BIM 技術在機荷高速工程初步設計中的應用

雷銀輝，何珊珊，姚書奎

（中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710075）

0 引言

根據2015 年，住建部發布的《關于推進建筑信息模型應用的指導意見》，部分地區已開始逐步在公路、市政道路設計過程中引入BIM 技術。目前，我國公路設計行業BIM 發展正處于初期階段。如何將BIM 技術正確運用到項目初步設計過程，切實解決初步設計過程中二維圖紙無法解決的三維空間問題，逐步將公路、市政BIM 設計導入正向設計。形成一套可推廣、可復制、可實行的BIM 初步設計工作流程，尤為重要。

該項研究結合沈海高速公路深圳機場至荷坳段（機荷高速公路）改擴建工程，項目涉及專業眾多，勘察、各專業設計等海量數據難以管理；整體規模大，涵蓋道路、橋梁、隧道等多專業協同設計；國內首例城市化地區高速公路立體改擴建項目，空間結構復制、控制因素眾多、技術難度大的特點，進行BIM 初步設計應用探索研究。

1 項目概況

深圳機場至荷坳段高速公路（機荷高速公路）屬于G15 沈海高速公路深圳段，位于深圳市中心區域，是粵港澳大灣區東西向的交通中軸線，為深圳市交通強國建設重點項目。

其起點位于深圳市龍崗區的荷坳立交，順接惠鹽高速；終點位于深圳市寶安區的鶴州立交，連接廣深高速與深中通道順接，路線長41.426 km。沿途共經過深圳市龍崗區、龍華區、寶安區等3 個區。按照立體復合通道模式進行改擴建，高速公路標準設計，設計速度100 km/h，地面層采用雙向8 車道標準拓寬；立體層采用橋梁、隧道及路基方式新建立體通道，構成立體復合高速通道。項目地理位置圖如圖1 所示。

圖1 項目地理位置圖

結合項目特點，機荷高速BIM 設計主要工作內容包括：BIM 正向設計技術構架建立；場地模型構建；BIM 模型設計三方面。初步設計階段BIM 模型包含構建統一標準操作平臺、數據信息輸入、系統調試、系統評審、數據維護、地理空間信息（GIS）、BIM 模型設計等內容，涉及勘測、道路、橋梁、隧道、景觀綠化等多專業。項目建模流程圖如圖2 所示。

圖2 建模工作流程圖

2 BIM 正向設計技術構架

2.1 項目組織構架

BIM 在城市高速設計過程中具有規模大、涉及專業多、建設條件復雜、建模工作量大、時間緊迫的特點。為確保BIM 工作高效展開，建議應建立BIM 應用團隊；并配置項目所需的軟硬件等設施，為項目順利推進，提供人員、設備保障。

2.1.1 人員組織

BIM 建模過程工程量龐大，參與人員眾多。因此，在BIM 設計過程中，項目組建議主體分為三個團隊進行協作完成，如圖3 所示。（1）BIM 模型設計團隊:涉及道路、橋梁、隧道、交安及管線等多個專業組成，主要完成模型的設計。（2）BIM 軟件開發團隊：由于BIM 軟件多處于初級階段，很難全面實現國內標準化，須結合相關軟件建立開發團隊，使軟件在應用過程中能高效地按照國內標準進行建模及生成模型。（3）BIM 評審團隊：評審單位依據相關建模規范及交付標準，對模型進行實時核查，確保模型的精確性及方案的可行性，有效避免模型的返工，節約人力及時間成本。

圖3 人員配置圖

2.1.2 硬件配置

為保證高質量、高效率地完成BIM 建模應用工作，建議對相關硬件設施進行提前配置。為提高項目組各成員協同辦公效率，保證項目文件安全共享，建議項目組配備高性能服務器1 臺；為各專業小組BIM 建模工作，配置中等性能臺式電腦若干；同時需配置一臺高性能臺式電腦，確保模型總裝成果輸出的效率；由于須現場駐地辦公，匯報等建議配置筆記本電腦，為項目展示交流服務。其中，中性能與高性能臺式電腦建議配置比例為3∶1。

