公路工程數智化設計生產系統研究

云南省交通規劃設計研究院有限公司 申俊昕

前言

以CAD、CAE、BIM等研發設計類工業軟件為代表的數智化技術，在公路工程設計行業的轉型升級中扮演了無可替代的角色，但這類工業軟件面臨的“卡脖子”困局早有端倪。筆者所在的交通運輸部建筑信息模型（BIM）技術應用交通運輸行業研發中心（云南）自2016年起，充分利用以CAD、CAE、BIM為代表的數智化技術，致力于公路工程設計的全面數智化改造，傾力打造了一款公路BIM“中國芯”——公路工程設計BIM系統，以期促進公路工程設計行業早日實現應用自主可控的BIM技術，構建數字設計基礎平臺和集成系統，實現工程設計、工藝、制造的協同，加快推進公路工程設計行業數智化轉型升級。

工程物參數分析

公路工程設計的目標是正確且合理地確定工程物的所有參數值，并將方案通過圖形技術準確地表達出來。由于公路工程規模大、參數多、參數間邏輯復雜，因此在設計過程中，設計師需具備大量的專業基礎知識，將大量的工程物參數從具體的設計過程中剝離，大幅降低設計工作量。需要充分利用以往的工程設計經驗來快速確定大量的常規參數，快速形成初步方案。找出初步方案中的不合理參數，通過反復試算、各種分析技術運用以及向專家咨詢等手段，確定剩余的疑難參數。由于團隊分工，設計師之間還會存在相互關聯、依賴的參數，需要團隊間協商確定。另外，由于數據量龐大，為確保工程設計質量，還需要開展大量的相互校核和上級審核工作，導致設計思想在人腦之間的反復傳遞[1]。

利用CAD、BIM等數智化技術對包括道路、橋梁、隧道等在內的公路工程進行數字化設計，關鍵在于對工程物參數化。數智化技術已應用于正向設計多年卻一直難以落地，很大程度上都與參數密切相關。一方面是參數的取值，即確定工程設計方案的過程；另一方面是參數的表達，就是用二維圖紙、三維模型等形式來表達工程設計方案的過程。

工程物參數的數量往往很大，并且受到一系列參數的影響，如控制參數、環境參數和必要的性能參數等。工程物參數按取值方式可以分成三類：可標準化的參數、可智能化的參數、創新設計的參數。

可標準化的參數，是指設計生產工作中經過多年工程實踐經驗積累，已經被標準圖、通用圖等形式規定取值的參數，這類參數大約占比70%；可智能化的參數，是指通過設計原則、經驗規則等能夠智能化自動確定的參數，這類參數大約占比20%；創新設計的參數，是指需要設計工程師根據工程具體情況來現場決定的參數，這類參數大約占比10%。

其中，70%、20%、10%這些比例，是以施工圖設計的標準來劃定的。在初步設計階段，可智能化的參數可能上升到25%，創新設計的參數也就下降到只有5%；在工可、方案設計階段，可智能化的參數甚至可能達到29%，創新性參數只剩下1%。這個比例其實反映了一個國家的工程設計水平，如果可標準化的參數和可智能化的參數的整體比例很高，則說明這個國家的工程設計水平非常高。在數智化轉型升級過程中，以BIM技術為代表的數智化技術及應用手段是否考慮了這三類參數的分布規律，直接關系到這些技術手段的落地效果。

工程設計過程分析

公路設計工程師在設計過程中，通常要做好以下工作：

一是理解。設計師針對設計意圖、設計資料、設計指導書、合作伙伴所提要求等，形成深入細致的理解。

二是思考。包括對參考圖、設計者自身設計經驗的回顧及思考。

三是協商。在設計過程中有一些不確定的因素，需要向上級、專家、業主等溝通、協商、請示。

表1 公路工程設計現狀及數智化的技術思路

四是決策。對工程物參數進行取值，對方案進行校驗及專業化分析。

五是表達。設計方案的表達過程，可以分為兩部分：一部分是方案本身交付成果的表達；另一部分是對合作伙伴之間的協同“關聯”關系的表達。

通過進一步調研和分析，當前公路工程設計工作在設計資料、關聯信息、設計信息量、圖紙成果、協商溝通、過程管理等方面存在諸多問題，結合各類數智化技術的特點，我們提出了解決這些問題的技術思路，以期指導“公路工程設計BIM系統”數智化設計生產系統的研發工作，如表1所示。

