BIM技术在西安外环高速公路设计中的探索与实践

潘鹏飞，宋 飞

(陕西省交通规划设计研究院，陕西 西安 710065)

0 引 言

公路工程设计涉及多个专业，具有规模大、设计复杂、建设周期长、施工环境多变等特点。随着国家总体经济发展变化，建设者越来越注重道路工程设计的科学性、合理性、经济性及协调性[1]。传统二维设计手段已难以满足当前国家层面的高标准要求和期望，迫切需要采用新的技术提高设计质量。交通运输部于2017年发布《关于推进公路水运工程BIM技术应用的指导意见》，明确了公路工程中BIM技术的定位与方向[2]。本文以西安外环高速公路南段为依托，结合项目特点与需求，制定建模标准流程与规则、质量保证措施及出图标准；建立三维实景模型，提供精确的现实环境背景；选取隧道、桥梁、立交3处重要工点进行BIM设计；从4个方面阐述本项目BIM应用效果，可为同类施工提供借鉴。

1 工程概况

西安外环高速公路南段是陕西省高速公路网规划的重要组成部分，与已建成的西咸北环线共同组成大西安环形交通圈。本项目被列为交通运输部BIM技术应用典型示范工程，是陕西省公路行业首次全过程采用BIM技术并对关键工点进行精细化模型创建的建设项目。

1.1 本项目设计阶段BIM 应用目标

选取重点段落实现隧道、桥梁、立交BIM设计，提交满足BIM信息化管理要求的工程信息模型；充分发挥BIM技术在工程应用方面优势，实现安全、高效、可持续的新型设计方式，为项目实施提供技术指导；研究基于BIM模型的制图方法与流程，完成BIM施工图出图工作，提高设计产品质量。

1.2 建模精度与设计软件

参考《公路工程信息模型应用统一标准》和《公路工程信息模型设计应用标准》，初步设计阶段建模精度为LOD2.0，施工图设计阶段建模精度为LOD3.0。设计平台以Bentley系列软件为主，鸿业软件为辅。

2 BIM设计标准化

BIM技术主导的设计产品主要为三维模型，模型质量即代表设计质量，并影响由三维模型生成的图纸质量。一方面，模型的质量取决于造型、结构、位置、颜色、图层等信息；另一方面，从BIM应用成本上看，需要在模型精度和数据量之间找到平衡点。建立模型质量管理标准，指导整个设计过程，使设计的模型满足三维展示、设计出图及信息传递等需求，且具备可操作性。

2.1 标准化定义

首先是建模环境的标准化。建模软件的工作空间必须惟一，使模型的图层、标注、字体、断面库、切图规则及图框等设计元素保持统一。构造物横断面库和设备模型库的建立保证不同的设计人员的风格一致，且模型的工程属性和外形尺寸准确无误。在专业内部和专业间协同工作时，统一的标准使相关模型及数据保持一致，便于管理员维护软件后台环境和数据库。

其次是模型文件的组织模式标准化。模型文件的组织模式包含工程项目中单项工程的划分、专业内部设计内容划分及模型分装与总装方式。在设计过程中，按照标准规则建立的设计文档体系可以直观反映工作内容和协同组织形式。

2.2 模型汇总规则

本项目涉及6个专业，每个专业又细分为单项工程，这些设计模型需要经过专业汇总、单项分装和项目总装三级模型拼装，需要对相关的参考和汇总操作进行规范，才能保证整体三维模型的正确布置。

专业汇总文件中应仅出现本专业绘制的模型，在绘制模型时参考的各类文件都不应在汇总文件中出现。在做单项分装及项目总装时，根据需要添加参考文件，对于参考文件本身不应进行任何操作，并严禁把参考文件与主文件合并或把参考文件复制到设计文件中。为保证各专业嵌套参考层级数一致，若有专业的汇总嵌套层级较低时，则按照最大层级原则添加1个汇总文件进行参考。

