公路工程BIM技術發展路徑研究

王欣南 李金龍 游 威

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司 武漢 430052)

1 概述

1.1 行業政策概述

從2007年起我國就在“十一五”國家科技支撐計劃重點項目中啟動了“建筑業信息化關鍵技術研究與應用”課題。BIM技術在我國從研究階段開始至今已經發展了近13年，住建部最早于2007年推出《關于發布“十一五”國家科技支撐計劃重點項目“建筑業信息化關鍵技術研究與應用”課題申請指南的通知》，推動BIM技術在建筑工程軟件方面的研究性工作。

近年來，工業與民用建筑領域的BIM相關國家標準相繼發布，推動了BIM技術在工程建設全生命期的應用，總體應用效率和效益都開始逐步顯現。BIM技術在交通基礎設施行業的應用起步較晚，2016年開始交通運輸部相繼出臺一系列的政策，大力推進BIM技術在公路和水運工程的推廣應用。本文收集并整理了交通運輸部近年來涉及BIM技術的相關政策文件，并提取了政策文件中BIM相關內容，具體見表1。

表1 交通運輸部BIM相關政策文件統計表

續表1

本文將上述文件的主要內容部分利用自然語言處理技術(NLP)進行處理并剔除介詞、形容詞等無用詞后，得到詞頻統計結果見表2、圖1。

表2 交通運輸部相關政策文件中標準詞頻統計表

圖1 交通運輸部BIM相關政策詞頻統計圖

由圖1可見，“BIM技術”“基礎設施”“智能”“協同”“數據”等詞匯出現頻率較高，說明利用信息化領域的相關技術保障施工安全、通過信息化手段實現項目施工管理是一直以來的重點發展內容。隨著公路工程全生命期信息化管理水平的提升，“智慧公路““車路協同”等與智能駕駛相關的關鍵詞也經常出現，體現了技術發展的趨勢。

1.2 標準編制

截止2019年6月，建筑信息模型的國家標準編制及發布的統計情況見表3。

表3 建筑信息模型國標發布情況統計表

為了更好地收集地方標準的編制情況，通過從互聯網等公開資料采集到152條自2013年起與BIM相關的地方性標準的相關報道，并進行詞頻分析得到結果見表4、圖2。

表4 地方BIM類標準詞頻統計表

圖2 地方BIM標準詞頻統計柱狀圖

由表4可見，在地方性BIM相關標準的關鍵詞中“信息”“模型”“推進”等詞匯的頻率較高，說明各省及直轄市在積極推動相關地方標準的編制工作，并規范BIM技術在當地公路工程中應用的流程和成果。

1.3 公路工程BIM技術發展階段

2017年12月交通運輸部印發了《關于推進公路水運工程應用BIM技術的指導意見》，文件中多次強調支持并鼓勵相關單位積極研究和應用BIM技術，將BIM技術基礎平臺研發作為企業發展的長期戰略任務，推動BIM技術的廣泛應用，并給予明確的政策支持。由此可見，公路工程的BIM應用勢在必行，且隨著應用的不斷深入，將給公路工程行業帶來革命性的變化。

2017年開始，交通基礎設施行業的各大設計院積極響應政策號召，相繼組建BIM中心或相關團隊，開展BIM相關技術在公路工程中的研發應用工作，各省、自治區以及直轄市的交通行業主管部門都在積極推進公路BIM應用示范工程的建設。中交第二公路勘察設計研究院BIM應用推廣中心承擔了交通運輸部第一批公路BIM技術應用示范項目中的2項，分別為貴州都勻至安順高速公路項目和京滬高速公路萊蕪至臨沂(魯蘇界)段改擴建工程。同時中交第二公路勘察設計研究院BIM應用推廣中心作為主要編寫單位之一，也承擔了交通運輸部行業標準《公路工程信息模型應用統一標準》《公路工程設計信息模型應用標準》及《公路工程施工信息模型應用標準》的制定工作。

根據中交第二公路勘察設計研究院近年來工程實踐經驗總結，本文提出BIM技術在公路工程中應用發展將經歷3個階段，即起步階段、高速發展階段和成熟階段。要真正實現公路工程設計行業由目前基于圖紙的二維設計向基于BIM模型的三維設計的轉變絕非易事，需要一代科研人員，用10年甚至更長的時間進行相關基礎平臺的研發和技術儲備，才能完成公路工程行業管理模式的轉型升級。