數智化設計生產系統技術路線

“公路工程設計BIM系統”的研發正是基于工程物參數的完整性及設計過程的復雜性，充分利用BIM、互聯網等數智化技術，從三個維度對上述工程設計過程進行數智化改造，如圖1所示。

第一個維度：簡單的日常事務力求規范化、標準化、自動化。其主要包括：規范化的資料表達和收集，標準化的流程。而對于圖紙成果表達，技術簡單但工作量很大，應該以自動化繪圖為主要手段。

第二個維度：復雜的設計過程要針對三類參數分類施策。首先，設計師人工處理的工程物參數要大幅“瘦身”，即70%左右的可標準化的參數不應該出現在軟件交互界面上，而是隱藏在軟件后臺的標準庫里，讓軟件交互界面上只剩下30%的參數交給設計師來做設計，以免給設計師造成巨大的負擔；其次，對剩下20%左右的可智能化的參數，要充分利用設計經驗規則，也就是各設計院的設計指導書，進行充分的數字化改造，以實現智能化設計，即實現設計經驗規則的智能化自動應用；最后，對很小一部分確實需要依賴于具體項目來思考定奪、創新設計的疑難參數，要提供“強人機交互”功能，也就是讓設計工程師有足夠便利、高效的設計環境及技術手段來做實驗、分析，輔助他們理解、優化，從而最終確定下這一部分疑難參數。

第三個維度：設計過程中團隊間相互協同“關聯”的事情。首先，信息要充分地共享；其次，相互間的溝通要便捷；最后，對相互依賴的中間結果以及最終成果都要數字化留痕、跟蹤。

上述三大維度的數智化改造，已貫徹落實到“公路工程設計BIM系統”之中，期望可以實現整個工程設計生產的數智化、透明化。在數智化改造的研發過程中，主要采用了以下四類關鍵技術[2]：

圖1 數智化設計生產系統的技術路線

一是數字化標準部件庫技術。以通用圖和行業規范標準等標準化文件為基礎，建立數字化的標準部件庫，并規定標準化的索引方式，利用BIM模型中的信息來自動化引用標準部件庫中的數據。利用標準部件庫技術，可實現自動化引用，無需人工干預，既避免了重復勞動，也保證了標準貫徹的正確性。

二是數字化設計經驗庫技術。以設計指導書為基礎，建立數字化的設計經驗庫，針對工程環境參數、設計經驗參數建立智能的索引方式，依據GIS數據、已經確定的BIM數據和設計者的構思數據，可智能且快速地形成設計方案，從而既提高了設計效率，又降低了工程合理性控制的難度。

三是參數化智能聯動技術。對于疑難部位的設計，只能由設計師充分發揮自己的創造性。通過設置專業性的設計控制參數，由設計師手動調整控制值，所有相關的BIM參數全部聯動更新，并同時刷新三維效果圖，讓設計師可即時查看設計結果的變化，從而加深對疑難點設計邏輯及其變化規律的理解。必要時還能自動生成其他分析軟件（如結構分析、交通流仿真）的數據輸入文件，加深設計師對相關問題的理解，并形成合理決策，以有效降低設計難度。

四是電子沙盤協同共享技術。通過建立工程項目的共享電子沙盤，可實時匯總設計團隊的最新三維虛擬實景的成果。在虛擬實景中，設計團隊及關聯各方相互了解各自情況，并利用互聯網技術在線溝通，既能充分利用高效的通訊技術提高溝通效率，又能避免很多基于圖紙溝通所致的人為串行過程，有效地避免了低級的設計反復。

數智化設計生產系統功能概述

筆者所在的交通運輸部建筑信息模型（BIM）技術應用交通運輸行業研發中心（云南）研發團隊，近五年來根據上述數智化改造的技術路線，深入研究了上述四項關鍵技術，持續開展公路工程數智化設計生產系統的研發工作，已經取得了階段性突破及相關成果。包括總體設計子系統、路基設計子系統、涵洞設計子系統、隧道設計子系統、交安設計子系統、電子沙盤子系統、資料管理子系統7個子系統在內的“公路工程設計BIM系統”體驗版，自2019年6月已面向行業用戶試點推廣，在經過一年的用戶反饋和持續迭代優化后，于2020年6月面向公路勘察設計全行業發布了《公路工程設計BIM系統V1.0》正式版。各子系統的功能主要包括以下幾個方面：

