基于BIM技术的山区高速公路正向设计应用与研究

温 博，邓祥明，韦潇树

(1.广西南天高速公路有限公司，广西 南宁 530022；2.广西交通设计集团有限公司，广西 南宁 530029)

0 引言

国内公路行业发展迅速，竞争激烈，对勘察设计成果质量也提出新的要求，公路工程项目应用BIM技术进行设计逐渐形成趋势[1]。BIM技术以信息流为核心，具有数据集成、可视化、高仿真、高协同等优势，能更好地适用于交通领域，是传统工程向数字化工程转型升级的有效手段[2]。在公路工程勘察设计阶段，应用BIM技术能够体现出其独特的技术优势，如三维选线、专业之间数据共享及高效协同设计、工程量自动计算与统计等[3]。目前BIM技术在建筑工程领域应用广泛且逐渐成熟，但在公路工程领域仍然缺乏深入的研究及应用[4]。大多数公路项目应用BIM技术还需要依靠传统CAD图纸进行三维建模，基于三维BIM正向设计的公路工程软件仍然处于探索发展阶段，尚未能做到真正的正向设计[5]。本文基于广西某山区高速公路工程，阐述了BIM技术的应用目标、BIM+GIS三维建模、外业资料管理、三维布线、各专业三维正向设计等方面内容，同时为高速公路项目应用BIM技术进行正向设计提供技术借鉴与工程示范。

1 工程概况

本项目处于施工图设计阶段，路线全长约43.967 km，路基宽度为26 m，双向四车道。本项目沿线地貌单元划分为剥蚀丘陵地貌、剥蚀低山地貌、山前平原地貌，路线前期初步线位沿河谷两岸布线，地质地貌条件复杂多变，路线范围内存在较多的高边坡，局部路段土质疏松。该项目业主在设计招标阶段就明确要求项目提交文件中应包含BIM设计成果。因此在勘察设计阶段需基于BIM技术对项目进行整体把控，应用BIM技术进行三维正向设计，为提高项目勘察设计质量提供良好的技术支撑。

2 BIM应用目标

针对传统二维平面设计中存在的不直观、不高效等问题，采用基于BIM技术的外业调查、BIM+GIS三维建模、三维选线、可视化分析比选、专业协同设计、成果快速输出等手段，提高整个项目设计质量。同时将项目打造成为基于BIM技术进行三维数字化正向设计的公路示范工程，为提升广西高速公路项目设计水平、促进公路传统设计产业的转型升级而服务。

3 勘察设计阶段BIM技术应用

3.1 三维数字化地面模型

公路项目传统三维建模方法是基于CAD二维地形图开展，二维地形图存在调绘时间长、测绘成本高、局部精度较差、设计过程不直观等问题，设计过程要求设计人员具有较高的专业性[6]。基于此，项目地形资料采用无人机激光雷达航测数据与航拍影像相结合的方式获取，再利用BIM技术构建三维高精度数字化地面模型，有效解决了传统测绘耗时长、精度不足等问题。在三维数字地面模型的基础上叠加二维平面地形图，可以实现某点高程准确查询。基于高精度三维数字化模型，可以进行各专业的三维设计。

3.2 BIM外业资料管理系统

在公路工程勘察设计过程中，外业调查是公路工程研究、深化设计方案必不可少的重要环节，外业调查资料的准确性关系到设计成果的质量。

本项目在勘察阶段采用BIM外业资料管理系统进行外业资料管理。BIM外业资料管理系统是利用互联网平台将传统纸质调查数据数字化，可以实现无纸化操作和记录[7]。

该系统统一外业调查的作业流程和技术标准，外业工作可实现全程电子化操作，并将现场照片与调查点一一对应，调查成果自动整理，一键输出。通过该技术，将外业调查数据信息化，查阅方便，不易遗失，从而可以充分发挥调查信息的价值。

3.3 公路工程设计BIM系统

通过对比分析不同BIM软件平台的优缺点，鉴于目前公路工程BIM三维正向设计技术应用较少，在本项目的设计阶段，分别采用Autodesk和公路工程设计BIM系统进行三维正向设计及建模。

公路工程设计BIM系统软件涵盖路线总体、路基、桥梁、涵洞、隧道、交安等各专业子系统。在设计阶段，各专业设计人员可利用基础资料在相应子系统进行设计，各系统之间数据可以有效传递，专业设计成果可以导入沙盘子系统进行数据集成，实现多源数据融合，见图1。

图1 公路工程设计BIM系统总架构图

4 基于BIM技术的三维设计

4.1 路线设计及方案比选

本项目地处山区，地形地物复杂，各种控制因素较多，基于高精度三维数字地面模型，应用线元法、导线法等布设路线方案，可以实现平纵断面联动刷新，加快设计理念的实现。设计过程中的路线平面、纵断面、构造物、边坡等以动态方式链接，可以实时看到设计过程的三维模型，使设计与三维表达有效连接，加强设计人员对项目的理解，减少重复改动的工作量，快速确定最优方案。BIM路线设计过程见图2。

