BIM 技術在高速公路工程設計階段的應用研究

張翼飛 余晨曦

（華東交通大學 土木建筑工程學院，江西 南昌330013）

1 概述

BIM技術被認為是一項能夠突破建筑業生產效率低和資源浪費等問題的技術，是建筑設計的第二次革命。 我國工程建設業從2002 年以后開始接觸BIM理念和技術，現階段國內BIM技術的應用以設計單位為主，遠不及美國的發展水平和普及程度，整體上仍處于起步階段，遠未發揮出其全生命周期的應用價值。當前國內各類BIM咨詢企業、培訓機構、政府及行業協會也越來越重視BIM的應用價值和意義，國內先進的建筑設計單位等亦紛紛成立BIM技術小組，積極開展建筑項目全生命周期各階段BIM技術的研究與應用。

BIM 技術作為一種近年來出現的信息化技術，或者說是一種全新的技術理念。但是，由于我國的BIM技術發展起步晚，缺乏較成熟的理論支點和相關的軟件平臺，使得我國的BIM技術發展較為滯后，特別是在高速公路工程中的應用，雖然一些重大項目的施工已經應用了BIM 技術，但大多運用的都較為片面。目前來說大部分的設計單位進行的BIM 工作僅僅是將二維圖紙轉化為三位模型以供向業主進行設計展示。因此，如何將BIM 技術深入的應用于我國高速公路設計中，真正的實現三維輔助設計、各專業的協同工作等問題，應該是我接下來應該關注的重點問題。

2 BIM 技術在高速公路工程設計中的優點

高速公路工程的信息量巨大，復雜構件較多，涵蓋各種復雜類型，影響范圍廣泛，沿線控制因素眾多，線路方案設計及比選較為困難，關鍵技術節點難以把控。而BIM技術可以將所有信息整合在一個建筑信息模型上，將完整的設計方案展示出來，輔助設計，同時使各設計部門的交流溝通更為便捷。

2.1 可視化

BIM建筑信息模型，能夠將所有的構件信息以一種三維圖紙的方式展現出來，輔助各設計部門，使項目的設計及溝通交流在完全可視化的狀態下進行。真實模擬高速公路設計階段的橋梁形式、隧道斷面、綜合管廊、行車道組成、燈光配合，能夠體現重點，加快設計部門解決問題的速度，使設計更為直觀，達到所見即所得的效果。

2.2 協調性

傳統二維圖紙難以展現設計的全部信息，專業與專業之間溝通交流較為困難。利用BIM建筑信息模型的協調性優點，在設計前期的階段將不同專業的設計內容放入同一個信息模型，進行建筑物、鋼筋、管廊的碰撞檢測，優化凈空、優化設計，將設計中隱患的問題暴露出來，減少在后續施工階段可能存在的各種損失及返工情況，同時也提高了專業與專業之間、設計方與業主之間溝通的能力。

2.3 模擬性

高速公路工程大多較為復雜，施工進度難以把控。利用BIM技術強大的模擬性，在設計階段進行施工組織設計，再加上時間維度的規劃，通過協同工作平臺，使后續的管理更為直觀，隨時隨地將施工計劃與實際進展相對比。對于工程中的復雜項目或施工過程中遇到的困難，利用BIM 技術進行虛擬施工，現場預演，使現場施工人員能夠對工程更為了解，提升施工質量，大大減少安全問題。

2.4 優化性

根據高速公路工程線路較長，地形復雜，涉及橋梁隧道較多等特點，利用BIM 強大的設計分析功能，制作數字地形模型（DTM），對設計線路進行平、縱、橫斷面優化，參數化橫斷面與數字地形模型相關聯，自動識別填挖方放坡，實時更新工程量，使設計人員更了解每個方案所涉及的所有影響因素，達到最優選線的目的。

