基于公路工程設計BIM系統的高速公路正向設計

黃亞棟 劉 闊 郭雨鑫

(湖北省交通規劃設計院股份有限公司 武漢 430051)

建筑信息模型(building information modeling，BIM)技術是在信息化背景下提出來的一種創新工具與生產方式。其已在歐美等發達國家引發了建設行業的變革。我國BIM技術起步相對較晚且發展速度較為緩慢，目前在公路設計方面，仍然以傳統設計為主。在公路設計中BIM技術相對于傳統二維設計具備以下優勢：①公路設計具有可視化；②工程量計算準確性提升；③自動關聯減少工作量及提升工作效率；④可多領域協作。

目前比較主流的BIM核心建模軟件生產商為：Autodesk 公司(Revit 建筑、Civil3D等)、Bentley公司(Bentley 建筑、Power Civil 平臺等)、Graphisoft 公司(Archi CAD、BIMx、Nemetschex等)、和Gery Technology Dassault公司的CATIA等。這些軟件在使用中均存在一些共性問題：用戶使用流程復雜，難以入門；不同行業之間的功能模塊不盡相同，很難在短時間內完全掌握；互用性差也使得具有不同功能的系統需要單獨應用。這些缺點使得采用BIM技術進行正向設計難度非常大，很難在設計院推廣開來[1-2]。

公路工程設計BIM系統則較好地解決了上述BIM設計軟件的弊端，為高速公路BIM正向設計提供了較好的技術支撐。該系統針對公路設計全周期，基于GIS、BIM和互聯網等技術提供一整套全流程、全專業的數字化、信息化、智能化的公路工程設計與管理的集成式解決方案。公路工程設計BIM系統有如下7個特點：①三維可視化；②智能設計；③系統性，全面性；④經驗庫思想；⑤圖紙全面性、自動性；⑥支持各種平臺的BIM成果轉換格式；⑦團隊協同。

本文以宜都至來鳳高速公路宜昌段工程為例，以公路工程設計BIM系統軟件為基礎，詳細介紹了BIM技術在高速公路正向設計中的應用，以為今后類似的高速公路工程設計提供理論和實例依據。

1 工程概況

宜都至來鳳高速公路宜昌段位于宜昌宜都市、五峰縣境內，是《湖北省綜合交通運輸“十三五”發展規劃》及《湖北省省道網規劃(2011-2030年)》中“橫五”通道——陽新至咸豐高速公路通道的重要組成部分。是實施國家長江經濟帶發展戰略，強化長江中游城市群與成渝經濟區經濟交通聯系的需要。是完善鄂湘渝毗鄰區路網結構，打通“橫五”大通道的需要。

項目區沿線地形復雜，地勢起伏較大，沿線多高山峽谷，高速公路建設需穿越高山，跨越溝谷，勘察設計難度大。項目全長約93.6 km，為雙向四車道高速公路，設計車速80 km/h，路基橫斷面寬度25.5 m，橋隧占比74%，設置互通式立交5處，服務區3處。

本項目設計全面建成全線BIM模型，解決多處復雜節點的BIM正向設計技術難題，完成了從方案設計到施工圖設計階段的BIM技術應用，為山區復雜環境下大型高速公路BIM技術應用提供了實踐依據。

2 BIM正向設計

2.1 利用BIM+GIS技術建立地形模型

傳統的公路設計是在利用無人機沿著設計路線航測得到的帶狀地形圖上進行，這種設計方法無法滿足公路設計在區域總體布置上的需求，給公路總體設計帶來很大的局限。該項目設計利用BIM+GIS技術進行輔助設計，實現了區域總體大場景下進行公路總體設計。

首先，使用衛星遙感技術(RS)與地理信息技術(GIS)對設計路線兩側5 km區域的地形進行三維建模，并在三維的地形曲面上輔助以衛星影像(DOM)[3-5]；其次，在大場景地形曲面內部設計路線兩側300 m范圍內，使用先進的Lidar機載激光雷達測量技術，沿擬定線位兩側各500 m范圍采集地面散點坐標、高程數據，其點云圖見圖1。以此保證在公路設計時的局部設計精度。

圖1 Lidar機載激光雷達生成的點云圖

利用BIM+GIS技術輔助設計，導入數字高程模型Dem、數字影像文件Dom及各種地物矢量文件。構建三維可視化的設計環境，還原項目區實際場景見圖2。

圖2 BIM+GIS生成的總體地形模型

2.2 利用BIM技術進行平面設計

在總體設計子系統中平面設計支持導線法、線元法。在項目設計中，設計人員可根據情況分別采用不同的設計方法完成路線的布設；對于復雜線形，采用導線法與線元法穿插使用。在公路工程設計BIM系統中，智能考慮圓、緩和曲線、偏角、超高長度等因素，減少工作量。在立交設計中，智能計算偏移值，快速布設變車道、分合流等，見圖3。平縱面實時聯動，有助于設計人員對項目線形的整體把控，使設計方案更合理、設計速率更高效。

