BIM技術在公路工程設計中的應用淺析

徐開華，王黎明

(中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100089)

0 引 言

隨著我國經濟發展水平的日益提高，基礎設施建設正在逐步完善，公路的質量直接影響公路的全生命周期，更關乎著人民群眾的安全便捷出行。公路勘察設計是公路工程質量的基礎保障，公路勘察設計直接關系到公路質量和行車安全。

新時期對于公路設計提出了更高的要求，特別是黨的十八大以來，在以習近平總書記提出的“綠水青山就是金山銀山”的生態文明思想指引下，公路建設需求增長迅猛，公路工程建設由大面積建設逐漸向創新、協調、綠色、開放、共享、高效等方面轉變，因此，設計人員作為公路的先行者，必須重視對先進信息技術的學習。

在傳統的公路工程設計過程中，設計人員一般采用CAD、瑋地、Card1等設計軟件對工程進行二維設計，由于公路工程設計涉及路線、路基路面、橋梁、隧道、互通式立交、平面交叉、交通工程、沿線設施等多專業，專業之間互有交叉，且影響范圍較大，設計出來的成果會有一定的缺陷，導致后期設計變更增加，進而影響工程項目成本和總投資。工程設計的目的在于在滿足工程安全的前提下，把建設用地信息全面地傳遞給交通規劃部門，把工程量和控制因素準確地傳遞給建設單位，把設計意圖完整地傳達給施工單位。然而，隨著道路建等級的提高，建設難度越來越大，公路各組成部分越來越多，線性復雜且構造物造型各異，對建設環境要求也越來越高，加之二維平面設計存在大量的“錯、漏、碰、缺”等現象，在設計階段難以用二維設計圖紙檢查出來，且遠超過工程師的空間想象力，因此這種現象只能在施工階段再發現、再變更，進而影響整個工程的造價。

傳統模式下建設工程從設計到施工的流轉：設計出平面CAD圖紙，施工單位拿到設計圖紙后，需要做的工作包括：施工深化圖紙，利用現場施工安裝經驗來彌補圖紙的不精確表達，甚至需要設計交底、圖紙變更單、技術核定單等。這種傳統模式屬于勞動力密集、高能耗的工作流程，很大程度上依靠人的因素。設計師需要考慮的信息量相對較少，對于信息的缺失和誤傳導，彌補方式相對簡單；施工方則需要處理大量的信息，包括讀取圖紙信息，分析可行性，拆算工程量，核定價格等等。對于有經驗的施工方很多東西可以預計，如果經驗不足，可能出現的情況是施工過程中發現問題再去找設計，施工工期延誤也成了情理之中的事情。

通過采用BIM技術進行公路工程設計，不僅可以提高設計意圖表達的準確性，可以彌補CAD技術的不足，而且能較好的解決這些問題。從而為決策者、設計者提供更加便捷的設計手段，為傳統勘察設計與BIM(Building Information Modeling的簡稱，中文名為“建筑信息模型”)等新技術相互結合提供一種新思路，進而推動對公路信息化設計和智能化管理。作為設計企業，應利用BIM技術開發新的盈利模式，才能更好地為業主服務，提升設計企業的價值。

1 BIM技術概念

BIM即建筑信息模型，是一種建筑全生命周期的業務流程，是建筑數據在設計、建設和運營過程中的應用，項目不同參與方通過一個平臺進行操作并共享信息，以對軟件為工具集成應用，各自發揮長處和作用的應用過程。

隨著我國相關部門對BIM技術研究的深入，以及基于BIM技術的軟件平臺功能不斷完善，BIM技術應用于實施已經在我國逐漸開展。2017年7月，我國住房和城鄉建設部頒布的《建筑信息模型施工應用標準》，對BIM的定義為：在建設工程及設施全生命期內，對其物理和功能特性進行數字化表達，并依此設計、施工、運營的過程和結果的總稱。

BIM可通過數字化技術，在計算機建立一座數字工程實體則提供了一個完整的、具有邏輯映射關系的工程信息庫，從而為工程設計提供更優質的服務。

2 BIM技術在公路工程設計中的優點

2.1 可視化

公路設計是一項十分復雜的工作，設計中會涉及大量的參數、數據，數據多、計算量大是設計的顯著特點，設計人員不僅要必須要考慮到方方面面的因素，而且要站在整體的視角去考慮整個設計方案的合理性，這對于設計人員而言是非常困難的。通過運用BIM技術，可以構建建筑物的三維模型，從而實現模型可視化，即“所見即所得”。其成果不僅可以應用于報表的生成和效果圖的展示，也可使得項目設計、建造、運營過程中的溝通、決策、討論都可以在可視化狀態下進行，實現真正的所見即所得。

2.2 協調性

BIM技術具有較高可協調性。在進行公路工程設計時，會涉及多個專業，由于各專業設計師之間的溝通不到位，各專業會出現沖突。BIM的協調性服務就可以幫助處理這種問題，也就是說BIM可在公路工程施工前期對各專業的碰撞問題進行協調，通過協調數據，各種專業碰撞問題會得到避免。

