BIM 技术在公路设计中的应用与创新

朱琳 ，麻成明 ，李贤统 ，3，王亮 ，伍朝辉

（1.交通运输部科学研究院基础研究创新中心，北京100029；2.湘西厚驿交通建设投资有限责任公司，湖南 湘西416000；3.北京交通大学，北京 100044）

1 引言

公路建设关系着国家宏观战略、地方经济发展和居民日常出行，公路设计的科学性、合理性对公路建设起到决定性作用。目前，基于CAD 的公路设计方法多以“3-2-3”设计思路为主，用二维的CAD 图纸表达三维设计创意，之后创建三维实体模型，其设计过程不可避免地会出现设计意图表达不准确、空间信息丢失和错漏碰缺问题。建筑信息建模（Building Information Modeling， BIM）在三维空间进行设计与协同，为公路工程的设计与优化带来了新的思路与机遇【1】。

BIM 是对建筑工程物理特征和功能特性信息的数字化承载和可视化表达，它用数字信息为项目各个参与者提供各环节的“模拟和分析”。一方面，受限于设计习惯、交付要求、标准体系、支撑软件等诸多因素，BIM 技术所倡导的“3-3-3”正向设计方法的应用与推广仍不够成熟；另一方面，公路工程具有量大、面广、线长，大面积地表地质模型，不规则路基，长距离的空间地理位置关系等不同于建筑工程的特点，导致建筑工程设计中的BIM 成功经验与技术路线难以直接复制。因此，BIM 技术在公路工程设计中的应用与推广仍是当前一个具有挑战性问题之一。

目前，更多的公路工程设计与研究人员在采用传统CAD设计的同时，同步构建BIM 模型，这一“翻模”过程同样有助于提升设计质量、提高沟通效率，也推动了BIM 技术向正向设计的发展。BIM 技术在公路工程设计阶段的应用已经广泛开展，并已具备支持实际工程应用的能力，但仍存在以下亟待解决的问题：（1）缺少对公路工程多结构对象建模与整合方法的系统梳理。公路工程包含了地形、道路、桥梁、隧道、隧洞、交通安全设施等多种结构对象，不同对象的建模方法不同，缺少对多对象建模与整合方法的系统研究。（2）缺少符合公路工程特点的BIM 模型感知与设计评价方法研究。公路工程是典型的线状工程，对设计结果的评价包括了交通适用性、工程合理性、成本可控性、工期符合性、景观优美性等多个因素，需要研究符合公路工程特点和评价要求的BIM 感知与设计优化方法。

针对以上问题，本文围绕BIM 技术在公路工程设计中的应用与创新方法展开研究，在梳理公路工程特征与设计应用需求的基础上，对公路工程不同结构对象的建模与整合方法进行介绍，并对设计方案审查、工程量估算、可视化展示等公路BIM感知与设计评价方法进行研究，最后提出BIM 设计成果传递要求，有助于形成 BIM 全生命周期管理的数据基础【2～4】。