3 BIM 技術在高速公路工程設計階段的應用探究

針對不同領域有不同的BIM軟件，筆者通過對各大BIM 軟件的綜合分析，選擇Bentley 公司相關軟件進行高速公路工程設計階段的相關研究。

3.1 方案比選

3.1.1 二維比選

針對高速公路工程線路控制因素多，線路較長等特點，可以利用BIM的二維，可以根據衛星圖資料，制作全線二維貼圖，并與模型進行匹配，通過Microstation 制作二維線性文件，繪制新建線、現狀路、管廊、可能涉及的拆遷地點等主要控制因素，并以不同的顏色進行區分，配合LumenRT 渲染并制作選線漫游，進行全程設計線路的展示，這樣能夠將線路、管廊等專業的所有設計內容及影響因素清晰直觀的展示在一個平面漫游視頻內，使設計者及業主能夠更清晰明了項目的整體規劃（圖1-2）。

3.1.2 三維比選

圖1 二維比選技術路線圖

圖2 平面漫游展示

建立建數字地形模型（DTM）是BIM 模型的首要工作，它是BIM模型與真實地理地形相結合、分析的基礎。首先根據高速公路沿線的地質環境條件，利用無人機拍攝獲取地形源數據，或者根據二維地形圖生成三維三角網模型，根據實際情況對三角網離散點進行修正，最終生成三位數字地形模型，再通過剪切等二次處理，與三維路、橋、隧模型相結合，實時分析地形，分析設計線路的優缺點，達到真正三維分析比選的效果。

同時還可以與地理信息軟件GIS 結合，融合真實地理信息，對BIM 模型進行三維空間關系分析判斷，包括通視分析、可視域分析、陰影率統計分析、天際線分析、剖面線分析等，實時展示各個設計方案的后續發展情況，輔助設計，使比選更為直觀，更具遠見性。

圖3 三維比選技術路線圖

3.2 平、縱、橫斷面優化

3.2.1 平縱曲線優化

首先根據線路設計人員提供的設計路線平縱文件提資，與三維地質模型一同導入建模軟件OpenRoads Designer。三維地質模型為平縱斷面設計提供真實準確的信息，路線平面線處于地質模型內，路線縱斷面與三維地質模型提取的地面線在同一個設計視圖中，設計人員能夠更清楚設計縱斷面沿線的地形變化。另外，三維地質模型的縱斷面曲線與平面線始終相互關聯，動態更新，平面線的任何設計調整都會直接在對應縱斷面上更新，大大減小設計人員更改設計方案的工作量，同時使設計更為直觀，提高設計質量。

圖4 縱斷面設計優化

3.2.2 橫斷面優化

OpenRoads Designer 軟件橫斷面涵蓋了包括道路、橋梁、隧道的所有構件的參數化設計，在高速公路設計中，通過橫斷面各部件的幾何關系及結構約束條件實現參數化，便于BIM模型的快速生成，同時增樹木、欄桿、車輛等三維實體，使設計結果更為真實的展現在設計者和業主面前。另外，將橫斷面與路基邊坡設置不同的邊坡約束條件，系統會自動根據數字地形模型選擇邊坡的形式與比例。

圖5 橫斷面自動識別放坡

3.3 施工組織設計優化

高速公路工程中涉及立交互通、橋梁隧道等較多，針對這些結構設計、施工環境復雜等工程特點，利用強大的施工模擬功能，輔助設計人員對具體施工工法進行應用研究，科學合理的規劃相關工序及場地布置。同時，對施工設計進行預演，能夠使施工人員更為清楚明了工程的重點以及各自的工作內容。另外，施工組織設計能夠及時發現安全隱患，設計施工中的各項應急預案，同時能夠作為安全方面的技術交底。

4 結論

筆者通過對BIM技術應用優點的闡述，提出了BIM技術在高速公路工程設計階段的具體應用方法以及技術路線，具體分析了BIM技術在方案比選、平縱橫斷面設計優化以及施工組織設計優化中的應用優勢，為相關工程提供理論依據。由此可見，BIM技術在高速公路工程設計中的應用價值。