公路工程BIM技术发展路径研究

王欣南 李金龙 游 威

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司 武汉 430052)

1 概述

1.1 行业政策概述

从2007年起我国就在“十一五”国家科技支撑计划重点项目中启动了“建筑业信息化关键技术研究与应用”课题。BIM技术在我国从研究阶段开始至今已经发展了近13年，住建部最早于2007年推出《关于发布“十一五”国家科技支撑计划重点项目“建筑业信息化关键技术研究与应用”课题申请指南的通知》，推动BIM技术在建筑工程软件方面的研究性工作。

近年来，工业与民用建筑领域的BIM相关国家标准相继发布，推动了BIM技术在工程建设全生命期的应用，总体应用效率和效益都开始逐步显现。BIM技术在交通基础设施行业的应用起步较晚，2016年开始交通运输部相继出台一系列的政策，大力推进BIM技术在公路和水运工程的推广应用。本文收集并整理了交通运输部近年来涉及BIM技术的相关政策文件，并提取了政策文件中BIM相关内容，具体见表1。

表1 交通运输部BIM相关政策文件统计表

续表1

本文将上述文件的主要内容部分利用自然语言处理技术(NLP)进行处理并剔除介词、形容词等无用词后，得到词频统计结果见表2、图1。

表2 交通运输部相关政策文件中标准词频统计表

图1 交通运输部BIM相关政策词频统计图

由图1可见，“BIM技术”“基础设施”“智能”“协同”“数据”等词汇出现频率较高，说明利用信息化领域的相关技术保障施工安全、通过信息化手段实现项目施工管理是一直以来的重点发展内容。随着公路工程全生命期信息化管理水平的提升，“智慧公路““车路协同”等与智能驾驶相关的关键词也经常出现，体现了技术发展的趋势。

1.2 标准编制

截止2019年6月，建筑信息模型的国家标准编制及发布的统计情况见表3。

表3 建筑信息模型国标发布情况统计表

为了更好地收集地方标准的编制情况，通过从互联网等公开资料采集到152条自2013年起与BIM相关的地方性标准的相关报道，并进行词频分析得到结果见表4、图2。

表4 地方BIM类标准词频统计表

图2 地方BIM标准词频统计柱状图

由表4可见，在地方性BIM相关标准的关键词中“信息”“模型”“推进”等词汇的频率较高，说明各省及直辖市在积极推动相关地方标准的编制工作，并规范BIM技术在当地公路工程中应用的流程和成果。

1.3 公路工程BIM技术发展阶段

2017年12月交通运输部印发了《关于推进公路水运工程应用BIM技术的指导意见》，文件中多次强调支持并鼓励相关单位积极研究和应用BIM技术，将BIM技术基础平台研发作为企业发展的长期战略任务，推动BIM技术的广泛应用，并给予明确的政策支持。由此可见，公路工程的BIM应用势在必行，且随着应用的不断深入，将给公路工程行业带来革命性的变化。

2017年开始，交通基础设施行业的各大设计院积极响应政策号召，相继组建BIM中心或相关团队，开展BIM相关技术在公路工程中的研发应用工作，各省、自治区以及直辖市的交通行业主管部门都在积极推进公路BIM应用示范工程的建设。中交第二公路勘察设计研究院BIM应用推广中心承担了交通运输部第一批公路BIM技术应用示范项目中的2项，分别为贵州都匀至安顺高速公路项目和京沪高速公路莱芜至临沂(鲁苏界)段改扩建工程。同时中交第二公路勘察设计研究院BIM应用推广中心作为主要编写单位之一，也承担了交通运输部行业标准《公路工程信息模型应用统一标准》《公路工程设计信息模型应用标准》及《公路工程施工信息模型应用标准》的制定工作。

根据中交第二公路勘察设计研究院近年来工程实践经验总结，本文提出BIM技术在公路工程中应用发展将经历3个阶段，即起步阶段、高速发展阶段和成熟阶段。要真正实现公路工程设计行业由目前基于图纸的二维设计向基于BIM模型的三维设计的转变绝非易事，需要一代科研人员，用10年甚至更长的时间进行相关基础平台的研发和技术储备，才能完成公路工程行业管理模式的转型升级。