2.1.3 軟件配置

CNCCBIM OpenRoads(以下簡稱CNCCBIM)軟件平臺是中交一公院與Bentley 公司聯合開發的一款道路工程BIM 正向設計的專業軟件。軟件符合國家相關設計規范，可處理地形模型，快速提供道路、管線平、縱、橫三維BIM 設計、實現自動化出圖與圖紙管理、并能較好地提供數字化交付的一款集多功能于一體的綜合性軟件[1-2]。

機荷項目BIM 技術應用基于Bentley 平臺開發的CNCCBIM 系列軟件，并針對不同應用階段和BIM技術應用點采用相應的軟件，最大限度地保證BIM模型準確性與數據完整性，從而建立了該項目完整的BIM 軟件應用方案。各階段BIM 軟件應用情況如表1 所列。

表1 軟件配置一覽表

2.2 建模準則

BIM 初步設計面對結構復雜，互通、橋梁數量眾多，BIM 技術應用建模體量大，需要團隊協作完成。為使成果文件滿足項目信息化管理、方便后期模型整合，以及渲染視頻等需求，形成數據、格式統一的成果，提高工作效率。道路、橋梁、隧道、景觀等建立全線BIM 模型，應根據項目特點及需求，制定出適合項目的建模準則。

2.2.1 配置工作空間

在復雜條件下多專業的高效協同設計尤為重要，需要指定標準化工作流程，解決資料處理的數據接口問題以及數據重復利用問題[1]。 工作空間（Workspace），又稱工作環境，是CNCCBIM Open-Roads 軟件中的重要組成部分。其作用是為了存儲適用于工程標準化、可定制化的內容，包括圖層、文字樣式、線型樣式、特征等，解決工程項目協同工作中標準化統一的問題[3]。

在機荷項目中BIM 初步設計參與人員多、專業多，為便于多人協作，配置了統一的工作空間，如圖4、圖5 所示。在工作空間中定義路、橋、隧等各專業涉及的種子文件、模板、材質、特征、配置文件等，建立標準化的三維環境。根據制定的建模準則，在定制的工作空間中建立全線模型，從而達到“標準統一、內容統一、風格統一”的目的，使設計成果符合項目要求。

圖4 工作空間設置內容圖示

圖5 軟件工作空間圖示

2.2.2 建模規則

在初步設計過程中，根據統一配置的工作空間，運用CNCCBIM OpenRoads 軟件建立項目信息模型的主要內容為：路線、路基、路面、橋梁、交通安全設施等。以道路建模規則為例進行建模規則制定，模板包含行車道、硬路肩、土路肩、中分帶護欄、排水溝、邊溝、挖方邊坡及填方邊坡等，以及規定了各設施對應的特征定義、圖層進行規則定義，項目規則創建見表2 所列。

表2 道路橫斷面模板創建規則一覽表

3 場地模型

精準的三維場地模型構建，對于道路路線方案設計可實現可視化分析和評價，可有效提高項目選線效率，形成較為直觀的方案比選效果，有助于對路線方案進行多方位的比選論證。針對復雜地下管網，構建現有階段管線模型，對于后期地下管線設計及管線布設具有良好承接作用，且在路線布設過程中可有效地減少不必要的改遷，節省造價成本。

結合項目需求，公路市政項目BIM 設計場地模型主要涵蓋三個方面的內容：

（1）實景模型的構建。通過無人機傾斜攝影結合三維實景建模技術，創建項目影響區域三維實景地形模型[4]。

（2）現狀管線模型的構建。以Subsurface Utilities 研發的工具集，根據物探資料，構建完整地下管線的BIM 模型，準確清晰定位管線位置。

（3）控制因素模型的構建。采用BIM 技術構建控制因素BIM 模型，為合理優化設計方案、有效避讓各項控制因素，提供基礎模型。

3.1 數據資料收集

根據目前無人機傾斜攝影測量和BIM 技術的三維建模在公路工程中已經基本普及。利用無人機傾斜攝影技術可以直觀地得到三維實景模型，利用BIM 技術則可以得到清晰的工程設計模型。因此，利用適當的手段把這兩種技術進行融合便可以直觀地得到市政公路工程模型，達到設計與實景完美結合的目的，從而減少施工中的誤差，比如測量誤差等，能夠較好地確保工程中的相關數據的準確性與一致性。