2 公路工程特征与设计阶段BIM 应用需求

基于公路工程的专业特征分析设计阶段的BIM 应用需求，为BIM 技术在公路工程设计中的应用规划与实施提供基础。

公路工程具有“点多、线长、面广”的线性工程的典型特征，涉及工程包含道路、桥梁、隧道、机电及交通安全等不同专业，具有多种专业分工合作的特点。通常公路工程项目建设规模广阔，包含大面积不规则的地表、地质数字模型，考虑沿线的气候、水文、地质、地貌等复杂的环境因素，导致附加信息量增多。同其他建筑工程比较，公路工程设计存在显著的差异性。BIM 技术为公路设计阶段的各个参与者提供了模拟和分析工具，结合公路工程专业特点，在设计阶段对BIM 技术有着更为迫切的需求。（1）二维设计的三维复核，提高设计准确率。公路工程设计中多以“翻模”为主，即先出图，后出模，二维图纸设计往往由于不可避免的人为因素形成大量的错漏碰缺，造成项目变更增加和成本上升，以BIM 模型为基础复核图纸的错误和不足提高设计质量，减少设计变更，降低设计成本。（2）工程算量的快速估算，优化资源配置。根据公路工程的不同建设情况与质量要求，其投资额从几亿元到几百亿元不等，施工过程涉及大量的土方工程，如何保持填挖方平衡、合理规划土方工程是设计阶段需要考虑的内容，利用BIM 技术有效避免因传统测量方法出现的差误，及时根据设计方案的要求快速预算设计过程工程量，预算工程用料的资源配置，控制建设成本。（3）三维可视化表达，减少沟通成本。三维可视化设计有效弥补了项目各参与方因对传统建筑图纸的理解差异造成的交流鸿沟，可以从不同视角全方位地理解设计意图，提升决策的科学性和效率。（4）多专业数字化成果交付，为全生命周期应用提供数据保障。公路工程设计成果通过三维设计信息模型进一步向施工、运维阶段继承和传递，有助于实现全过程信息协同，推进公路工程向设计全生命周期BIM 应用的发展【5～7】。

3 BIM 技术在公路工程设计中的应用

对BIM 技术在公路设计中的高效建模、设计方案审查、工程量计算、可视化展示等关键技术与方法展开研究。

3.1 多结构对象的BIM 建模与整合

公路工程中涉及地形、道路、桥梁、隧道等多种结构对象，需要结合不同类型的软件进行相应模型构建，不同软件的数据格式、模型精度、坐标位置不尽相同，还需要将不同对象建模结果整合到一个统一的场景中，以满足工程设计需求。本文以Autodesk 的软件体系为例，对公路工程的多结构对象BIM建模与整合方法进行系统总结【8】。

3.1.1 地形创建

基于地形点云、电子地形图、等高线等数据构建地形曲面，结合设计的道路中心线、横断面、纵断面设计数据，构建道路装配，完成带有多级放坡的道路曲面模型构建，为道路选线和土方计算提供精确的地面模型。

3.1.2 道路模型自动创建

道路模型的构建即道路横纵断面的设计，要求路面宽度、路基填挖方、道路放坡以及道路附属设施的装配上与实际道路相符。Civil 3D 可以通过自定义方式自动创建道路横纵断面模型，与所创建好的真实地形模型贴合后，能够真实反映所建道路（见图1），节省了设计阶段对道路横纵断面图的绘制环节。

图1 道路模型示例

3.1.3 桥梁的参数化族构建

桥梁具有结构清晰、构件功能明确的特征，公路工程全线建设通常包含多座桥梁，通过桥梁结构参数化建模方法实现桥梁BIM 参数化快速建模及出图。可利用Revit 结合Dynamo，首先使用Revit 对各桥梁结构进行建模，再利用Dynamo 自动创建功能进行构件组合，同时可通过参数驱动灵活调整桥梁构件满足用户需求。另外，还可以将各通用族模型复用在不同的桥梁设计中，大大节省桥梁模型构建所需的时间。

3.1.4 隧道创建

隧道模型与道路模型构建方法一致，建造隧道BIM 模型时需按照设计要求设置取弃土方量。可利用Civil 3D 结合GIS软件，运用Civil 3D 软件制作无数据信息的三维模型，并结合GIS 软件提取的三维地形数据生成三维数据模型。其次， 在三维数据模型的基础上， 结合地质软件进行专业地质设计， 最后生成隧道模型，如图2 所示。

图2 隧道建模示例

3.1.5 全线整合

公路工程不同结构对象的BIM 模型需要通过不同软件进行绘制与编辑，由于各个软件功能性不同，因此，所构建好的模型无法在同一款软件中直接整合，需要将建好的每部分模型转换成通用格式文件利用整合软件组合拼接。一般将地形、道路曲面的IMX 格式文件和桥梁模型的FBX 格式文件添加进Infraworks 中，选择好合适的坐标系，地形、道路曲面将会在Infraworks 中生成。在放置桥梁模型时，选择和地形、道路曲面相同的坐标系，从而完成全线桥梁与地形、道路的模型整合。在Infraworks 中还可以对已创建好的道路模型进行路面样式的更改，对道路添加相应的附属交安设施，从而让线路达到最贴近真实情况的效果。

