好的用可视化表现。BIM技术通过对现场勘察数据的存储与处理，可实现可视化，为公路勘察设计提供依据。利用BIM软件，实现公路勘察成果的可视化，进而地上建设、地下信息三维融合得到实现。

3 公路勘察设计的BIM技术特点

① 具有可视化特点。公路BIM可视化，可实现公路构件间互动与反馈可视，且整个过程均可视，可视化可展示效果图，也展示报表，在公路勘察设计中可做到相互间很好的沟通、决策的可视化。

② 具有可协调性特点。在公路建设实施过程中，因各专业设计师沟通不充分，各专业会出现冲突，在问题出现前，BIM协调性服务就可进行协调，通过协调数据，各种专业碰撞问题会得到避免。

③ 具有可模拟性特点。BIM的模拟性可模拟出的公路模型和难以在现实中操作的事物，在公路勘察设计时，BIM可根据施工组织设计，对实际施工进行模拟，从而确定合理施工方案，图1为某公路的3D模型。

图1 某公路的3D模型Figure 1 The 3D model of a highway

④ 具有优化性特点。BIM模型提供了公路勘察实际信息，包括公路规则、几何、物理等，BIM可通过各种优化工具，实现对公路复杂问题的优化。

⑤ 具有可出图性特点。BIM通过对公路勘察的可视化展示、模拟、协调、优化后，在检查碰撞、修改设计后，相应错误就被消除，同时提供碰撞检查报告，及修改方案。

4 公路勘察BIM的3D模型建模

4.1 公路勘察3D模型建模要求

在公路建设全生命周期中，在公路勘察设计阶段，BIM应用就开始介入。在公路勘测设计阶段，BIM的3D模型要满足施工图设计、公路选线、公路初测的要求，在施工、养护、运营、管理阶段，各参与方对BIM的可视化应用需求要考虑到。通过BIM的3D可视化模型，提高与项目各参与方的沟通，进而提高项目设计效率，避免反复对同一条公路3D模型进行重建。目前，由于公路BIM应用还不够成熟，对公路全生命周期来说，要在设计阶段设计出全部用途的公路3D模型还不太现实，一般是通过对建模方式进行分级，实现不同任务的要求，例如采用LOD方式，根据公路空间分布特点，建立多级别BIM模型。

4.1.1 选线设计

通过DEM/TIN模型对公路带的生态、地质、地貌、地形等自然环境进行展示，通过宏观的公路3D模型，对路线总体规划中的服务区、桥梁、道路、隧道等要突出；通过变更模型颜色满足施工进度4D展示要求，图2为宏观的公路3D模型。

图2 宏观的公路桥梁3D模型Figure 2 The macroscopic highway bridge 3D model

4.1.2 详细设计沟通

根据勘察路线方案，生成简要3D模型，根据设计方案的变更，路线各部分3D模型要满足快速重建，同时与项目地质和地形的3D模型进行完全融合，满足项目各参与方的交流沟通需要。

4.1.3 重要工点细节建模

对路线中重点隧道、桥梁等要建立微观3D模型，对于构造物重要部件要突出，通过添加隧道、桥梁等模型，对公路后期质量、成本控制、进度、施工等管理、交流能够充分满足，图3为微观的公路桥梁3D模型。

图3 微观的公路桥梁3D模型Figure 3 The micro highway bridge 3D model

4.1.4 添加模型属性信息

公路3D模型除几何信息外，同时还对模型属性信息进行添加，这些属性信息包括路面护栏、铺装材料等基础参数等，这样就可实现公路质量、进度、成本管理需求，从而达到对公路养护、沟通、运营、施工、管理阶段信息支持，图4为基于LOD的公路BIM的3D建模层次。

图4 公路BIM基于LOD的3D建模层次Figure 4 The highway 3D of LOD based BIM modeling hierarchy

4.2 多细度BIM数据建模方法

根据公路工程点多、线长等特点，采用多细度BIM施工模型可实现设计质量的提升，图5为公路勘察BIM多细度施工设计模型，模型由3个层次组成，即桥梁、隧道路段微观模型、工程标段中观模型、整体线路宏观模型。宏观模型实现整个线路的过程模拟、施工管理，中观模型实现各标段的过程模拟、施工管理，微观模型实现桥梁、隧道路段的精细化管理。