對于地處經濟發達的項目，道路兩側已經高度城市化，沿線道路網、高樓、電力線、高壓燃氣管線等星羅密布。道路的拓寬和兩側的立體改造受到各種因素的控制，線位的布設應盡量避免這些控制因素，以有利于項目的開展。利用BIM 對現狀及規劃各類控制因素進行模型建立，將有助于路線方案比選及優化。因此，須對現狀控制因素、相關規劃資料進行準確調查及收集。

3.2 地形模型構建

使用Bentley 公司的ContextCapture 軟件根據航攝獲取的影像數據制作三維模型成果，真實地還原地物的空間位置、形態、顏色和紋理。根據空間三維密集匹配生成的點云數據，如圖6 所示，傾斜模型制作軟件會自動匹配出密集的三角網，然后可以對三角網進行自動紋理貼圖，如圖7 所示。為匹配應用軟件，真實三維模型數據成果輸出通用的數據格式為：3 sm 格式和3 mx 格式。

圖6 初始點云圖示

圖7 數字化實景模型成果圖示

在三維建模的過程中，由于水面等特殊地物在空間三維加密時無法匹配到正確的連接點[5]，會導致生成的三維模型出現漏洞，須對這些模型漏洞進行編輯與修補。地形模型數據處理，地面分辨率應優于5 cm。

3.3 地下管線模型構建

在BIM 模型設計過程中，需要提前處理的主要管線包括：給水，再生水，污水，雨水，燃氣，電力等。在機荷項目中，電力、電信、工業管線工等合計1.7 萬多條。且構造物管徑大小不同，雨污水鏈接下水井須對應不同編號，數據量龐大，人工單個建模處理耗時耗力。

在CNCCBIM 工作平臺下，可利用Subsurface Utilities 工作空間根據物探點數據確定管線具體位置及管徑數據進行分類型、分批次導入，構建現狀管線模型，如圖8 所示。模型可實時查看屬性，如圖9所示，進行準確定位。分析需要遷改的管線，且對后期設計管線模型進行模擬，避免管線交叉打架現象發生。

圖8 管線模型構建圖示

圖9 管線構造細部及屬性圖示

3.4 控制因素模型

在初步設計過程中，項目穿越高度城市化地區，沿線土地開發強度大，地鐵、鐵路、高壓線等干擾大，控制因素多，征地拆遷、交通組織難度大。綜合優化征地拆遷方案，如何全面考慮不利因素，合理組織交通，最大限度降低高密度城市區域拆遷量。如何處理好項目關鍵控制因素，將是順利實施的關鍵問題。

項目考慮的控制因素眾多，經歸納總結，其中主要控制因素為:（1）沿線的城市規劃用地，商業用地，以工業園為主的工業用地眾多，都對道路的擴建和立體層線位的布設造成較大影響;（2） 相關的水源、濕地保護區;（3） 基本農田的避讓；（4） 干擾的主要高壓（110 kV 以上）電力線；（5）與項目相關的主要軌道交通；（6）與該項目交叉的主要公路。具體如圖10 所示。

圖10 控制因素模型構建圖示

BIM 建模實施過程中主要利用MicroStation 軟件對終點規劃區域、保護區及基本農田進行面層覆蓋，賦予不同材質及顏色以作明顯區分。對于高壓線路一比一參數化建模，創建cell 文件，利用Micro-Station 沿路徑陣列并用根據規劃距離進行定位調整。利用CNCCBIM 軟件對軌道及相關道路進行廊道設計，創建相關軌道路線及道路。具體模型實施情況如圖11~16 所示。

圖11 水源保護區分布圖

圖12 基本農田分布圖

圖13 高壓線布設示意圖

圖14 軌道交通關系示意圖

圖15 主要公路關系圖

圖16 控制因素模型示意圖

4 BIM 正向設計

4.1 道路模型設計

道路模型的構建即根據相關道路設計規范，進行道路橫縱斷面的設計，要求路面寬度、路基填挖方、道路放坡，以及道路附屬設施的裝配與實際道路相符。利用CNCCBIM 設計軟件，定義道路橫斷面組件，通過特征定義點按照規則鏈接，建立參數化邊界條件，創建道路橫斷面，如圖17、圖18 所示。根據道路設計橫斷面模塊及道路設計中心，快速完成全線復雜平、縱、橫斷面及三維道路BIM 模型的構建與設計。

