BIM 技术在道路设计中的应用

李鼎夫　李旭彪

【摘 要】BIM技术在传统的建筑行业中应用的越来越多。然而，在中国的道路设计行业，BIM技术的在实际工程中的运用仍处于初级阶段。文章介绍在数字科技发展的基础上，对BIM在设计方案优化、模拟施工、数据交互、提高施工效率，资源节约等方面的实际应用进行了相关研究，为实现道路建设项目各参与单位数据共享，提高设计施工和资源利用的效率，为下阶段决策提供支持而构建的全过程信息模型。

【关键词】道路工程; BIM; 模型; 数据共享; 技术路线

【中图分类号】TU391.99【文献标志码】A

BIM是Building Information Modeling的缩写，在国内翻译为建筑信息模型[1]，利用计算机数据手段建立包含各种工程信息的三维建筑模型，产生于1975年。在20世纪90年代由于计算机技术的普及和发展BIM技术也因此被越来越多的人所熟悉。2002年后，它與Revit概念促进更广泛的应用。BIM技术具有协同、可视化、优化和仿真等特点[2]。BIM技术在市政道路设计中的应用可以有效地避免实际施工与设计不一致的情况，极大地提高了设计速度和正确率。

1 BIM 技术的概念及特点分析

BIM技术被人们称为建筑信息模型，是一种新型的数字信息技术方法[3]，在道路设计中的应用主要体现在对项目功能的直观呈现和工程主体的三维化表示上并且建立三维的数字模拟模型。BIM技术可以储存道路工程项目的相关技术参数，详细地描述工程的各种信息，并包含丰富的工程数据参数。BIM技术构建了一个数据资源庞大、数字化程度很高的数字信息模型[4]。BIM技术还被用来模拟工程的数字模拟模型，实现工程数据的跨平台传输和共享的建设。BIM技术具有信息完整性、三维参数化和开放交互性等特点。BIM技术的信息全面性表明，BIM技术可以通过输入各种相关工程参数来建立数字信息模拟单元，用数字表示道路工程的路基、路面和挡土墙等结构单元，以完成道路和其附属工程三维数字模型的建立。BIM技术的三维数字化是指建立与道路及其附属工程有关数据的数字三维模拟模型，并进行相应的模拟和数字分析。BIM技术的完整性意味着BIM技术可以实现对建设工程设计中结构关系的描述，能够描述和表达建设材料、对象、工程体量和结构关系的所有信息[5]。

2 BIM应用在道路设计中的作用及优势

2.1 充分表达设计意图

通过BIM技术建立的可实现的三维数字模型，避免了传统的二维CAD技术在设计前期以及设计过程中的不足[6]。将BIM技术应用在道路设计中，可以直接在设计的第一阶段对道路设计完成后的效果有一个立体的了解，可以对设计过程中的细节控制有全面的把控。在BIM技术的实际应用中，BIM技术可以在设计的整个过程中对设计细节更好的把控，更明了的表达设计者的设计理念。

2.2 模拟分析能力显著

BIM的主要作用是利用信息技术来提高整个建筑行业的生产效率。BIM具有对数字信息的获得、信息的传输、信息的处理、信息的使用和信息的共享等功能，其工程项目数据信息不是单一存在的，而是一个自粗到细的、有逻辑的、大型的数据网络综合处理系统。BIM技术可以在道路设计阶段直观地了解道路工程设计成果的实时状态，极大地帮助设计人员发现道路设计中所忽略的细节， 并以此为依据调整设计图并可以模拟和分析道路在实际运作环境下的表现[7]。

2.3 有较高精确协调性

在道路工程设计中，传统的二维设计模式虽然在道路上能起到一定的作用，但条件不足，适应性不好。当道路条件较差，道路波动较大时，很难准确估计道路工程量，容易产生较大误差，影响道路建设[8]。与BIM技术结合是改变整个建设行业的关键点。 BIM技术可以对过去建设行业松散的管理模式和信息传递不及时的状态带来改善，构建数字化信息模型协调平台提高设计施工的效率。

3 BIM 技术的应用分析

3.1 应用现状

发达国家在BIM的应用上逐渐加深。在欧洲，BIM在基础设施设计方案中的运用越来越广泛。基于BIM的3D CAD技术也已成为日本政府信息化推广计划中的重要部分。随着国际交流的日益频繁，中国许多知名的设计院也已将BIM建模作为大型道路建设项目中不可缺少的重要环节。但是，与那些国家相比我们在应用的深度和广度上，以及接受度上还存在较大的差距。虽然在道路设计领域我们进行了不断的尝试，但尚未达到与发达国家相应的应用水平。

3.2 切合国际标准

目前，我国各个设计公司使用的BIM软件种类很多，每个软件都有不同的界面和插件系统，难以互相沟通。行业需要选择广泛适用的BIM软件，统一项目成果输出格式和应用标准。 对于市政道路新建与改扩建设计过程中与现有市政管线的冲突，设计和规划部门迫切需要BIM软件来对复杂的地下管线系统进行避让与管理。 同时，道路设计对地形特征等数据的准确性提出了更高的要求[9]，可以提高BIM技术的兼容性，并可以与地理信息系统很好地结合。

4 道路BIM模型设计技术路线

4.1 道路构件结构树的建立

BIM系统结构树的建立，离不开道路各个组成结构模型的支撑。有了这些模块化的构件，可以使建模工作化繁为简，提高工作效率，而且可以对道路项目全寿命周期内的相关信息进行检索，提高信息管理和使用效率。

