基于BIM技术的公路工程正向设计方法研究

彭欣　庞聪　韦继宁　蓝仁楷

摘要：為了解决目前BIM技术在公路设计阶段主要以翻模为主的逆向问题，文章从公路设计阶段的常规流程出发，对公路工程特性开展分析研究，提出了一种基于BIM技术的公路工程全专业正向设计的初步建模方法及流程，并从多个公路工程的良好应用证明该方法在设计阶段的实用性和优势性，对今后公路工程BIM正向设计的发展具有参考价值和推广意义。

关键词：BIM技术;公路工程;BIM正向设计;Bentley

中国分类号：U412.36文献标识码：A

0 引言

随着交通领域数字化水平的创新发展，传统公路建设技术已经逐渐落后并面临淘汰。我国作为全球的交通大国、强国，在公路工程里程不断增加的同时，对工程数字化、信息化的探索和需求更加迫切。BIM作为一种以信息流为核心的三维数字化技术，其在可视、仿真、协同等方面的优势使其能更好地适用于交通领域，促使传统工程向数字化工程进行转型升级，满足项目全生命周期的需求。

BIM技术作为工程领域的又一次技术革命，其始于建筑领域，且研究已经相当深入，但在公路工程领域，BIM技术仍然处于起步阶段[1]。随着BIM技术在建筑行业的成功应用，交通行业也开始逐渐摸索BIM技术在自身领域的适应性问题。从工程本质上来说，公路与建筑均属于土木工程，但区别于建筑工程，公路工程具有带状、长距离、范围广、工程量大、环境复杂及结构变化多等主要特点，因此，公路工程BIM技术应用应在借鉴建筑行业的基础上结合自身特点进行研究探索[2]。

可以预见的是，BIM技术作为第二次变革性的新技术，不同于从手绘时代向计算机辅助时代转变时“甩图板”对设计效率的大幅提升，其更重要的是三维信息模型的信息流通。所以说，BIM技术的本质是信息及传递，他是一个全过程应用的系统工程。一个项目的建设，不能单纯地从设计效率的高低来判断，应该从整个项目的耗时和成本等多方面综合考虑，BIM设计阶段虽然因三维建模与编码而耗费大量时间，但在减少错误和降低成本资源方面将远远优于传统方法。同时，优质的BIM模型又将大大缩短施工建设时间，更有利于后期运维管理。由此可见，当信息化技术被不断引入工程建设中，BIM技术则是颇受关注的一个[3]。

就目前来说，BIM技术在公路工程上的应用主要受到BIM软件的不成熟及相关BIM标准的缺失等条件的影响，目前仍主要以翻模为主，这也违背了BIM技术的设计初衷，只有正向设计的全过程打通才能实现BIM技术在公路工程应用的真正价值。

1 平台选择

针对目前市场，BIM软件主要可分为国产和国外两大类，国产BIM软件以鸿业和纬地两大公司为主流，国外则以A（Autodesk）、B（Bentley）及D（Dassault）三大公司为主流。从技术层面分析，国内BIM系统开发较晚，以AutoCAD为基础框架平台，从综合性能上仍与国外系统存在一定差距。从专业性出发，法国Dassault公司主要以制造业见长，虽然近些年在交通领域发展较快，但还是存在一定的局限，而美国Autodesk和Bentley公司均更专注于工程建设行业和基础设施行业。从全球市场占有率来说，Autodesk和Bentley公司占据了全球大部分建筑及交通领域市场，也是目前应用最为广泛的BIM软件厂商。

综上所述，针对交通基础设施建设，Autodesk和Bentley公司均具有自己的特点，从正向设计角度出发，两大主流平台也提供了自己的BIM解决方案，现将上述两大主流平台针对公路工程设计应用情况进行对比分析，如表1所示[4]。

2 基于Bentley的公路工程BIM正向设计应用

2.1 公路工程BIM技术正向设计应用流程

2.1.1 基于Bentley平台的公路工程BIM应用

公路项目的全生命周期应用，应注重在设计阶段构建完善、科学、流通的BIM模型，满足业主在后续施工、运维阶段的相关需求[5]。Bentley的MicroStation底层平台具有三维底层架构、统一格式、承载能力强等诸多优势，即时存储机制将不断释放内存来进行图形处理，系统占用内存小，操作更为便捷，可有效地将各专业模型进行关联汇总，避免模型数据的丢失，并已经推出一系列用于交通工程基础设施设计、施工及管理的BIM应用软件，与公路工程特性需求相符。因此，针对公路工程行业，选用基于Bentley的正向设计BIM解决方案主要包含以下BIM软件应用，如图1所示。

