BIM技术在公路勘测设计中的应用分析

2021-06-20辛力

运输经理世界 2021年32期

辛力

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州311122）

0 引言

BIM 技术即建筑信息模型，是建筑工程领域的新兴技术，其以数字化仿真建模为基础，具有出图可视化、模拟性、协调性等诸多优势，并且能搭载三维数字化技术、三维协同技术，可有效提升工程设计的精准性、效率，可从工程全生命周期角度对勘测设计实现精准控制。进一步推广BIM 技术在公路勘测设计中的应用，对提升公路勘测设计水平有重要的现实意义。

1 BIM 技术概述

BIM 是建筑信息模型（Building Information Modeling）英文首字母的缩写，为建筑工程领域新兴技术手段，其主要技术内容包括三维图形、构造物相关电脑辅助设计、物件导向等，目前其在提高设计效率、设计效果以及辅助工程管理方面发挥的作用与价值得到了世界范围内的认可。在公路工程中应用BIM 技术，可将设计、施工直至工程拆除的整个生命周期内的信息汇总整合，构建起三维模型信息数据库，便于各个部门协同工作、全面了解工程状态，有助于高效工作、减少资源浪费、节约成本等，对公路行业的可持续发展有重要意义。单纯从设计角度来讲，其改变了传统的设计形式，可通过三维建模与数字化技术的配合，构建起具有工程几何信息、状态信息以及专业属性的仿真模型，集成化显示信息，可供设计环节中各个主体在同一平台上完成信息的交换、共享、交流[1]。

目前，在具体应用实践中，BIM 技术主要呈现出以下特点：第一，可视化，即“所见所得”形式。在工程领域，可视化的运用具有重要价值，其在设计中的应用价值更为突出，能够改变传统以绘制线条形式表达设计意图的模式，可直接给出立体化设计效果，无需再自行想象；且与传统的设计效果图相比，BIM 技术提供的三维立体可视化模型能够显示构件的大小、颜色、位置等多元信息，并且可在模型上直接编辑，可增强构件之间的反馈性与互动性，能够实现整个设计过程可视化。第二，协调性。为确保设计方案的科学性、合理性，减少后续施工期间的设计变更问题，设计过程中建设单位、施工单位需协调配合，当遇到重点、难点时需要各单位协调解决、处理，探究最合适的办法，其中设计过程中更容易发生专业碰撞问题，BIM技术可提供协调性服务，专门对各专业设计期间碰撞问题进行处理与协调[2]。第三，模拟性。BIM 技术并非只能进行三维数字化模型构建，模拟项目建设情况，其也能模拟出真实世界中的事物变化，如日照模拟、节能模拟等，更有利于优化设计，方便指导施工，可加强施工环节的成本控制。第四，优化性。工程项目设计是一个不断优化的过程，在BIM 技术的支持下，能更好地进行优化设计。BIM 技术能够提供准确的信息，如几何信息、规则信息、物理信息等，遇到设计内容复杂度较高的情况，可利用其他科学技术或设备作辅助，帮助设计人员掌握更多自身能力范畴外的信息，进而降低设计工作难度。

2 BIM 技术在公路勘测设计各阶段的应用

2.1 实现协同设计目标

在公路勘察设计中利用BIM 技术可实现虚拟环境选线，便于专家团队、建设单位、监理单位同时参与，高效、协调完成设计目标。在第4 代勘测激光扫描技术的支持下，与BIM 技术相关的三维交互技术愈发成熟，能够建立起更完善的数据库。因此，在公路选线等环节可基于技术应用层面完善三维模型。在初期设计阶段，需要通过勘测获取施工场地的基本地形、地貌信息，并借助机载激光扫描或车载技术将数据汇总到BIM 数据库内，构建起三维模型，模拟施工场地内的实际情况并进行分析，再将空间信息叠加，整个过程中，建设单位、监理单位可同时获得信息，并根据公路建设需要提出完善、优化、整改设计的建议。形成初步设计方案后，则可引入专家系统，通过技术与经济两个层面的约束，分析设计的合理性，并且BIM 技术平台可提供检查、查询及实时修改线位等功能，将各个主体的想法、需求等叠加，以便设计单位更全面地了解公路项目的建设目标，对设计进行优化。在此过程中，BIM 技术平台还能协助各方完成实时动态协同设计，支持实时传递信息、快速访问，提高审核效率，进而提升设计工作整体效率[3]。