对于各标段隧道、桥梁、路段，宏观模型通过不同颜色线段进行表示；标段隧道、桥梁、路段的简化3D模型结合对应工程信息、施工进度形成中观模型。精细3D模型结合详细工程信息、施工进度形成微观模型。各层次的BIM施工模型是一个完整BIM子模型。各BIM子模型包含公路成本、资源、进度、安全、质量等信息。

图5 公路勘察BIM多细度施工设计模型Figure 5 The highway survey BIM multi fineness construction design model

4.3 公路勘察道路信息采集方式

4.3.1 使用卫星测量

地形3D建模可通过卫星图像进行立体测图建立，地表纹理制作通过卫星影像完成；通过卫星影像遥感技术，解译地质灾害，建立公路灾害的3D模型。使用卫星测量获取DEM地表范围比较广，信息丰富直观，对公路地形和地质等比较适宜。

4.3.2 使用3D激光测量

3D激光测量技术实质是一种带3D坐标的激光点测试技术，其特点是对植被的穿透力较强，能快速准确的对间距小的物体进行采集，并且其具有较短的处理数据周期，对公路3D建模比较适宜。表1为不同施测平台的3D激光测量信息采集内容。

表1 不同施测平台的3D激光测量信息采集内容Table1 Thecontentof3Dlasermeasurementinformationofdifferentmeasurementplatform测量平台的类型采集的对象数据小型运输机桥梁、地形、路面、立交、路基3D激光点云、DOM车辆标志牌、标线、路面等3D激光点云、彩色数字影像地面隧道、特殊地物、桥址3D激光点云、彩色数字影像

小型运输机属于一种低空对地测量设备，对DEM、DOM的采集比较适宜，可实现对路面地表信息的采集；采用车载3D激光测量，可实现路面附属设施信息的采集；采用地面3D激光测量，可实现任意角度地物信息的采集。利用卫星测量、激光测量技术，可对地物表面的3D信息进行获取，通过对地物彩色影像的采集，使模型属性信息得到扩充与丰富。

4.4 勘察设计阶段BIM管线综合设计要求

通过BIM技术，达到管线的综合，通过对各专业信息进行整合，建立公路管道，桥梁管线协调统一的平台，采用3D模型实现管线综合的可视化。BIM管线综合主要用于公路施工图的设计阶段，通过BIM管线综合，可缩短工期、提高施工质量、节约成本。

4.5 勘察设计阶段BIM协同设计要求

通过BIM技术，实现了公路模型共享、转换，将公路设计、工程造价、结构设计等的集合，使得协同设计技术得到大幅提高。在公路全生命周期中，公路勘察设计由交通工程、隧道、桥梁、路线等专业BIM子模型组成，因而公路设计从2D的CAD图形转变为3D模型，实现了各个专业协同设计，协作基础为模型可视化表达、语言标准化传递，图6为公路勘察设计协同设计管理流程图。

图6 BIM公路勘察设计协同设计流程图Figure 6 The flow chart of collaborative design for BIM highway survey and design

4.5.1 模型空间坐标统一

在进行设计时，公路3D模型、DEM、交通附属设施3D模型在空间坐标上要进行统一，公路勘测使用平面坐标系、高程坐标系，这样在进行模型碰撞检测、分析、运营管理上比较方便。

4.5.2 模型建模精度

为满足公路建设的测量精度、公路养护、公路施工需求，公路勘测3D模型精度必须达到施工图要求的精度。

4.5.3 模型可视化

BIM模型具有丰富的属性信息和几何信息，开采用Revit软件，对BIM应用进行深入开发，通过LOD分级模型，采用3D模型，可丰富、便捷对不同任务进行信息可视化展示。

5 BIM勘察设计应用实例

吉林省某高速公路改扩建工程，路线里程约201 km，沿线共有互通15座，该公路的特点是交通量较大、建设形式较多、纵向和横向分期修建、路况较复杂、实施难度高。对于道路地表信息的获取，项目采用车载激光3D测量技术，获取了道路基础设施信息、道路构造物等信息，同时对公路BIM可视化进行了应用，图7为激光点云测量数据采集，表2为公路BIM应用地表数据采集信息。

图7 激光点云测量数据采集Figure 7 The laser point cloud measurement data collection

表2 公路BIM应用地表数据采集信息Table2 ThesurfacedataacquisitioninformationofhighwayBIM参数低空路面数据采集高空大范围数据采集地面激光点密度/(个·m-2)215沿线位单侧采集带宽/m112293DOM影像分辨率/m015路面激光点云平面中误差/m0041路面激光点云高程中误差/m0019横断面地面高程中误差/m0044