图2 BIM路线设计过程示例图

本项目初步设计路线方案K112+700段与贵广高铁交叉，根据铁路部门要求，公路不应上跨高铁，故初设方案采用下穿形式，存在施工难度大、前后线形指标差等缺点。项目应用BIM技术对该段线位进行快速优化，在河谷一侧设置隧道，出隧道后设置桥梁上跨高铁隧道，减少了后期施工对高铁运营的影响，同时改善了该路段的线形指标，见图3。与初步设计方案对比后表明，该路段优化后减少占地218 400 m2，减少建设投资1.73亿元。

图3 路线方案比选示例图

4.2 路基设计

路基设计子系统是针对路基专业的三维设计建模程序，能够在三维环境下对路基、路面、防护、边沟、支挡、排水、特殊路基、土石方调配等内容进行正向设计和建模。针对局部存在高大边坡的特殊路基段可进行“一坡一设计”，设计成果做到“所见即所得”，提高了路基边坡设计的准确性，见图4。

图4 路基三维正向设计图

通过路基子系统软件建立了构件标准库，基于可视化模型，可以直接对路基边坡、挡墙、排水沟等基本构件进行套用及调整。此外，项目基于BIM技术还做到了边坡防护数量一键分类出图，有效提高了工作效率和减少错漏，避免了路基工程量计算繁杂、结果错漏严重等传统道路设计的问题。

4.3 桥梁设计

传统桥梁设计过程中存在方案变更困难、出图效率低下、质量缺乏保障等问题，基于BIM正向设计理念，本项目应用BIM技术进行常规桥梁设计，实现了模型可视化、设计参数化、信息共享化。应用“桥梁方案设计师”软件布设桥梁方案及优化设计，结合三维GIS场景、激光雷达测绘所得的三维地形及高清影像，将桥梁BIM模型导入其中，对桥梁与周边地形地貌的结合情况进行评估。在三维设计环境下，桥梁跨径布置结合地形、地质、河道的自然几何形态及其稳定性、变迁性特点，以不压缩河道断面、有利于排洪为原则，选用适合的桥型及跨径。跨河桥桥孔和桥墩布设尽可能避开冲沟、桥台和陡坡，基础型式的选择应以尽可能减少开挖为原则。桥梁三维设计效果图见图5。

图5 桥梁三维设计效果图

4.4 隧道设计

本项目应用隧道子系统进行隧道选址，可直观了解隧道间距、隧道埋深、偏压等情况。此外，在进行洞口设计时(见图6)，利用建立的标准库，快速套用相关构件，实现了隧道工程量自动计算、二维一键出图、模型交付等，基于隧道BIM技术正向设计，有效提高了设计准确性及生产效率。

图6 隧道洞口三维设计示例图

4.5 路线交叉

本项目设有枢纽互通立交1处，一般互通立交2处。在施工图设计阶段，应用BIM技术辅助进行互通立交设计并优化设计成果(见图7)。BIM技术应用内容主要包括：

图7 互通立交三维数字化设计示例图

(1)构建项目各个互通立交精细化三维模型，结合三维地形、地貌进行互通立交的局部设计调整和优化。

(2)基于三维模型进行交通组织分析和模拟，优化出入口形式和集散车道的布置，提高行车安全性。交通组织分析是提高道路通行效率的重要举措，需结合交通流量和周边相关路网，涉及对象复杂，且是多目标系统优化模型，其成果不容易表达，且改动量较大。设计图纸费时费力，且由于交通组织是根据时间、空间不停变化的过程，很难用固定的设计图纸表达清楚。通过基于BIM技术的交通模拟，可以实现复杂节点4D交通组织效果的动态三维展示和表达，为交通组织设计和方案决策提供依据。

(3)对于交通流存在交织的枢纽互通立交，例如白马枢纽互通立交，通过对施工方案的三维模拟和仿真，进一步优化了施工方案和施工工序。

5 结语

本文基于广西某山区高速公路项目，将BIM技术应用于项目的勘察设计阶段。(1)将无人机航拍数据和影像相结合，利用BIM构建高精度三维数字化地面模型，在此基础上实现路线、桥梁、隧道、路基、涵洞等多专业的三维正向设计，形成本项目的一大亮点。(2)通过BIM技术将外业调查资料数字化，能有效传递数据及挖掘数据的价值。经过本项目的实际应用研究表明，将BIM技术作为三维辅助设计手段应用于项目勘察设计周期全过程，能有效提高效率，降低成本。