2.2 展示可视化模型

传统的公路勘测设计中多利用AutoCAD 软件绘制二维平面图，虽然能设计出剖切图及立面图，但整体缺乏立体性，不方便展示整体效果，且失误率高，在设计方案应用过程中，还需要进一步与施工现场实际情况进行比对，浪费时间与成本。而BIM 技术在公路勘测设计中的应用，不仅能够完善三维仿真立体建模，也能够实现正向设计，展示可视化设计模型如图1所示，便于建设单位等了解设计方案的整体效果。同时，整个设计过程便于控制，保证设计决策从工程整体出发，从而使设计方案更加科学、可靠[4]。此外，在勘测环节也可利用无人机倾斜设计技术构建起可视化三维地质建模平台，还原地上、地下真实场景，为设计提供更直观、更可靠的依据，减少设计中的冲突。

图1 可视化设计模型

2.3 详细比较设计方案

公路勘察设计具有专业性特征，对从业人员的专业技术能力要求较高，但个体之间的能力无法统一，综合素质、设计理念上也存在一定差异，导致相同设计要求下，不同设计人员给出的设计方案不同，其中不乏遗漏重要信息内容的现象，且从经济可行性、技术可行性的角度来讲，也需要对多个设计方案进行评估，最终确保选择最佳方案。以往在对比过程中虽然有专家的参与，但在细节的对比上多依靠经验或主观判断，或存在评判指标单一等情况，难以保证方案评选的客观性。而利用BIM 技术平台有机结合三维数字模型、GIS 三维智能选线技术，则可以严格按照公路规划建设要求进行路线方案的对比与评估，从而帮助建设单位选择最佳设计方案。同时，在方案评比过程中，BIM 技术平台能够自动完成立体模型深度分析及三维平纵定线分析，自动筛选出较高价值的路线，再利用人工智能算法，在公路建设中提出的各种限制条件上，自动优化目标函数[5]。

2.4 碰撞检查可靠

公路工程的线性特点十分突出，但由于线路分散，情况十分复杂，导致勘测设计中经常出现设计文件与图表不一致的情况，需要设计人员反复校核，处理误差。但在BIM 技术平台上，依托数字化三维模型，可完成不同展业对象的碰撞检查，能够快速查找误差与错误，及时对设计参数与内容进行调整。例如，在公路工程中立交桥部分设计过程中，钢筋钢束经常发生冲突，而利用BIM 技术进行碰撞检查，则能准确判断有无冲突及冲突的具体位置。检查中需根据技术参数构建起三维模型图，即采用Revit 钢筋族库完成普通钢筋钢束模型创建，对不同类型钢筋标记不同色彩，加以区分。点开钢筋约束后，设计过程中钢筋位置不会产生冲突，即在相同位置同时设置钢筋，平台会自动调整位置并进行提示，提醒此处已设置钢筋，并且可自动约束，在纵横交错的箍筋中，里面箍筋禁止被移动到外面，根据软件给出的规则进行检查，再将模型调整为可视状态，勾选不阻挡呈现，则可将钢筋钢束实体呈现出来，利用navisworks 再次进行碰撞检测，则可更清晰地体现碰撞点，及时修改即可[6]。

2.5 实现模型出图交付

以往，在公路勘测设计中，通常以二维图纸形式交付设计文件，此方式存在局限，不便于项目的实施。而BIM 技术不仅可以交付二维图纸，也可交付三维数字模型，为项目实施提供更直观的依据。数字化三维模型中有公路工程构件或非构件的状态信息，可用于设计审核、施工方案模拟、施工交底等多个环节，更方便业主了解设计情况、工程预期效果，也可应用到后期的运营监管中，还能增加工程后期养护、维修、改扩建信息，可为重大决策提供关键性数据信息，提高公路勘测设计的使用效果。