3.2 设计方案审查

在公路设计阶段，根据公路工程项目实际需求，利用BIM模型可以实现设计方案的快速审查与优化调整，提前验证方案的可行性，减少方案冲突，提高设计效率，节约时间及费用。

3.2.1 碰撞检测

利用BIM 技术碰撞检测功能可以对设计过程中的钢筋及预应力、桥梁设施、隧道管线以及其他构件的碰撞问题进行检查，辅助方案对比，优化空间布置。

3.2.2 关键构件力学分析与验证

在桥梁工程的设计阶段，其结构的受力分析是确保工程质量的重点，目前国内常用的专业软件有Abaqus、Midas、ANSYS 等进行验证分析。以Abaqus 软件为例，首先将BIM 模型转换成通用FBX 格式或OBJ 文件导入Abaqus 中，多个构件对象模型拼装组合形成整体模型，根据实际需求设置边界条件，添加荷载工况，划分模型网格进行模拟计算，根据得出的计算结果对整体结构进行分析优化，往复迭代，最终形成设计阶段力学分析结果，连同计算模型向施工、运维阶段传递，可为后学阶段力学分析提供可靠的数据依据。

3.2.3 隐蔽工程显式表达

在公路工程中，BIM 技术可以对桥梁工程、隧道工程、道路排水沟等隐蔽工程进行直观排查，尤其是桥梁桩基础、承台等施工信息和沿线隧道工程的信息，设计人员能够从任意角度、任意断面直观查看设计情况，有效增加设计的精确度。通过BIM 技术的应用，准确、详细地对沿线地下隐蔽工程信息加以记录，为施工、运维阶段提供便捷的服务。

3.2.4 驾驶员第一视角的设计方案评价

公路工程中涉及的各种道路行驶、出入口、休息站的设计既要考虑工程力学的合理性、美观性，又要分析交通流的合理性、安全性等问题。通过BIM 技术以第一视角去体验能让参与者从多方位发现项目的不足之处，从而能够更加合理、切实地提出相关建议，实现以人为本的设计评价与协同工作。例如，对公路工程BIM 场景提供汽车驾驶员第一视角的感知方式，实现对BIM 场景的虚拟驾驶感知与设计结果评价。如图3 所示，漫游评价中发现地面转向标志与路口太近主路入口存在视野遮挡。

图3 第一视角标线评价

3.2.5 交通量检测与交通适用性评价

基于BIM 的交通仿真应用方法是有效利用BIM 模型中所包含的信息，应用于构建交通仿真道路模型，并完成交通仿真的过程。相比于传统的描点建模方法，具有高效性、准确性和动态更新的功能。找到交通拥堵点是交通仿真研究重要的内容，首先要分析道路网的交通需求，分析在不同交通压力下，道路交通拥堵敏感区域位置。在设计阶段即可以发现存在拥堵的区域，避免设计失误，减少二次投资。

3.3 工程量计算

利用公路设计阶段的BIM 模型，快速估算钢筋用量、混凝土量、填挖方量等工程量与成本，为用户评估设计方案、控制成本提供数据支持。

3.3.1 钢筋用量计算

在Revit 中对族部件进行钢筋用量函数的编制，在族属性设置中将不同种类钢筋进行分类，钢筋用量与族参数做关联，通过计算函数驱动，只需要改变族部件的尺寸就可以自动计算出不同型号钢筋的用量，以此来进行项目成本的计算，提升项目成本计算效率。

3.3.2 混凝土计算

Revit 根据构件自身尺寸可以自动计算出构件体积，根据实际需求将混凝土折损系数加入计算函数中，相应构件混凝土用量就可以自动算出。在项目审计查阅时，只需要查看结构属性就可以直接观察到相应构件的混凝土用量，从而与实际工程所需用量进行分析比较。