BIM技術為公路工程項目信息化和全生命期數據的共享與傳遞提供工具與平臺，將為公路工程建設行業帶來革命性變革的趨勢是不可逆轉的，各公路勘察設計研究院要積極順應發展趨勢，在不同發展階段積極探索解決方案，為行業的技術發展進步貢獻力量。本文將重點分析BIM技術在公路工程中不同應用階段的特點和相應階段應重點解決的相關問題。

2 起步階段

2.1 階段特征描述

本階段公路行業內的大型設計單位均較重視本單位三維設計生產能力的建設，設計院內部相繼成立BIM中心或組建BIM團隊，負責相關BIM課題的研發與工程實踐。但由于此階段公路工程行業內的質量控制仍以傳統設計規范為主，而且設計成果的交付形式以設計文件為主，只有部分示范工程要求提交數字化成果，實現公路BIM模型的數字化交付。綜上所述，本階段公路工程設計行業總體呈現二維設計與三維設計并存、二維設計為主的顯著特點。公路BIM模型在設計階段更多的是起輔助設計作用，設計單位充分利用BIM模型的可視化優勢，在項目前期階段促進工程各參與方理解設計方案，提高總體設計質量，減少施工圖設計階段出現大的設計方案變更，有效控制設計周期。

本階段公路工程BIM模型相關技術標準以及實施標準缺失或不完善，BIM技術在公路工程中的應用屬于初級階段，公路工程信息模型的創建工具和建模平臺尚不成熟，道路、橋梁及隧道工程建模效率不高，大型設計院都在積極探索自動化快速建模的解決方案，部分中小型設計院設計人員需要依靠主流建模平臺手工完成建模等相關工作。

2.2 重點研究方向

本階段應重點解決公路BIM模型快速化創建的問題，有自主研發能力的設計單位應基于主流BIM建模平臺二次開發，大幅度提高公路BIM模型的建模效率，使公路工程設計人員逐步習慣利用公路BIM模型輔助設計方案的核查和路橋隧主要專業間的設計協同，有效提升公路工程總體設計質量。

公路BIM模型的數字化交付也是本階段的研究熱點，隨著工程項目交付需求的增加，不同單位研發的數字化交付平臺接踵而來，但功能同質化現象嚴重，行業內重復建設，造成社會資源浪費。與此同時，公路工程大體量模型的輕量化展示及BIM與GIS技術的融合與集成等關鍵性技術問題有待完善。

本文統計了目前階段常用的創建公路BIM模型的相關系統，其主要功能見表5。

表5 公路BIM模型快速化創建的系統功能調研表

由表5可見，目前的相關系統均已具備路線設計的功能，BIM+GIS集成、協同設計建模平臺，以及常規碰撞檢查等主要功能，系統各有千秋，符合目前市場上建模平臺均不成熟的現狀，需要大量的二次開發工作才能滿足設計人員的設計生產需求。

3 高速發展階段

3.1 階段特征描述

本階段公路行業內各省級公路勘察設計院均具備了一定的三維設計生產力，有技術儲備的大型設計單位開始在部分工程項目中探索實現正向設計，有更多的輔助工具幫助設計人員實現基于三維模型生成二維的設計圖紙。各單位的BIM中心逐步由科研單位向管理單位轉型，開始制定企業級標準，管控三維設計的工作流程和質量。公路BIM模型的數字化交付平臺較為成熟，市場內會形成2～3家成熟的平臺類產品，大型公路工程項目的建設單位在設計招標階段，會明確要求設計單位實現實物工程和數字工程的雙產品交付。公路BIM模型基本實現了從設計階段向施工階段交付，有效避免了施工階段重新翻模的現象，減少了大量重復勞動和社會資源的浪費。