公路工程設計BIM系統總體設計子系統。系統能夠完成從路線方案研究到施工圖設計階段的設計工作，完全實現了平、縱、橫聯動設計；在進行平面線形設計、縱斷面設計及超高加寬設計時，系統會自動結合最新規范并輔以智能的分析計算，實時提醒用戶進行合理性控制；實現了橋梁、隧道、邊坡等構造物的三維模型快速生成、工程數量實時提取，同時支持多路線間的方案比選；在不同設計階段，均能以BIM模型為基礎快速生成相關圖表成果，出圖和算量的精準程度得到有效保障。

公路工程設計BIM系統路基設計子系統。以可視化的三維設計環境、先進的設計理念、豐富便捷的交互設計功能，給設計人員帶來了一把專業“利器”。使用該系統，可實現單個設計人員一天內輕松完成超過100km的各等級公路的路基路面設計建模工作，并且可以一鍵生成所需的圖紙和表格成果；系統建模功能強大，能夠滿足包括邊坡、支擋、排水、路面、取棄土場、路基處治、土石方調配等在內的幾乎所有路基路面專業方向的設計需求；可以實時生成精細的三維模型，使得設計人員不再為手工工作量繁重的“生產”任務而發愁，可以把更多的精力投入到方案的比選優化中去，真正回歸到設計本質，顯著提高了設計效率和設計質量。

公路工程設計BIM系統電子沙盤子系統。作為整個系統的協同共享平臺，電子沙盤子系統能夠即時集成總體、路基、橋梁、涵洞、隧道、交安、資料等子系統協同工作的最新成果，團隊成員可以基于最新集成成果進行交流、溝通。

公路工程設計BIM系統涵洞設計子系統。涵洞設計子系統是滿足公路、市政、鐵路等工程涵洞設計的通用軟件，能夠幫助設計師實現涵洞的自動布設，輸出涵洞圖紙、圖表并計算工程量，極大地簡化了以往涵洞設計的各種繁瑣過程，使涵洞設計變得更簡單、直觀。

公路工程設計BIM系統隧道設計子系統。隧道設計子系統融合了BIM技術，重點解決了隧道設計過程中比較繁瑣的隧道內輪廓、洞門、平縱等設計問題和非通用圖部分的圖紙繪制問題，大大降低了隧道設計的難度，同時提高了設計效率。

公路工程設計BIM系統交安設計子系統。交安設計子系統以智能設計為主、交互設計為補充，借助強大的設計經驗庫思想，實現了交安設計的標準化、自動化和智能化；基于實景三維設計環境，使得交安設施的設計過程更加形象、生動，方案核查簡單直觀，設計效率得到極大提升；設計方案完成后，可一鍵提交至交安工程的三維模型及二維圖紙。

公路工程設計BIM系統資料管理子系統。資料管理子系統是基于互聯網、物聯網、云計算等技術的“互聯網+”云數據管理平臺，為公路勘察設計行業提供了專業、易用的云服務平臺。此次推出的“外業調查”模塊，旨在提高外業調查現場編錄及后續數據管理的工作效率和質量，同時還可以與其他設計子系統無縫對接，為設計階段提供了精準的基礎資料，提高了協同工作效率。

總結及展望

目前，“公路工程設計BIM系統”已成功應用于云南江川至召夸高速公路、廣西桂林至欽州港高速公路（鹿寨-魚峰段）、湖北宜都至來鳳高速公路宜昌段等數十個項目的工可、初設或施工圖設計。實際項目應用表明，數智化設計生產系統有助于設計人員更直觀、清晰地了解項目沿線情況，高效地形成設計方案，有效降低設計難度，進而提高設計的整體性能和準確性；有助于業主對項目建設形成更加直接、高效、明確的判斷，從而作出更為客觀的決策，提高了決策效率，降低了決策成本。高效便捷的協同工作壓縮了管理層次，提高了溝通效率，還能化串行為并行，同時避免了公路設計各專業溝通不及時而造成不必要的設計錯誤，大幅減少了由于局部修改導致的大量重復設計，避免了不同設計階段不同成果間的信息沖突，大大減少了設計和審核工作量，縮短了設計周期，提高了設計質量和效率并降低了設計成本。

“公路工程設計BIM系統”的研發及實踐應用，初步實現了公路工程各專業的數智化設計生產。隨著物聯網、移動互聯網、大數據、人工智能等各種新興數智化技術的蓬勃發展以及工程設計企業數智化轉型升級的更高層次要求，數智化技術深度融合應用于工程設計技術有著更加廣闊的發展前景和空間，筆者團隊也將就此開展更進一步研究開發，以推動公路工程設計行業的數智化轉型升級。