3.3.3 土方量计算

在Civil 3D 中可以通过曲面体积计算法、放坡体积计算法和横断面法针对不同分析对象分别计算填挖方量，根据实际地形设置好的开挖基准面选择放坡形式，根据设计要求Civil 3D 自动计算出相应的土方量，如果曲面完全且准确反映地形，那么，土方量的计算结果也完全准确，除提升工程计量的效率外，也解决了实际工程中土方量计算困难的问题。

3.4 三维可视化表达

BIM 模型具有二维图纸无法体现的优势，能够更直观地表达结构的信息，可以通过不同视角、不同立面和不同剖切面的设置任意获取所需的工程信息，以更加直观的方式实现方案比选、模型发布、全息展示、施工交底、沟通汇报等。

3.4.1 方案比选

利用BIM 技术可以在项目初设阶段对不同方案进行快速建模和直观对比，三维展示使项目沟通更加顺畅，设计方提供不同方案的BIM 模型可以尽可能地把自己对工程的设想和需求有效地传达给业主方，还可用于不同设计方案的三维比对、工程招投标沟通与辅助汇报、基于BIM 的不同专业之间协同检查、不同设计方案的辅助专家评审等方面。

在初设阶段，还可以基于不同方案的BIM 模型，进行基于BIM 的资源优化及资金计划，通过初设阶段BIM 方案比选与投资估算，遴选出性价比最优方案，从顶层来减少成本。

3.4.2 模型轻量化发布

模型的存储容量和软件兼容性的问题是目前阻碍BIM 数据共享的重要因素。可以通过Forge 平台将百兆文件压缩至0.42MB，从而完成模型的轻量化处理。另一方面，Forge 平台目前可以兼容的格式包括Autodesk、Bently、达索、犀牛等主流软件格式，可以实现不同软件平台间模型的交流。

3.4.3 全息展示

利用虚拟现实技术对BIM 模型进行全息成像展示，满足多人协同感知和讨论的需要。全息成像展示使得各方能够预先观看到在建项目建成后的成果，从而可以针对所建项目提出其他修改建议或改进方案。

3.4.4 增强现实施工交底

用增强现实（AR）技术将BIM 模型和施工标注信息增强到二维施工图纸上，实现施工人员从二维图纸到三维BIM 的感知延伸。一线施工人员只需要用手机扫一扫设计图纸就可以看到对应的BIM 模型、标注等信息，有助于实现设计意图在施工阶段的准确表达，提高施工交底的效率。

3.5 全生命周期数据传递要求

公路工程设计阶段的BIM 成果可以进一步传递到施工阶段，为工程精细化施工和智能建造提供数据基础。根据全生命周期的数据流转要求和工程施工实际需求，对设计阶段的BIM 模型与成果进行集成和整合，以满足全生命周期数据传递的要求。另一方面，基于公路工程施工、养护和运营阶段的BIM 应用与实践，将BIM 应用中涉及设计阶段的问题和经验反馈回设计阶段，将有助于完善工程全生命周期的数据流转与管理。全生命周期共享模型见图4。

依据设计信息模型满足成本、施工、运维等要求支撑全过程生命周期数据传递，从而实现BIM 在全生命期的协同管理。

图4 全生命周期共享模型

4 结语

BIM 技术在公路工程设计中的应用与推广仍是当前具有挑战性的问题之一，本文围绕BIM 技术在公路工程设计中的应用与创新方法展开研究，在梳理公路工程特征与设计应用需求的基础上，对公路工程地形、道路、桥梁、隧道等多结构对象建模与整合方法进行了系统梳理，并重点对设计方案审查、工程量估算、可视化展示等符合公路工程特点的BIM 模型感知与设计评价方法进行了研究，最后提出了BIM 设计成果传递要求，为公路工程全生命周期管理提供数据基础。