本階段公路工程行業的信息模型相關技術標準體系已成熟，部分基礎標準已正式發布，并有效指導工程實踐。公路工程行業內設計成果的交付形式逐步過渡為以三維模型為主，二維設計圖紙為輔。大多數的公路工程要求提交數字化成果。二維的設計圖紙在設計階段更多的是輔助說明的作用。大型設計單位充分利用三維協同設計平臺，開展全專業的協同設計，搭建公共數據環境，協同工作方式逐漸由基于文件的協同開始向基于數據的協同轉變。設計單位的三維設計能力逐步提升，部分單位形成核心競爭力，設計行業優勝劣汰的趨勢更加明顯，部分中小型設計企業逐漸被市場淘汰。

3.2 重點研究方向

本階段應重點解決基于公路BIM模型的全專業協同設計平臺的研發，有能力的設計單位應研發適應企業內部管控流程的三維協同設計平臺，打造并形成企業的核心競爭力。基于BIM模型生成工程設計圖紙的相關輔助工具也是研發熱點，更多基于主流BIM建模平臺的輔助建模工具日趨成熟，促進設計人員設計習慣的轉變，更多的設計人員開始適應正向設計的思路。應用公路BIM模型匯報設計方案和設計思路成為常態，公路工程行業的總體設計質量得到顯著提升。

通過大量的市場調研，整理分析現有的已正式發布的協同設計平臺產品類見表6，根據調研結果目前尚未有公路工程行業的協同設計平臺產品正式發布。已發布的相關產品均起步于工業與民用建筑行業，國外的產品應用早且較成熟，近年來，國內也涌現出來了中設數字CBIM平臺等國產平臺，在工程建設行業也有大量的成熟應用案例，隨著BIM技術在公路工程行業的應用逐步成熟，公路工程行業協同設計平臺研發和應用將成為行業內的研發熱點。

表6 已發布的協同設計平臺產品表

4 成熟階段

4.1 階段特征描述

通過十多年的信息技術發展和進步，公路工程信息化的水平得到了高速發展。公路行業內各大中型設計企業均具備正向設計能力，二維設計圖紙在工程設計行業已消失殆盡。各單位的BIM中心已完成歷史使命，逐漸退出歷史舞臺。設計院內部均已建設完備的基于三維正向設計的QHSE管理體系。公路BIM模型的數字化交付平臺成熟規范，中國數字化高速公路網已搭建完成并初具規模。大型公路工程項目在招投標階段，對數字化工程建設均已提出明確的要求，設計單位在設計階段要進行全生命期的規劃，充分考慮運維階段的信息需求，國內的大型公路設計單位，均已構建完備的企業級公路工程構件庫，形成企業核心競爭力。具備三維正向協同設計能力的設計企業，將大幅度提升公路工程行業的整體設計質量和效率。

本階段公路工程行業的數字化工程標準體系已成熟，三維正向設計已成為行業內的新常態。公路工程行業實現全生命期的數字化交付，設計圖紙在公路工程建設中逐步退出歷史舞臺，基于電子簽名的數字化設計成果具備了法律效力可以指導公路工程建設實踐。由于設計效率的大幅提升，國內的大型公路設計企業逐漸向工程總承包和高端工程咨詢集團轉型，只有具備三維協同正向設計能力的企業，才能在激烈的市場競爭中生存下來。

4.2 重點研究內容

本階段應重點研究公路工程信息模型從建設階段向運維階段交付，實現工程信息全生命期的共享和傳遞。基于公路BIM模型的高速公路運維階段的需求被激發，數字化的智慧公路成為研究熱點。隨著無人駕駛及移動互聯網的迅猛發展，車聯網成為現實，人們的公路交通出行方式發生革命性的變化。

5 結語

文中對BIM技術在公路工程中的研發應用及發展路徑進行了研究、總結并對未來發展階段進行了展望；在行業內首次提出了公路工程BIM技術應用三階段發展路徑，對不同階段的發展特征進行了描述，并對每個階段的重點研究內容進行了展望和規劃。

產業數字化、數字產業化是公路行業的發展趨勢，數據賦能產業技術進步的腳步不會停歇，由于主流建模平臺的不成熟，大體量公路BIM模型輕量化交付，以及BIM+GIS技術融合等技術瓶頸的限制，公路工程行業整體水平仍將在較長時間內處于起步階段。但借鑒制造業和工程建筑行業的BIM技術發展趨勢，我們可以預見數字化智慧公路的時代即將到來。