在测量过程中，DOM数据和激光点云采用平面坐标系是相同的，通过对数字正射影像、地表激光点云进行数据处理和使用，建立DEM模型，进行设计路线的对比和选择；精细模型有桥梁3D模型、路面3D模型。生成分辨率为0.3 m的彩色DOM。在Bently平台下，将DEM模型进行导入，实现公路的3D可视化展示；设计人员根据桩号，对相应地形数据进行下载，得到路面信息，最后生成路面3D地面线，进行路面设计，设计结果导入CAD软件。在Bently环境下，根据精细模型数据，进行公路3D可视化设计，在3D可视化平台下，实现了施工图协同设计，提高了公路勘察设计的质量，使公路扩修进展顺利。

6 结语

本文采用BIM技术，对公路勘察设计质量的提升进行了研究。通过分析公路勘察设计BIM技术的特点，建立了公路勘察BIM的3D模型，分析了勘察设计阶段BIM管线综合设计要求、BIM协同设计要求，采用卫星测量、3D激光测量技术，对吉林省某高速公路改扩建工程建立了BIM3D模型，在Bently环境下，根据精细模型数据，进行公路3D可视化设计，在3D可视化平台下，实现了施工图协同设计，提高了公路勘察设计的质量，使公路扩修进展顺利。

[1] 郑若飞.BIM 技术在地质勘察中的应用研究[J].企业技术开发，2016，35(12)：50-52.

[2] 朱明，肖春红.BIM 技术在公路设计行业应用[J].规划设计，2016(2)：100-102.

[3] 鲁洋.BIM技术在公路设计中的应用展望[J].山东交通科技，2015(5)：122.

[4] 李俊卫，黄玮征，王旭峰.BIM技术在工程勘察设计阶段的应用研究[J].建筑经济，2015(9)：117-120．

[5] 王玉泽.BIM技术在铁路勘察设计中的研究与应用[J].铁路技术创新，2014(2)：26-29.

[6] 张建平，余芳强，赵文忠，等.BIM技术在邢汾高速公路工程建设中的研究和应用[J].施工技术，2014，43(18)：92-97.

[7] 董天兵.基于地球空间信息技术的新型公路勘察设计研究[J].黑龙江交通科技，2016(5)：51-53.

[8] 关大力.公路勘察质量存在的问题及解决措施[J].科技创新与应用，2014(29)：223.

[9] 闫博华.谈BIM技术在公路行业的发展和应用[J].山西建筑，2016，42(16)：160-163.

[10] 王丽园，陈楚江，余飞.基于BIM的公路勘察设计与实践[J].中外公路，2016，36(3)：342-346.

[11] 贾彦博.公路勘察设计新理念探究[J].山西建筑，2016，42(1)：156-158.

[12] 许和平.公路勘察设计工程质量与造价控制[J].江苏交通科技，2015(3)：346-36.

[13] 林孝城.BIM在岩土工程勘察成果三维可视化中的应用[J].福建建筑，2014(6)：111-114.

[14] 王健.公路勘察设计新理念在公路设计中的应用[J].交通科技，2015(6)：21-23．

The Application Research of BIM Technology in Improving the Quality of Highway Survey and Design

LIU Xiangfa

(Weifang University of Science and Technology， Shouguang， Shandong 262700， China)

Highway Survey and design quality is the foundation of engineering quality，is the key of highway engineering construction，the quality of highway construction will cause a direct impact.In this paper，the quality of Highway Survey and design is studied by using BIM technology.By analyzing the characteristics of Highway Survey and design of BIM technology，established a 3D model of BIM highway survey，analyzes the survey and design phase，the integrated design of BIM pipeline BIM collaborative design requirements，using satellite measurements，3D laser measurement technology of Jilin province freeway expansion project BIM3D model is established in the Bently environment，according to the the fine model data，the design of 3D visualization in 3D highway，the visualization platform，realizes the construction of collaborative design，improve the quality of Highway Survey and design，make the highway expansion and repair progress.

BIM technology； highway survey； quality； upgrade

2016 — 09 — 22

国家自然科学基金研究项目(61074140)

刘相法(1971 — )，男，山东寿光人，副教授，研究方向：土木工程施工、精密工程测量方面。

U 412

A

1674 — 0610(2016)06 — 0164 — 05