基于BIM技术的公路设计探索与思考

曾 凡 云

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410019)

1 研究背景

建筑信息模型(Building Information Modeling，即BIM)的理念从1975年提出，随着数字化技术的不断发展，它的概念从“A computer-based description of-a building”[1]逐渐扩展到“为建筑与基础设施由概念到拆除的全生命周期中的所有决策提供可靠依据”的过程。而5G时代来临后，万物互联需求加速发展，数字孪生和物联网设备数字化成为必然趋势；结合国家与行业层面对于建设智慧城市与智慧交通的目标，数字化发展更进一步地推动了BIM在基础设施行业的应用需求与价值[2-4]。BIM技术的实施要求不同利益相关方在设施的不同阶段，通过在BIM系统中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映其各自职责的协同作业[5-8]，同时可以支持工程可视化与模型仿真[9-10]。因此，带有精细、准确、即时的几何和信息的三维模型在BIM实施与互联发展中起到至关重要的作用。在此背景下，建筑工程各方都开展了基于BIM模型的应用，其价值也随着应用场景的扩展而不断提升。对于勘察设计行业而言，BIM模型的交付和应用也逐渐成为项目开发中的必要条件。

为了满足BIM模型交付的要求，当前的勘察设计团队往往在完成传统设计方案的同时，通过建模将既有的设计方案转换为三维几何模型，再将模型元素赋予对应的材料、造价等信息(行业内称为翻模)并交付给施工方和业主。这种方式在一定程度上满足了项目可视化、施工与运维管理的需要，但是存在两个问题：(1)对于设计人员而言，将既有设计方案转换为模型的过程是很大的额外工作量，导致设计人员的工作效率和积极性降低；(2)设计过程是一项反复优化修改的迭代过程，在方案优化过程中，难以保证模型的即时更新，可能造成项目各方在非最新方案下协同工作时出现连锁性损失。

为了充分利用三维设计环境的优势，减轻对既有设计方案进行翻模的附加工作，解决BIM实施过程中图模不一致的问题，本文直接在三维设计体系中开展设计工作，以三维设计模型作为交付成果的理念进行了公路BIM设计的探索与研究，并结合实际项目应用情况，梳理了公路BIM应用的实用价值，提出了公路BIM设计推进的思路，可供类似项目借鉴。

2 公路BIM设计的现状

2.1 公路BIM设计推广现状

BIM的概念较早在建筑领域得到应用和推广，在交通领域发展相对较晚。2016年2月，交通运输部发布了《交通运输重大技术方向和技术政策》的通知，把推广建筑信息模型(BIM)技术放在首位，行业与市场也开始对交通等基础设施项目提出明确的BIM应用要求，交通BIM的应用与研究逐渐进入热潮。公路BIM设计是公路BIM全生命周期应用的数据源头，其在公路BIM全生命周期应用中起到至关重要的作用，但是由于具有实践意义的公路BIM设计交付标准的缺失，以及公路BIM设计软件在功能和设计效率上的缺陷，制约了BIM设计的进程。从笔者收集到的公路BIM项目应用情况来看，现阶段公路BIM的应用在深度上更多是基于二维设计成果进行翻模，且模型精度只能达到方案及初步设计深度，难以形成能用于施工的交付成果；而在公路项目的方案效果展示、施工与运维管理上，通过对设计模型进行轻量化处理，结合GIS系统实现大范围模型的瓦片式加载技术，反而有了相对更为成熟的案例。

2.2 公路BIM设计软件现状

针对公路工程领域的BIM解决方案，国外工程软件主要有美国欧特克软件(Autodesk)、美国奔特力工程软件(Bentley)和法国达索公司软件(Catia)。以上三家软件商各有优缺点，法国达索公司的核心软件产品Catia是针对工业设计与制造的主流软件，优势为局部精细化建模，适合复杂模型建模，例如可以用于大桥的复杂局部建模，但是不符合道路和铁路等线性工程的特点。美国欧特克公司的核心软件Revit主要是针对建筑工程设计与建模的软件产品，在建筑行业中的应用比较广泛，但并非为针对道路与铁路工程设计的软件产品；Autodesk旗下Civil 3D软件定位为基础设施设计和施工文档编制的BIM软件，但是其在处理复杂地形与道路基础数据上的效率一直饱受诟病。美国奔特力(Bentley)软件公司针对公路行业开发了包括ORD(OpenRoads Designer)、OBM(OpenBridge Modeler)在内的一系列交通三维设计软件，它们提供了基础的道路与桥梁建模功能，但是就公路设计而言，缺乏高效且符合正向设计习惯的设计工具，对公路挡墙或涵洞，只能通过几何建模进行设计，不能满足工程设计的效率要求。