3 应用案例

3.1 工程概况

某地新建高速公路工程，施工段长度为8.5km，途经城镇，设计公路时速为120km/h，路基总宽度为33.5m；该施工段内存在4 处互通式立交，涉及37 座高架桥施工，且施工时需预留出远期综合管廊，经现场勘测已基本明确布设条件。但从工程整体情况来看，拆迁难度大，规划中要求保存周围景观，鉴于该设计的复杂性，选择借助BIM 技术进行勘测设计，需要使用Bentley、Micro Station、Project Wise、Context Capture 等软件搭建三维模型平台，完成项目协同管理。

3.2 BIM 技术的实际应用

3.2.1 在勘测环节的应用

BIM 技术联合其他设计软件，可在相同环境下协调完成同一项目的多个任务，如汇总与编辑原始地形地貌勘测数据、勘测设计工程原始地形，实现地面实景构建等。具体来讲，结合Context Capture 软件，可基于布设的102 个高精度像控制点完成公路全线三维实景模型构建，将模型精度控制在1∶2000，再通过三维激光扫描则可在BIM 技术平台上还原真实场景，再叠合地质勘探数据，则可高精度构建三维地层分布模型，确保相关单位全面、准确地掌握现场勘测结果。

3.2.2 在设计环节的应用

（1）建模

基于三维建模，可在模型中反馈出道路中地下、地上管线布设情况以及已有交通设施情况，各专业组基于Project Wise 平台协同完成设计工作；结合Power Civil 软件，可设计公路路线、立交平面与横纵断面，完善可视化模型的信息。对于沿线景观以及现场情况复杂的区域，可在可视化下完成设计方案分析，及时优化设计方案。同时，可在此基础上结合路线，优化管廊布设，这样能够减少管廊施工中的干扰因素。最后利用LumenRT 动态展示三维数字化模型，便可更清晰地体现出工程的拆迁量。

（2）工程量计算

公路工程中的曲面公路及曲面间土方量计算通常为工程量的计算难点，在BIM 技术的支持下，可以更合理地运用复合体积法、平均断面法展开计算，因BIM 技术平台能够生成准确的土方调配图表，动态展示土壤的移动方向，客观的给出集体填挖距离，从而可以更准确地计算出施工量与所需工料。

（3）评审

该项目对勘测设计的要求较高，增加了设计流程的复杂性，使用CAD 无法客观、准确地评比方案，且无法实现各利益方共同参与评比。而通过Project Wise 平台则可实现多方协同完成方案评比工作。设计人员只需将设计模型及数据文件上传至平台，在便携客户端，建设单位、监理单位、施工单位可基于相同的文件数据了解方案内容，且从信息安全角度考虑，平台上仍有其他不具备方案评比权限的主体，可设置权限验证或赋予权限，保证仅有具备参与评比资质的主体能够获得进入权限。

（4）生成设计图

通过BIM 技术完成公路设计后，参考TK 图框、使用数据快捷键，则可自动生成设计图，简化出图流程，此环节能节约大量时间，且图纸均借助相同图例，减少设计过程中对大量重复数据的处理，也可根据需要生成无数个设计草图，而修改中仅对施工模型上的参数进行更改，便可实现数据库内所有设计图中该项数据的更新。

（5）多领域协作、优化

完成公路设计后，为协调其他专业项目的设计，各专业项目可利用协同平台在统一的路线、土方量、横纵断面等数据信息基础上完成设计工作，确保设计基础信息数据的一致性，减少专业项目设计中的冲突。

（6）统一出图

设计工作整体结束后，出图应按照统一的标准进行，避免因设计信息不一致，为其他专业项目设计与后续更改图纸带来不便。

3.2.3 BIM 技术应用效果

在该项目勘测设计中，由于公路途经城镇，工程设计更加复杂，基于BIM 技术提供的地形、地貌实景图，能够更具针对性地设计不同部分的施工方法，便于指导高效、灵活施工方案的编制，且设计期间协调各主体的参与，对设计方案进行全方位的调整与优化，能使设计工作高效进行。即使涉及设计内容调整，在三维数字化模型上完成数据与信息编辑则可完成整个数据库内的同步更新，能够减少诸多不必要的麻烦，显著提高设计效率。