2.3 标准建模方法

2.3.1 半参数化建模

利用软件自带功能，通过输入外形尺寸和工程属性等参数，自动生成道路、桥涵、隧道主体及部分设备模型。由于生成的模型样式不能随意修改，因此建模时应核实输入参数信息的准确性，同时加强生成模型的外形、样式和属性等正确性核查，并确认每个模型是否放置在预设好的图层上。另外，如果建立参数化模型时需要使用辅助线，应将辅助线设置成构造线样式，便于模型修改。模型库和断面库应由专业人员配置和维护，其他设计人员若需更改，应按照已制定的模型库及工作空间配置的工作流程提交需求。

2.3.2 自定义建模方法

软件自带功能通常不能满足设计过程的全部需求，尤其在当前公路领域的三维协同设计过程中，用户自定义模型占相当大比例。自定义构件建立过程与参数化建模类似，但需在软件中提前设置模型的外形和工程属性。

2.3.3 三维实体造型

根据二维图纸绘制三维模型，或直接绘制大概的三维模型再进行精确修改。此类模型的外形尺寸精度要求较高，模型应先导入模型库中，再由模型库中调用并进行布置。随着模型库的逐渐丰富，应针对每一类模型建立标准的建模流程文档，以保证同一类模型的建模方式一致，便于模型修改和批量创建模型，减少人为因素造成的模型差异，同时为参数化建模的二次开发提供基础资料。

2.4 BIM图纸

BIM图纸的总体概念是三视图与轴测图的有机结合，BIM图纸应合理设置色彩区分和透明度，使BIM手段下的设计图纸成为“三维设色设计图纸”。色彩设置应注重读者的心理需求，注重美学表达，分不同情况，合理统一色系或强调反差，白鹿原隧道BIM施工图见图1。

3 BIM设计应用

3.1 实景建模

借助实景建模技术，通过无人机采集数据，获取反映真实地形和建设环境的实景模型。利用ContextCapture软件分析数据并生成三维实景模型，在项目的整个生命周期内为设计、施工和运营决策提供精确的环境背景，实景模型与构造物融合样例见图2。

图2 实景模型与构造物融合样例

3.2 白鹿原隧道

白鹿原隧道设计全幅长2 772 m，最大埋深为135 m，断面面积为192.3 m3，为国内单洞断面面积最大的三车道黄土隧道。PenRoads Designer软件实现高程点数据生成三维地型模型，由地勘钻孔及地质剖面数据生成三维地质模型。地质模型可以任意切取地质剖面，查询地质属性，指导支护参数合理选用，地形模型和地质模型见图3。

图3 地形模型和地质模型

结合地质条件，该隧道采用复合式衬砌结构，即初期支护+二次衬砌的形式。初期支护采用喷射混凝土+系统锚杆+钢筋网+型钢支撑的综合防护系统，二次衬砌采用整体模筑钢筋混凝土结构。通过参数化设计横断面模板，分图层与构件进行材质定义，基于空间路线中心线建立三维模型。由OpenRoads Designer软件建立隧道初喷二衬主体模型，在ProStructures软件中完成主体钢骨架模型。模型中每个构件都含有工程信息，统计工程量不再需要手工计算，可实现自动生成工程数量表[3-4]。隧道初喷、二衬钢骨架模型见图4。

图4 隧道初喷、二衬钢骨架模型

3.3 陶峪河大桥

陶峪河大桥全长525 m，上部结构主桥采用42 m钢箱梁，引桥采用25 m预应力小箱梁，下部结构为门架墩、柱式墩、柱式台、肋式台及钻孔灌注桩基础。

在桥梁结构中重复出现的基本单元被定义为构件模型。按照用途和所处位置划分，本桥定义并建立了28种上部构件，72种下部构件和14种附属构件。采用MicroStation软件建立混凝土结构，在ProStructures软件中完成混凝土配筋。建立的混凝土、钢筋、钢束及钢板等均按照工程材料、工程属性、工程量等赋予工程信息，使构件库形成信息模型，为总装后的总体模型提取工程量建立基础。图5为25米小箱梁中跨中梁构件。