BIM技术为公路工程项目信息化和全生命期数据的共享与传递提供工具与平台，将为公路工程建设行业带来革命性变革的趋势是不可逆转的，各公路勘察设计研究院要积极顺应发展趋势，在不同发展阶段积极探索解决方案，为行业的技术发展进步贡献力量。本文将重点分析BIM技术在公路工程中不同应用阶段的特点和相应阶段应重点解决的相关问题。

2 起步阶段

2.1 阶段特征描述

本阶段公路行业内的大型设计单位均较重视本单位三维设计生产能力的建设，设计院内部相继成立BIM中心或组建BIM团队，负责相关BIM课题的研发与工程实践。但由于此阶段公路工程行业内的质量控制仍以传统设计规范为主，而且设计成果的交付形式以设计文件为主，只有部分示范工程要求提交数字化成果，实现公路BIM模型的数字化交付。综上所述，本阶段公路工程设计行业总体呈现二维设计与三维设计并存、二维设计为主的显著特点。公路BIM模型在设计阶段更多的是起辅助设计作用，设计单位充分利用BIM模型的可视化优势，在项目前期阶段促进工程各参与方理解设计方案，提高总体设计质量，减少施工图设计阶段出现大的设计方案变更，有效控制设计周期。

本阶段公路工程BIM模型相关技术标准以及实施标准缺失或不完善，BIM技术在公路工程中的应用属于初级阶段，公路工程信息模型的创建工具和建模平台尚不成熟，道路、桥梁及隧道工程建模效率不高，大型设计院都在积极探索自动化快速建模的解决方案，部分中小型设计院设计人员需要依靠主流建模平台手工完成建模等相关工作。

2.2 重点研究方向

本阶段应重点解决公路BIM模型快速化创建的问题，有自主研发能力的设计单位应基于主流BIM建模平台二次开发，大幅度提高公路BIM模型的建模效率，使公路工程设计人员逐步习惯利用公路BIM模型辅助设计方案的核查和路桥隧主要专业间的设计协同，有效提升公路工程总体设计质量。

公路BIM模型的数字化交付也是本阶段的研究热点，随着工程项目交付需求的增加，不同单位研发的数字化交付平台接踵而来，但功能同质化现象严重，行业内重复建设，造成社会资源浪费。与此同时，公路工程大体量模型的轻量化展示及BIM与GIS技术的融合与集成等关键性技术问题有待完善。

本文统计了目前阶段常用的创建公路BIM模型的相关系统，其主要功能见表5。

表5 公路BIM模型快速化创建的系统功能调研表

由表5可见，目前的相关系统均已具备路线设计的功能，BIM+GIS集成、协同设计建模平台，以及常规碰撞检查等主要功能，系统各有千秋，符合目前市场上建模平台均不成熟的现状，需要大量的二次开发工作才能满足设计人员的设计生产需求。

3 高速发展阶段

3.1 阶段特征描述

本阶段公路行业内各省级公路勘察设计院均具备了一定的三维设计生产力，有技术储备的大型设计单位开始在部分工程项目中探索实现正向设计，有更多的辅助工具帮助设计人员实现基于三维模型生成二维的设计图纸。各单位的BIM中心逐步由科研单位向管理单位转型，开始制定企业级标准，管控三维设计的工作流程和质量。公路BIM模型的数字化交付平台较为成熟，市场内会形成2～3家成熟的平台类产品，大型公路工程项目的建设单位在设计招标阶段，会明确要求设计单位实现实物工程和数字工程的双产品交付。公路BIM模型基本实现了从设计阶段向施工阶段交付，有效避免了施工阶段重新翻模的现象，减少了大量重复劳动和社会资源的浪费。