2.3 模擬性

BIM正好符合大數據集成與整合，其強大的模擬與分析能力滿足了現代對于建筑工程的指導與演示需求，BIM技術不僅能實現對公路設計模型的模擬，還可以實現對實際狀態中不易操作的問題進行模擬。除此以外，BIM技術還可以對施工、進度、成本、現場布置與安全等進行模擬。在后期的運營階段也可以模擬日常養護及應急處置等，如道路維護與應急處置等的模擬。通過BIM技術配合相關軟件對建筑項目中周邊環境的地理信息、環境信息、自然氣象信息等等進行集成與分析，模擬項目的熱能傳到、日照、風向甚至是自然災害等狀況。同時，還可以對項目的設備設施的能耗、負荷等進行模擬分析，得出建筑設備所需的能耗數值、能效信息，調整設計方案，實現綠色設計與建筑。

2.4 優化性

具有優化性特點。BIM模型提供了所有公路勘察設計信息，包括公路規劃、幾何信息、物理信息，并且通過計算機模擬設計可一次生成上百種設計方案，通過對控制維度的把控，逐漸篩選出最優秀的設計方案。在大型且復雜項目中，與傳統的設計成果相比，BIM技術可通過各種優化工具，實現對公路復雜問題的優化，且優化出的成果效果更為可靠。

2.5 可出圖性

在傳統2D繪圖環境下，所有圖紙都是孤立的：從平面圖繪制，然后再是里面、剖面，隨著項目進程，變動時分別更改，容易造成繪圖錯誤。然而在運用BIM時，首先可以對公路勘察的可視化展示、協調、模擬、優化；其次在檢查碰撞、修改設計后，相應錯誤就被消除，同時提供碰撞檢查報告，及修改方案；最后，可以自動生成所有視圖。因此，在公路工程設計中采用BIM技術，可以使工程師在大量繁瑣的圖紙中解放出來。

2.6 協同化

在采用傳統的設計方法解決專業問題時明顯存在著數據交換不充分、理解不完整等問題。BIM技術可以改善以往工程建設行業各參與方較為松散的管理體系，減少信息的流失，并利用建造的數字信息模型將各方協同到一個平臺，提高設計質量。通過BIM技術可以使項目成員在同一個環境下用同一套標準來完成同一個設計項目，確保設計過程中，各專業并行設計，溝通及時、準確。協同化設計的最終目的是使建筑設計各專業內和專業間配合更加緊密，信息傳遞更加準確有效，減少重復性勞動，最終實現設計效率的提升。

2.7 增益性

BIM技術的增益性主要體現在設計階段，使用BIM技術流將工作級別轉移到項目早期時的能力，影響項目的成本和性能是高的，進行設計更改的成本是低的(如圖1綠色曲線所示)。這使得工程師們可以花更多的時間來評估優化設計的假設場景，而花更少的時間來編制施工文檔。考慮到這一點，考慮采用BIM過程如何轉化為道路和公路設計的實際利益。BIM打造的是一個流線化的工作過程，強調將項目設計轉移到詳細設計階段影響項目績效的能力是最高的，設計成本達到最低。

圖1 項目全生命周期內BIM與項目各階段成本之間的關系

3 BIM在公路設計階段的應用分析

3.1 道路建模

直接利用道路幾何設計基礎數據和地形數據，構建準確的地面、道路以及橋隧等的三維實體模型，再利用衛星或者航空數字影像進行模型貼圖處理后，營造出公路虛擬現實空間。

使用BIM軟件可以更高效地設計公路模型，例如可以創建更新的交互式平面交叉路口模型。同時可以利用內置的部件(包括行車道、人行道、溝渠和復雜的車道組件)，可以根據常用設計規范更迅速的設計環島，包括交通標識和路面標線等。或者根據設計標準創建自己的部件。使施工圖和標注始終處于最新狀態，便于設計師集中精力優化設計。強大聯動功能，平、立、剖面、明細表雙向關聯，一處修改，處處更新，自動避免低級錯誤。

3.2 工程量計算與分析

傳統的工程量計算方式得到的并不是一個工程所含有的井工程量，因此會有較大誤差。運用BIM軟件(civil3D建模)可以模擬工程構件的三維實體模型，能計算出土石方的開挖量與回填量，使用生成土方調配圖表，用以分析適合的挖填距離，要移動的土方數量及移動方向，確定取土坑和棄土堆的可能位置，做到土方調配平衡計算的精確化和精細化，并且可以節約大量時間，進而對項目成本管控發揮了重要作用。

3.3 碰撞檢查

各專業工程師在設計過程中針對每個工程項目中的不同部分可能出現沖突，這種問題可以通過碰撞檢查解決，碰撞檢查分為硬碰撞和軟碰撞。系統直接把二維圖紙變成三維模型并整合所有專業，通過軟件內置的邏輯關系可以自動查找出來，對道路進行碰撞檢查后，得到硬碰撞數量為67，軟碰撞數量為361。

3.4 自動生成施工平面圖

在精確建模的基礎上，用Revit建模生成的平立圖完全對得起來，圖面質量受人的因素影響很小，而對建筑和CAD繪圖理解不深的設計師畫的平立圖可能有很多地方不交接。利用BIM模型可直接輸出各種圖紙，快捷準確，直接出圖，極大的提高了設計效率。Autodesk? Revit?系列軟件構建于Revit平臺之上是完整的、針對特定專業的建筑設計和文檔系統，支持所有階段的設計和施工圖紙。

4 結 論

BIM技術是目前土木工程領域內重要發展的前沿技術，對于改進現有的設計方法具有重要意義。本文詳細探討了BIM技術優勢及其在公路設計中的應用，在總結公路工程設計特點的基礎上，明確了BIM在公路設計中的詳細應用前景和方向，促進BIM技術在公里工程領域內的發展和應用。