2.1.2 公路工程BIM正向设计流程

目前，BIM技术应用主要采用先二维设计再BIM建模的“翻模”方式，与实际设计意图相违背。因此，本文将BIM技术往正向设计方向开展应用研究，在前期资料的基础上直接采用BIM技术开展设计，设计流程与传统二维设计模式基本类似，但相较于传统设计模式，BIM技术在协同性、可视性和仿真性上更具优势，达到“即见即所得”的设计体验。针对公路工程BIM正向设计的系统流程如图2所示。

2.2 基于BIM的设计协同及管理

公路工程设计往往需要多专业共同协作完成，设计过程中的方案调整、资料互提及进度把控都需要严格、科学的设计模式和管理方法。传统设计模式在协同设计和项目管理方面存在着一定的不足，而异地设计模式问题更为显著。因此，BIM应用首先要解决设计和管理模式的协同问题。

Bentley提供了一款用于项目信息管理及协同工作的平台ProjectWise开展协同设计。由项目负责人（管理员）根据项目各专业的人员安排、进度计划及特点进行统一创建，所有的项目资料和消息都将在平台上统一发布，具有严格的一致性和实时性。项目参与人员无论身在何处何时均可登陆客户端开展工作，而不同的设计成员将由项目负责人赋予不同的权限以确保文件安全和流程可控。这种将分散的信息孤岛进行有效集合的信息共享设计模式将使得设计工作变得简单且规范，大幅度提高工作效率，减少过程差错。

2.3 基于BIM的专业设计

2.3.1 设计环境构建

准确优质的设计环境构建对于提高设计质量有着极其重要的意义。在实景环境下，设计人员可直观融入道路所经区域的虚拟三维环境进行动态交互设计，极大地提升了设计效率和质量。

选择采用OpenRoads Designer基于高程点及等高线数据的多种方式进行地形三角网构建。利用航拍获取高分辨率现状影像并通过ContextCapture进行空三运算生成三维实景模型和正摄影像，再利用Descartes软件对其进行处理生成三维地形曲面。这不仅能较好地解决传统测绘采样点不足的问题，同时能减少测绘成本[6]。在枯燥晦涩的传统地形基础上，真实还原项目实际场景，提高设计的准确性，辅助征地拆迁，达到“即见即所得”的设计体验。

2.3.2 路线设计

路线设计作为公路项目的牵头专业，具有将各分项专业进行有效串联的总体职能，直接负责项目的总体把控和协调职责，各专业均基于路线平、纵、横开展设计。

与传统二维设计方式不同，基于OpenRoads Designer开展平、纵设计，其核心价值在于对路线的三维数字化表达，将传统二维设计从剥离的平纵条件下进行关联，直接以多视口的三维环境进行展示，更符合设计者对于路线走向在平面及高程面的统筹考虑及总体把控，使得路、桥、隧的区分度更为直观。

2.3.3 路基路面设计

路基路面在传统二维设计中通常以点和线作为设计信息的传递，在表达上存在一定的“模糊性”和“难辨识性”。而BIM设计的核心在于完成三维数字化模型实体的信息传递，将点线面转化为以组件为基础进行模型组合构建的实体对象，更像是将带有不同类属性的结构组件以类似“搭积木”的方式进行拼接，在表达上更为灵活生动。

基于OpenRoads Designer的路基路面设计的关键在于廊道横断面模板的智能构建。一个优质的廊道模板应具有结构清晰、分类明确及延展性佳等特点，可为后续的展宽、分离等过渡变化提供支撑。

2.3.4 桥梁设计

针对桥梁工程的三维建模，一款软件是无法完全解决桥梁设计的所有问题的，因此，Bentley不仅提供了OpenBridge Modeler的专业桥梁建模软件，同时也开发了Prostrues的配筋设计软件及对于部分特殊组件构建的MicroStation CE三维软件。为提高设计者的建模效率，我们建立了丰富的桥梁族库以供设计者快速调用，也可由设计者们通过参数化设计来快速构建不同的构造物，尽可能提高桥梁建模的准确性和便利性[7]。见图3。