本阶段公路工程行业的信息模型相关技术标准体系已成熟，部分基础标准已正式发布，并有效指导工程实践。公路工程行业内设计成果的交付形式逐步过渡为以三维模型为主，二维设计图纸为辅。大多数的公路工程要求提交数字化成果。二维的设计图纸在设计阶段更多的是辅助说明的作用。大型设计单位充分利用三维协同设计平台，开展全专业的协同设计，搭建公共数据环境，协同工作方式逐渐由基于文件的协同开始向基于数据的协同转变。设计单位的三维设计能力逐步提升，部分单位形成核心竞争力，设计行业优胜劣汰的趋势更加明显，部分中小型设计企业逐渐被市场淘汰。

3.2 重点研究方向

本阶段应重点解决基于公路BIM模型的全专业协同设计平台的研发，有能力的设计单位应研发适应企业内部管控流程的三维协同设计平台，打造并形成企业的核心竞争力。基于BIM模型生成工程设计图纸的相关辅助工具也是研发热点，更多基于主流BIM建模平台的辅助建模工具日趋成熟，促进设计人员设计习惯的转变，更多的设计人员开始适应正向设计的思路。应用公路BIM模型汇报设计方案和设计思路成为常态，公路工程行业的总体设计质量得到显著提升。

通过大量的市场调研，整理分析现有的已正式发布的协同设计平台产品类见表6，根据调研结果目前尚未有公路工程行业的协同设计平台产品正式发布。已发布的相关产品均起步于工业与民用建筑行业，国外的产品应用早且较成熟，近年来，国内也涌现出来了中设数字CBIM平台等国产平台，在工程建设行业也有大量的成熟应用案例，随着BIM技术在公路工程行业的应用逐步成熟，公路工程行业协同设计平台研发和应用将成为行业内的研发热点。

表6 已发布的协同设计平台产品表

4 成熟阶段

4.1 阶段特征描述

通过十多年的信息技术发展和进步，公路工程信息化的水平得到了高速发展。公路行业内各大中型设计企业均具备正向设计能力，二维设计图纸在工程设计行业已消失殆尽。各单位的BIM中心已完成历史使命，逐渐退出历史舞台。设计院内部均已建设完备的基于三维正向设计的QHSE管理体系。公路BIM模型的数字化交付平台成熟规范，中国数字化高速公路网已搭建完成并初具规模。大型公路工程项目在招投标阶段，对数字化工程建设均已提出明确的要求，设计单位在设计阶段要进行全生命期的规划，充分考虑运维阶段的信息需求，国内的大型公路设计单位，均已构建完备的企业级公路工程构件库，形成企业核心竞争力。具备三维正向协同设计能力的设计企业，将大幅度提升公路工程行业的整体设计质量和效率。

本阶段公路工程行业的数字化工程标准体系已成熟，三维正向设计已成为行业内的新常态。公路工程行业实现全生命期的数字化交付，设计图纸在公路工程建设中逐步退出历史舞台，基于电子签名的数字化设计成果具备了法律效力可以指导公路工程建设实践。由于设计效率的大幅提升，国内的大型公路设计企业逐渐向工程总承包和高端工程咨询集团转型，只有具备三维协同正向设计能力的企业，才能在激烈的市场竞争中生存下来。

4.2 重点研究内容

本阶段应重点研究公路工程信息模型从建设阶段向运维阶段交付，实现工程信息全生命期的共享和传递。基于公路BIM模型的高速公路运维阶段的需求被激发，数字化的智慧公路成为研究热点。随着无人驾驶及移动互联网的迅猛发展，车联网成为现实，人们的公路交通出行方式发生革命性的变化。

5 结语

文中对BIM技术在公路工程中的研发应用及发展路径进行了研究、总结并对未来发展阶段进行了展望；在行业内首次提出了公路工程BIM技术应用三阶段发展路径，对不同阶段的发展特征进行了描述，并对每个阶段的重点研究内容进行了展望和规划。

产业数字化、数字产业化是公路行业的发展趋势，数据赋能产业技术进步的脚步不会停歇，由于主流建模平台的不成熟，大体量公路BIM模型轻量化交付，以及BIM+GIS技术融合等技术瓶颈的限制，公路工程行业整体水平仍将在较长时间内处于起步阶段。但借鉴制造业和工程建筑行业的BIM技术发展趋势，我们可以预见数字化智慧公路的时代即将到来。