建立结构树的主要方法是将道路工程中不同构件进行分类。 可以将道路工程的结构构件划分为4层：第一层根据不同的地质，地形来划分;第二层根据不同构件的细化功能组合划分; 第三层根据不同组合的工程量划分; 第四层根据实际建模要求将组件精炼为单元，并完成结构树的构建。

4.2 道路BIM设计技术路线

开展道路BIM设计主要包括道路信息模型的建立和对建立后模型信息的应用两个任务。基于BIM环境的道路设计，首项工作是建立三维地面模型。道路设计过程中点多线长，因此对地形数据的使用较为频繁。BIM软件应该对多种类型的测绘数据兼容支持多类型测绘数据建模。其次，BIM软件应该具备对测绘数据进行汇水路径分析、高程构网分析等的初步分析能力，并丰富三维展示的形式。

当前，最具前景的技术是地形地物模型实景生成技术，这一技术不仅可还原真实的地形特征还可以对地面构筑物的轮廓和尺寸数据进行详细展现，对真实世界的还原性较高。

用BIM进行建模的关键在于参数化的设计，一般可理解为参数化构件和参数化修改。无论是工程整体BIM模型还是构件模型都采用面向对象的设计方法，对象通过参数所代表的信息反映。参数化修改即对象之间的几何约束和工程约束，几何约束又包括结构约束和尺寸约束。结构约束是指几何元素之间的拓扑约束关系，如平行、垂直、相切、对称等;尺寸约束则是通过尺寸标注表示的约束，如距离尺寸、角度尺寸、半径尺寸等。工程约束是指尺寸之间的约束关系，通过定义尺寸变量及它们之间在数值上和逻辑上的关系来表示。

整体工程BIM模型和组件模型均采用面向对象的设计方法，并且对象由参数话的信息进行反映。 参数修改是指对象之间的几何约束和工程约束的修改，几何约束包括结构约束和尺寸约束。 结构约束是指几何元素之间的拓扑约束，例如平行、对称、相切、垂直等;尺寸约束是指通过尺寸表示的约束，例如距离尺寸、半径尺寸和角度尺寸。 工程约束是指不同尺寸之间通过定义尺寸变量及其数值和逻辑关系来表示的约束。

5 BIM在工程应用中存在的问题及解决方法

建设项目涉及到许多不同的领域，相关的工程专业知识的差别使BIM建模平台很难统一。各个BIM建模平台的数据结构和数据格式存在很大差异，跨平台的数据交换和数据共享存在很大问题[10]。现有的国外BIM软件本土化程度不高，尚无一款BIM软件可完全适应国内道路设计环境。 与此同时，道路工程的设计需要多种不同的软件协同使用，如设计，绘图和计算，这些软件专业性强，数据结构和数据格式不同，难以融入大型BIM系统。解决方法是：相关部门牵头行动制定关于BIM的国家标准和统一技术规范，解决各平台间数据交换和数据共享的问题。

6 结论

由于计算机信息技术的发展，BIM技术是建筑信息化进程中一个重要的进展。把建筑技术提高到一个新的层次，完善建设管理信息化，提高工程效率。相信在各参建方的共同努力下，BIM技术在中国建设信息化的进程中将会扮演重要的角色。BIM技术在道路设计中的使用是工程设计领域的重大进步[11]。对于在新建或改扩建道路设计项目中新建构造物与原有构造物及管线冲突的问题，急需规划和设计管理部门也应用BIM软件对各种相关设施进行统一协调管理。同时道路设计对测绘数据的精确性要求较高，可以将BIM软件在兼容性上进行升级，能够与GIS技术相互兼容。在可预见的未来，道路设计与BIM技术的结合不可避免，因此，有必要在现有工作中加强BIM技术的应用，推动中国建设信息化和智能化的进一步提高和发展。

参考文献

[1] EASTMAN C.BIM Handbook：a guide to building information mod-eling for owners，managers，designers，engineers and contractors [J].Wiley，2011，12（3） ： 101-102.

[2]GE Wenlan. The Second Dimension of BIM—The BIM Application of Different Project Participants [M]. Beijing： China Building Industry Press，2011.

[3]BIM Technical Committee. BIM Software and Hardware Product E-valuation report[R].Beijing： China State Construction，2014.

[4]HE Guanpei. BIM General [M].Beijing： China Building Industry Press，2011.

[5]ZHANG Jianping，YU Fangqiang，ZHAO Wenzhong，et al.esearch and application of BIM technology in Xing-Fen Highway construction project[J].The Construction Technology，2014，43（ 18） ： 92-95.

[6]蒲紅克.BIM 技术在城市道路与管道协同规划设计中的应用[J]. 城市道桥与防洪，2013（11）：37-39.

[7]余萌.BIM 技术在市政道路设计中的应用研究[J]. 四川建材，2016（2）：149.

[8]郭高洁.浅析 BIM 在城市道路设计中的应用[J]. 四川水泥，2016（5）：70.

[9]郎永贤.对公路工程路基路面压实施工技术的探究[J].青海交通科技，2017（ 1）： 82-83.

[10]李慧卿.公路工程路基路面压实施工技术措施分析[J].安徽建筑，2017（ 1）： 101-102.

[11]李想.BIM 技术在山区道路设计中的应用研究[J].四川建材，2016（3）;80-81.

[定稿日期]2021-01-20

[作者简介]李鼎夫（1993～），男，硕士，工程师，从事道路设计工作。