圖17 道路橫斷面模板創建圖示

圖18 道路模型設計圖示

4.2 橋梁設計

橋梁專業采用BIM 正向建模技術方案，橋梁BIM 建模過程中采用CNCCBIM 平臺直接讀取道路、地面模型等所有需要的數據信息，輸入橋梁設計參數及快速構建橋梁BIM 模型，且該BIM 模型與路線數據動態關聯，可聯動修改，橋梁BIM 設計的技術路線如圖19 所示。

圖19 橋梁BIM 設計技術路線圖

應用BIM 技術，針對項目進行二次開發橋梁BIM 設計工具集，建立參數化的橋墩、橋臺、支座、墩臺、橋跨、附屬設施與機電設備、收費站等構件，結合實景模型進行方案模擬對比分析，完成橋梁BIM 模型構建及方案設計，如圖20 所示。

圖20 橋梁模型構建示意圖

4.3 隧道設計

利用BIM 技術對隧道的整體走向、平面、縱斷面、凈空等進行設計，構建洞身、洞門、明洞、襯砌、附屬設施及機電設備等BIM 模型，結合實景模型進行模擬分析對比，選取最合理的設計方案。采用BIM 技術，利用其可視化、協調性、模擬性的特點，精確實現隧道主體及附屬設施的方案優化[6]，解決項目中復雜隧道復雜節點設計難題，提高工作效率，提升設計品質。

隧道BIM 建模CNCCBIM 平臺直讀取道路、地面模型等所有需要的數據信息， 基于CNCCBIMOpenRoads 對隧道的整體走向、平面、縱斷面、凈空等進行設計，輸入隧道相關參數（界限、內輪廓等）設計參數，快速實現構建洞身、洞門、明洞、襯砌、附屬設施及機電設備等隧道BIM 模型，且該BIM 模型與路線數據動態關聯，可聯動修改。隧道BIM 設計的技術路線及模型構造如圖21、圖22 所示。

圖21 隧道BIM 設計技術路線圖

圖22 隧道模型構造圖

4.4 BIM 在機荷項目中的應用

為了達到正向設計目的，首先構建了實景，現狀管線，地質等環境模型，并集成在同一平臺下，在真實三維環境中開展設計。利用現有地形合理布設機荷主線、互通立交、平交口、停車站。并設計多個縱斷面方案，選擇能同時滿足立交、橋梁凈空要求，規避控制因素等要求的路線方案。并建立參數化橫斷面模板，關聯項目級工作空間，滿足斷面放坡、邊溝布置等不同需求，完成道路BIM 模型設計。同時，軟件支持動態智能標注功能，且標注隨路線聯動更新，快速完成方案調整，實現全線道路BIM 正向設計。

為實現橋梁BIM 正向設計，研發了橋梁設計工具集，實現多種橋型上部結構快速準確BIM 設計，多種墩臺構件批量化精準布設。為合理避免機荷高速立體層與地面層的沖突，并兼顧橋梁美觀效果，項目組對多個方案進行可視化同步比選，充分分析和評估復雜橋梁方案間的優缺點。例如大懸臂斜撐橋，斜拉橋，連續剛構橋，鋼箱梁，鋼槽梁，鋼板梁等多形式橋梁；雙側單層、單側雙層橋墩高10 m、12 m 方案等。從而規避方案不合理、專業沖突、構件碰撞、凈空不足等設計缺漏，提高設計品質。

運用SYNCHRO 4D 的進度管理提高了項目的安全性、可靠性和可預測性，避免返工實現成本節約。為了直觀表達設計方案與現狀環境的變化情況等，項目組基于虛擬現實引擎技術實現BIM 模型和各構件的具象性效果，使BIM 模型與VR 沉浸式體驗完美融合，降低溝通成本，促進項目的順利開展。

5 結語

近年來隨著BIM 技術在公路行業逐步開始推廣應用，針對項目道路、橋梁、隧道的專項研究逐步增多，但是實際應用于大型復雜項目BIM 初步設計階段的項目較少。此次借鑒機荷高速改擴建項目BIM設計的應用，從項目的模型規則建立、BIM 環境構建及模型正向設計多個方面對BIM 在設計中的具體應用進行梳理分析，以期能打造一套可推廣、可復制的BIM 建模操作工作流程，對后續BIM 正向設計在我國公路、市政項目初步設計的開展中起到借鑒作用。