图5 25米小箱梁中跨中梁构件

采用OpenBridge Modeler软件进行全桥拼装，导入纬地数据，建立三维设计路线，并完成全桥定位轴网。依照道路空间曲线，将全部构件定位基线绘制出来，再将构件库通过旋转、平移到基线位置，实现空间定位和组装。图6为与实景融合的陶峪河大桥俯视效果。

图6 与实景融合的陶峪河大桥俯视效果

3.4 蓝田南立交

蓝田南互通式立交为枢纽立交，含桥梁12座，涵洞6道，通道10道，天桥1座。利用高程点数据构建地面模型，按照相关规范的要求，确定主线、匝道的平、纵、横指标，采用鸿业路易软件和Bentley系列软件建立相应的三维路线模型。对于立交连接部设计，采用自定义互通立交连接部设计功能，先录入出入口类型、小鼻端位置等属性信息，再根据已有的立交平面图拾取大鼻端位置、主线偏置过渡段、匝道偏置过渡段、行车道拓宽段及路基拓宽段等信息，从而生成立交模型。参数化定制桥梁上、下部结构模型，按照桥梁起终点桩号、桥梁名称、跨径组合等属性信息组合生成桥梁模型。录入护栏和防眩板的规格、几何尺寸、避光角度、设计间距等参数，进行交安实施模型的生成。合理选取软件模型库中标志牌结构模型，填写版面信息，依照道路模型作为参考进行放置。最后在MicroStation中将立交模型和实景模型进行总装，输出到LumenRT软件中赋予材质信息并添加车流后进行渲染，进而整体漫游展示。图7为与实景融合的蓝田南立交模型渲染效果。

图7 与实景融合的蓝田南立交模型渲染效果

4 BIM技术应用效果

相较于传统二维设计手段，BIM技术的直观性、可视性、准确性、功能性等优势在本项目设计中得以充分体现。

4.1 路线方案可视化比选

随着BIM技术发展，路线方案比选和设计也逐步由二维平面向三维实体转变。通过BIM设计方案模型，能够在同一场景下，直观地实现不同方案对比，定义不同影响因素的权重以建立决策模型，快捷评估各备选方案，并通过各备选方案的优劣排序找出最佳方案。

4.2 碰撞检查

立交信息模型能够准确量测道路与周围地物之间空间关系、道路净空、净宽等数据，并能通过预警功能及时发现设计过程中的差错，实现碰撞检查，保证设计质量。图8为立交区设计错误核查示意。

图8 立交区设计错误核查示意

4.3 客货分流

为避免危险品车辆进入秦岭终南山隧道，在设计过程中，提出客货分流方案，为危险品车辆设置专用匝道。通过BIM设计，能够清晰模拟出各种客货分流方案，方便专家的决策和判读。

4.4 视距分析

本例实现全线自动化逐桩视距核查，可选取任意路线段落，逐桩核查视距、平纵组合等问题，及时发现设计中的疏漏与隐患，大幅提高设计可靠度。根据《公路立体交叉细则》中主线距合流鼻端100 m，匝道距合流鼻端60 m形成通视三角形的规定进行端部视距核查，可视化分析视距，此项功能是传统手段难以实现的。

5 结 语

通过BIM数字化建模，基础模型不仅是几何数据模型，还包括设计过程多目标协调所体现的信息，如规范符合性、设计连续性及交通安全影响等。BIM设计较二维设计在直观性和图纸算量准确性方面都有一定的优势。

基于BIM技术能直观展示设计内容，通过方案比选优化设计；利用碰撞检查及时发现设计错误，保证设计质量；BIM模型为施工建造提供信息基础，避免判读二维图纸容易出现的偏差，提高工程质量和施工效率，提升项目管理水平。

BIM技术的核心在于基础数据的可传递性，使不同参与方进行信息交换，当前三维设计软件尚无法完全实现BIM数据标准应用。公路行业缺乏明确而权威的BIM标准格式，建立完整标准体系，包括技术标准和实施标准，是目前行业内BIM技术发展的极大制约。