圖3 互通平面設計

在平面設計過程中，設計人員利用總體設計子系統中的查詢功能，實時查詢設計模型中的線形單元的數據信息、交點的設計參數及設計要素信息、某一點處的樁號、坐標、曲率半徑、高程等信息。對平面設計成果進行符規檢查，根據公路幾何設計專業特點和相關規范要求，審核路線相關設計指標是否滿足規范要求。

2.3 利用BIM技術進行縱斷面設計

利用公路BIM設計系統進行動態互動式縱面設計，縱斷面設計中自動添加、更新控制點，快速創建變坡點并智能設置豎曲線，還搭配了智能的符規檢查系統 ，能夠智能檢測縱坡、坡長、超高過渡、“平包縱”等是否違規。立交設計中智能接坡，并進行超高計算，縱斷面設計示意見圖4。

圖4 縱斷面設計

2.4 利用BIM技術進行構造物布設

在完成路線的平縱面設計后，結合該項目地形地質特點，BIM設計人員定制了適合該項目的相關路基模板，在路基模板庫內通過添加、刪除邊坡模板，根據填挖方情況，定制符合該項目實際需要的邊坡參數。

根據地形填挖情況，在縱斷面設計界面內指定橋梁、隧道、涵洞等的布置樁號，橋、隧布置過程中，實時顯示構造物在平面及縱斷面的位置情況，使構造物布置更加合理，準確，其橋梁處界面示意見圖5。

圖5 橋梁布設

在平縱橫設計完成后即可進行模型的快速創建及傳統模式下的橫斷面帶帽工作。軟件可智能合理地確定道路加寬、超高方式及路基邊坡坡率和防護、排水等方案，在三維視圖下初步生成道路三維模型。通過查看道路三維模型，檢驗道路設計的合理性。

2.5 利用BIM技術進行高填深挖路段設計

將總體信息導入路基系統，對路基邊坡、防護及排水進行參數化設計，實時更新參數化BIM模型，便于設計人員查看與對比。對支擋進行參數化設計，相較于二維圖紙能更直觀地表達設計意圖，選取高填深挖路段設計界面展示見圖6。

圖6 高填深挖路段設計

針對高填深挖路段設計，在三維環境下，可直觀地查看邊坡防護設置的合理性，并對邊坡防護進行可視化的修改，并能實時顯示道路屬性及相關工程數量。

2.6 利用BIM技術進行隧道正向設計

在進行隧道BIM正向設計時，按照洞身內輪廓設計、洞口設計、隧道頂坡邊坡設計，以及洞門設計流程進行。該軟件中的隧道BIM設計功能是基于我國現行標準庫進行的，程序內置標準庫，設計人員只需要輸入相關參數，即可自動生成滿足設計規范的隧道模型。在進行隧道洞門設計時，隧道洞門布設三維可視化，與地形交互，填挖方尺寸一目了然，極大地方便了隧道洞門布設方案的初步擬定。

在進行隧道縱向設計時，考慮隧址區域內地質、圍巖情況，對隧道的襯砌、超前支護等進行設計，對隧道偏壓情況、洞門、信號燈、鼓風機、內部照明進行三維漫游檢驗，提高隧道設計質量。建立隧道延米模型，可實時查看路面、襯砌、圍巖、排水溝等結構的組成及工程量。

2.7 自動生成二維圖紙

利用公路BIM設計系統可以一鍵自動生成dwg格式及對應的PDF版圖紙并成冊，圖紙包括工程可行、初步設計、施工圖等各個階段的圖紙。

一鍵出圖前，需先進行圖紙設置和圖冊設置，其中圖紙設置可完成出圖風格和出圖比例設置工作，圖冊設置是通過圖冊編輯，完成圖紙名稱、文件名稱、圖號等信息的統一管理。在完成通用圖紙設置及圖冊設置后，即可進行圖紙的一鍵出圖。圖紙一鍵出圖既可以實現所有圖冊的一次性集中出圖，也可實現某條線路的單冊圖紙出圖。

3 結語

1) BIM正向設計技術應用于公路設計全過程，可更清晰地展現設計人員的設計意圖，提升設計水平。

2) 將GIS+BIM技術應用于正向設計，可將設計方案展示在實地環境中，利于優化設計方案，節約項目成本。

3) BIM正向設計中的多專業協同設計方式，可以及時對道路視距、凈空進行分析，并驗證設計合理性，進而提高設計質量。

4) 采用參數化設計方式進行BIM正向設計，實現了設計參數與BIM成果實時聯動，可提高工作效率。