国内现阶段的道路设计软件(比如纬地、鸿业、EICAD等)经过多年的市场应用与发展优化，在软件使用模式与用户交互上，已经比较符合国内设计师的设计习惯。但是，这些二维道路设计软件仍存在一定缺陷，比如设计深度无法达到三维设计要求，设计成果无法直接与三维平台进行数据交换等。国内自主发展的三维设计软件很少，比如鸿业公司市政方向的路立得、同豪土木公路BIM设计软件，还有一些提供三维建模功能的二维道路/桥梁设计软件，如纬地与方案设计师等。这些软件虽可从二维设计方案快速生成三维模型，但是并不能直接在三维空间中进行设计，而且生成三维模型多为面片组合，无法进行编辑交互以满足后期阶段的应用。

总体来看，现有道路设计软件中，二维理念在设计深度与扩展性上有所缺陷，而三维平台提供了更多底层功能与三维扩展功能，但是对于道路专业的设计算法和本地化应用还需要大量的定制积累。为了实现道路三维设计，应该将这两种形式进行结合，避短取长，通过借鉴、总结二维平台中成熟的设计理念与参数交互形式，将这些设计模式在三维平台中进行实现与扩展，解决出图与工程量统计的问题，使三维平台真正在设计中得到应用。

3 公路BIM设计应用要点

公路BIM设计缺乏完整的解决方案，其发展进程也较缓慢，但在推进过程中，仍然体现出其相对于传统二维设计的优势，主要包括如下几方面。

3.1 方案三维表达

方案三维表达是三维设计最直观的应用，也是现阶段公路BIM的主要应用点。结合三维展示效果，可以更直观、有效地向业主或施工方展示设计方案，便于项目参与者对设计方案进行理解和讨论(见图1)。

图1 道路与多专业协同的三维设计效果展示

3.2 方案设计阶段应用

现阶段的道路设计软件无法进行公路项目的深化设计，在方案设计阶段，往往更关注较宏观的道路设计方案以及概算工程量，不需要进行精细化设计建模与详细的工程量统计。这与当前的公路BIM设计软件所能提供的实用功能非常贴合，可以利用BIM软件快速地进行较宏观的方案设计，并直接通过三维平台进行方案汇报与讨论。以图2为例，利用Bentley平台的道路概念设计软件，可以结合地理信息便捷地完成道路线型设计，并自动生成路基、桥隧及交叉口等构筑物的三维模型，体现了其在方案设计阶段的实用优势。

图2 Bentley平台道路概念设计软件示意

3.3 多专业协同

公路项目往往里程较长，沿线会涉及很多既有或在建的构筑物。对于水电项目而言，交通专业设计范围与施工、坝工、机电、厂房、建筑、移民等多个专业均存在衔接关系(见图3)。在三维设计环境中，通过将各专业的方案模型进行组装，可以直观了解各专业方案之间的关系，设计过程中也可以对其他专业的方案数据进行直接读取、调用，这在二维设计环境中是难以实现的。

图3 道路与建筑协同设计案例

在时间维度上，道路设计方案与这些专业存在反复配合协调的迭代优化过程，多专业之间的方案修改与变更并不同步，容易在将多个专业不同阶段和深度的方案进行组合时出现误差。在BIM设计环境中，通过协同管理平台，可以将各专业模型通过参考的方式组装在一起，各专业设计人员对自身专业设计内容进行修改后，新方案将自动覆盖平台中原来的数据文件，使其他专业可以参考最新的方案进行设计，以此保证多专业协同工作时在时间上的一致性。

3.4 节点设计

公路设计为线性工程设计，其设计方案常通过平纵线型与横断面的组合进行表达，这一方式在二维设计与三维设计平台中并无太大区别。但是，对于公路项目中的特殊节点，比如隧道交叉口，其空间几何往往比较复杂，传统二维设计方式难以表达和理解。通过在BIM设计平台中进行精准的三维建模，可以非常直观地表达复杂节点的设计方案(见图4)，然后通过视图剖切的方式快速生成精确的图纸，大大提高了复杂节点的图纸表达精度(见图5)。