2.3.5 隧道设计

隧道工程与桥梁工程相似，为公路项目的重要主体结构和难点之一，与地质专业联系紧密。隧道工程主要采用OpenRoads Designer进行隧道主体结构及三维地质模型构建，利用MicroStation CE进行细部构件处理，最后采用Prostrues开展配筋设计，以多系统相结合的方式开展建模。见图4。

2.3.6 交安设计

交安工程主要基于MicroStation CE进行模型的构建，包括交通标志、隔离栅、防眩设施、护栏及栏杆等交安设施。建立一套完善的公路交安工程设计流程则主要需要注意两点：

（1）交通安全设施库。通过建立完善详细的交通安全设施数据库，实时调用对应模型，避免重复建模，提高建模效率。交安设施数据库应从公路等级、设施内容、组件构成等方面从上至下进行树形结构的逐级细分，保证交安数据库的结构性和条理性。

（2）参数化设计。公路交通安全设施分类多样且信息量大，数据库很难完全涵盖所有设施需求，故应采用面向组件的参数化构建方法，具有灵活的分解性和组合性。每一种交安设施可分解为一个基本单元构建，且编码信息唯一独立，这样既可以快速创建交安设施模型，同时也可保证信息唯一性[8]。

2.3.7 服务区设计

公路服务区设计与公路主体设计区别较大，主要是场地平整规划及建筑模型构建。因此，Bentley公司建立了一套適用于场地建筑建模的流程体系。主要采用OpenRoads Designer进行服务区场地平整及相关道路衔接设计，利用AECOsim Building Designer进行服务区内建筑设计。见图5。

2.3.8 模型汇总及后期渲染

最后利用MicroStation CE将各专业模型进行参考汇总，检查路、桥、隧等各专业间的衔接，并通过Navigator进行碰撞检查，对模型内部构建的错、漏、碰、缺等情况进行有效复核，有效规避各类潜在矛盾及冲突问题，从设计的源头保证工程质量，减少施工过程中的变更，确保施工顺利进行[7]。

完成整个项目模型的汇总及检查后，可直接通过MicroStation CE导入LumenRT进行三维实景渲染，添加真实材质、植物景观、交通流模拟、灯光模拟等渲染处理，打造“即见即所得”的场景构建，并制作视频动画。见图6。

3 工程应用

依据上述BIM正向设计建模流程，目前已在都安至巴马高速公路、荔浦至玉林高速公路及浦北至北流高速公路等多个高速公路项目上成功应用。BIM技术在可视性、仿真性及参数性等方面具有优势，在项目方案汇报、评审及技术交底上取得了极佳的应用效果，有助于设计阶段的效率提高、差错减少及资源节省。见图7～9。

4 结语

本文以基于BIM技术的公路正向设计应用为探索研究，对目前市场上的主流BIM平台进行分析对比，并提出基于Bentley平台的公路工程BIM正向设计应用系统，以ProjectWise为协同管理平台，从设计环境、路线、路基路面、桥梁、隧道、交安设施、服务区及后期处理（碰撞检查及渲染）等八个分项重点进行BIM应用分析，成功梳理了一套适用于公路工程三维数字化的BIM正向设计流程方法。突出了BIM技术的可视化、协同

性、参数化等诸多优势，并成功应用于多个高速公路项目，取得了优质的效果和反响。为今后公路工程项目的三维数字化发展积累了非常重要的经验，具有十分重要的理论参考价值和推广意义，为打通项目全寿命周期应用的探索研究提供了依据。

参考文献：

[1]黄柳云，宋少军，王建军，等.BIM技术在南宁某立交改造工程施工中应用研究[J].公路，2019（2）：130-132.

[2]韩元利.论铁路BIM的认识误区与实施原则[J].铁道工程学报，2019（4）：118-122.

[3]何则干，黄福杰，张为民.BIM技术在大型立交工程的应用研究[J].公路，2019（2）：174-179.

[4]徐 博.基于BIM技术的铁路工程正向设计方法研究[J].铁道设计标准，2018，62（4）：35-40.

[5]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.

[6]龙 波，彭 欣.荔浦至玉林高速公路工程全要素对象BIM协同设计与施工管理[J].土木建筑工程信息技术，2019，11（2）：85-90.

[7]梁 才，彭 欣，龙 波，等.BIM技术在大跨径组合斜拉桥设计中的应用[J].西部交通科技，2019（4）：87-90.

[8]彭 欣，庞 聪，龙 波，等.基于BIM技术的公路交通安全设施数据库构建分析[J].西部交通科技，2019（5）：148-151.