4 公路BIM设计推进思路

目前，其他领域的BIM成功案例(包括上海中心、中国尊、国家会展中心等)总体上均属于“科研开发”或“技术探索”的性质。结合从事工程勘察设计新技术研发的科研实践经历，笔者深刻理解到“技术探索”与“大规模工程成熟应用”之间还存在着一定的距离，这种差距来源于技术、组织、管理与环境等多方面。为了推动公路BIM设计应用，可以针对性地从如下几方面进行探索。

图4 利用BIM平台进行隧道交叉口的三维建模与方案比选

图5 隧道交叉口三维建模剖切得到的图纸

4.1 结合项目与市场

公路BIM的应用推广涉及公路工程设计和计算机软件两个乃至多个学科的跨界性技术，其应用的学习成本较高，而当前公路BIM设计软件在功能与效率上的缺陷易导致设计人员对BIM设计存在畏难与抵触情绪，难以主动学习公路BIM设计技术。对于企业而言，公路BIM设计工作需要更高水平的人才以及更多的时间积累才能完成，但对多数企业而言，这与其快速创造价值的理念是相悖的。从社会经济发展的路径来看，技术发展与创新必须要与市场紧密结合，才能产生活力。因此公路BIM设计的推广，不论技术成熟与否，都必须结合市场项目，通过项目的价值来推动BIM设计的推广和普及。

4.2 以方案设计为先

一般来说，在工程项目建设过程各阶段中，随着项目设计阶段演化，设计精细程度与需耗费的人力资源均不断升高，而对于项目总投资而言，其对工程总投资所能产生的影响却越来越小。如图6所示，当方案设计阶段对工程总投资的影响程度达到80%时，对于设计精度要求是较低的，这与当前公路BIM设计软件所能提供的实用功能是一致的：(1)方案设计阶段需要的设计精度与现有三维平台所能提供的精度相匹配；(2)三维平台能提供更好的方案理解与决策；(3)三维空间更符合人的思维模式。这也是当前公路BIM设计软件能在实际项目中发挥其优势和市场价值之处。

图6 建设过程各阶段的工作精细程度及对投资的影响

4.3 坚持正向设计

从BIM全生命周期协同的角度来看，三维信息模型是多角色多阶段协同的基础。对于设计过程而言，关注点在于设计方案的形成、表达与交付，而这一过程是不断优化迭代以获得最优成果的过程，故在项目建设过程中，设计方案不可避免地会进行完善和修改。勘察设计阶段作为建设工程全生命周期协同的数据源头，为了保证整个BIM协同管理信息模型的即时性与准确性，必须实现在设计阶段的BIM应用。设计人员在BIM设计平台中实现设计方案的调整与模型同步，再通过方案模型这一几何与属性的载体进行多专业协同、施工交付及全生命周期管理(如图7所示)。协同过程中的修改通过模型体现，再反馈给设计人员进行方案调整。如果只是通过对既有设计方案的建模，其成果只能用于项目的展示与静态管理，一旦设计方案调整，将会给参与“协同”的各方带来连锁损失，这也是现阶段公路BIM应用在市场中推进缓慢的主要原因。

图7 BIM设计参与BIM全生命周期管理的方式

公路BIM设计发展将经历手动建模、高效自动建模、正向设计、智能化设计的过程(见图8)。其中手动建模为公路BIM设计的最初阶段，设计人员通过通用的三维建模软件(如Revit、Microstation或3D Max等)对道路方案进行手动建模，将模型成果用于方案展示与汇报。在此基础上，几家大型工程软件厂商开发了针对公路工程更高效的建模软件(如Autodesk公路的Civil 3D、Bentley公司的PowerCivil、OpenRoads Designer与OpenBridge Modeler等)，用来辅助设计人员完成道路与桥梁模型创建，这也是当前公路BIM设计所处的主要阶段。近几年，各BIM软件商与相关设计研究单位正通过设计平台开发适应工程设计逻辑与流程的功能，以满足公路设计过程中方案不断迭代优化的需要。另外，通过将标准化设计流程及专家经验在设计软件中进行集成，以实现更优化的初始方案，最终实现设计成果的自动校核，使其真正进入智能化设计阶段。

图8 公路BIM设计发展过程

4.4 BIM标准建设

中华人民共和国住房和城乡建设部在2018年11月12日发布了《“多规合一”业务协同平台技术标准》公开征求意见稿[11]。其中，4.5.2条文说明中提到：实现基于一张蓝图的建设工程项目信息、城市现状二维数据、城市三维地面数据的计算与分析。其中与城市相关的BIM模型主要包括建筑物工程规划BIM模型和市政工程规划BIM模型。

BIM应用的核心是信息的传递与利用，涉及不同参与方、不同设计专业、不同项目阶段以及不同软件之间的数据交换与协同。BIM模型是空间对象与数据之间的桥梁，必须在统一的编码、存储与交换标准下，才能发挥其最大的作用。

随着BIM技术的发展和应用，对于模型数据需要解决三个关键问题：(1)对所需要交换信息的格式规范；(2)对信息交换过程的描述；(3)对所交换信息的准确定义。BSI继推出IFC标准后，于2006年推出信息交付手册(Information Delivery Manual， IDM)，用于指导BIM数据的交换过程；之后又提出了国际字典框架(International Framework for Dictionaries，IFD)，用于建立建筑行业术语体系，避免不同语种、不同词汇描述信息产生的歧义。IFC、IDM和IFD分别对应并解决以上三个关键问题，即对BIM的数据信息存储与表达、交换与交付、术语与编码进行了规范。IFC、IDM、IFD目前均已列为ISO国际标准，三者相结合成为当前BIM应用的系列标准[12]。

以雄安新区建设为例，雄安新区规划建设BIM管理平台(一期)项目的招标[13]内容中，管理平台建设内容包括一个平台、一套标准。其中，平台要解决数据的展示、查询、交互、审批、决策，实现对雄安新区生长过程的记录、管控与管理；而标准要解决从规划、市政到园林、建筑的数据统一交付，需要把不同专业、不同流程的数据打通并传到平台里，自动进行识别和计算。雄安新区的规划通过现状空间(BIM 0)、总体规划(BIM 1)、详细规划(BIM 2)、设计方案(BIM 3)、工程施工(BIM 4)、工程竣工(BIM 5)六个渐进环节的展示、查询、交互、审批、决策等服务，实现对雄安新区生长全过程的记录、管控与管理。每个环节对应的是工程建设的不同阶段，对数据的录入方式和使用者加以区分。每个阶段的数据流到下一个阶段都要编制入库标准，对结果进行统一编码。进入平台的所有成果数据都要遵循一个统一的数据转化标准——XDB，而这一标准也正在不断改进、完善。

4.5 注重功能研发

2016年，交通运输部组织开展了公路与水运行业的BIM技术现状调研活动。根据相关调研和总结(包括铁路总公司、住房与城乡建设部等相关专家在BIM标准、BIM应用技术方面的实践经验和认识)得出：无论是建筑工程，还是公路与铁路等工程行业，在工程全生命周期内全面实施BIM技术尚存在诸多方面的技术瓶颈和困难，而且很多技术瓶颈是短时间内难以突破或本质改变的。

主要技术瓶颈包括：(1)计算机软硬件的处理速度和容量、网络数据传输的速度等难以满足海量BIM模型处理、应用的需求；(2)无论是建筑工程、水电与电气工程，还是道路、铁路等交通工程，都是少则十几个专业，多则二三十个专业的集成体，而代表世界水平的BIM解决方案厂商却只能提供少数几个专业的BIM软件；(3)基于BIM核心的设计与建模软件技术，各专业领域还有很大的差距，很多专业领域根本没有工程BIM正向设计的软件产品和技术支撑条件，只能是简单、重复性的“翻模”与“渲染动画”；(4)BIM与网络、通讯等相关技术的集成还有待发展。

在这种大环境的制约下，只有结合工程设计特点，进行对应工程的BIM设计软件研发，解决公路BIM设计中的功能与效率问题，才能真正让公路BIM设计落地。

5 结 语

2016年，交通运输部对美国等国家和地区的BIM技术发展与应用调研报告[14]显示，欧美国家对BIM技术标准体系等的研究总体是早于国内相关行业的。但美国相关工程咨询、建设企业总体对BIM的应用较少，对BIM的关注度明显低于国内。我国在公路运营与管理方面，与国际先进水平还存在一定的差距，但在近30年交通基础设施大发展的背景下，无论是复杂的高速公路、跨海跨江大型桥梁，还是高铁、港口等交通设施建设技术领域，我国的总体“建设技术”是处于国际领先水平的。在如此快速发展的需求与趋势引导下，公路BIM在市场与行业规范、软件技术开发、项目全生命周期应用中，都会顺势发展，而公路BIM推广中最为重要的设计环节，也将在探索中不断完善。