BIM技術在道路工程設計中的應用分析

葉國平

（蘭州新區市政投資管理集團有限公司， 甘肅 蘭州 730314）

0 引言

當前在建筑領域中應用BIM技術，其信息建模技術提升了空間建筑的發展，為行業發展注入活力，也促進了BIM技術的創新。在早期道路工程設計以CAD為主，2011年Shim等將BIM技術運用在橋梁設計中，建設3D橋梁模型，國內也將BIM技術運用在高速公路隧道工程施工中，細化施工工序與步驟，根據參數等三維建模分析工程建設，提高了施工效率。現階段運用在路橋施工設計中，初步取得理想效果，但在某種程度上具體施工過程中，還有待改進和完善。

1 BIM技術的應用概述

BIM技術主要是構建建筑信息模型，將建筑設計從二維向三維方向轉變，實現建筑信息化的立體應用，包括幾何信息、現場動態信息、施工行為運動等，BIM技術的應用十分廣泛。我國從2001年引入該技術，受到政府、企業、行業協會等的重視。我國的城市更新、城鎮化、地下管廊等基礎設施建設中，受到資源和環境的約束，對環保方面提出更高要求，所以應該讓BIM技術的應用發揮到最佳。

道路設計部分比較復雜，需要多個專業相互配合實現，具備系統性、復雜性、統籌性、交互性等特征。道路設計涉及到大量數據資料，在BIM設計中對道路設計，其設計流程和傳統設計形式并沒有較大差別，因此設計流程也很容易被人們接受。道路設計工作中，主要是基礎資料的收集與整理、分析，其中涉及到大量合同內容、業主的需求、上位規劃分析、現場情況調查等。當基礎資料整理完畢之后就可以進行道路的平、縱、橫方案設計，設計主要目的是在控制各種因素的前提下選擇合理的平、中、縱面線形和橫斷面（形式）搭配。規避生產建設中的不利因素，保證規范合理，滿足質量要求，保證工程施工安全。當道路平、縱、橫方案初步確定之后，其他的專業設計則在這個基礎上完成，不同專業數據相互支撐矯正，不同專業交互設計之后設計成果即可匯總輸出，用來指導方案設計與施工（見圖1）。

圖1 BIM技術的全生命管理流程

BIM是一種新型生產理念，能將工程建設中各個工種與部門所掌握的信息高度集成在3D模型之內，保證整體方案的設計、工程進度、運營維護等[1]。

2 道路工程設計的實現

2.1 地質勘察

道路的地質勘察與建筑勘察不同，道路為條帶式，道路沿線所有要素均在工程設計考慮范圍之內，方便后期進行道路施工方案設計，以及動態調整施工。因此勘察工作主要是道路沿線地質地貌，而3D建模需要與路橋專業人員協同作業實現。電子3D建模可以動態反映施工現場實際情況，各種測繪數據綜合之后，結合軟件進行3D建模，按照地形測繪數據創建出豐富的曲面表達形式，可以制定出最佳設計方案。

2.2 方案選擇

道路項目建設大部分是由政府投資建設實現的項目，立項之前需要分析道路建設的可行性，可行性文件內要包含道路建設區域內所有設計要素，同時預測交通狀態，結合技術指標擬定方案，綜合這些內容確定概算與預算，制定出不同方案。政府需要聯合多個部門商討方案的可行性最終作出決策。BIM技術提供的多因素虛擬可以靈活調整其中的各項要素，可以實現可視化對比，和常規的文字方案相比，這種方案更可以提高交流對比效果。

2.3 3D可視化

Revit軟件中將導入數據建模，能直觀表現出道路施工各方面需求，業主也可以根據3D可視化設計提出自己的專業要求，降低設計人員和施工人員的壓力。也可以通過3D的渲染軟件來展示立體化效果，在道路設計中可以高效建立起道路交叉路口、匝道出入口、橋梁墩臺等實現個性化更新，通過簡單參數設計就可以實現模型變動。在設計的時候通過3D可視化矯正可以提高設計效率。在Revit軟件設計中自行計算碰撞沖擊檢測、結構穩定性驗證（見圖2）。

圖2 可視化橋梁墩臺

2.4 協同設計

BIM技術在項目設計中能實現協同設計，信息交流暢快，解決了以往信息閉塞的問題，BIM技術平臺搭建的共享新模型實現了多方參與。借助信息模型平臺，直觀展示整個設計中的內容，實現數據資源共享和信息共享，討論分析速度加快，將數據信息與道路的基本情況都直接傳遞給施工各個部門，方便施工單位造價核對精準、管理科學合理。BIM技術構建的協同平臺能實現信息的綜合性碰撞，以及促進信息傳播速度加快，快速計算出地形曲面、路線平面、縱橫斷面設計的可執行性[2]。

2.5 工程量造價計算

常規道路工程設計是人工計算方式得到項目的工程量與工程造價，因此投入大量成本與精力，其中大量數據資料很難快速分析出來，大量資料需要閱讀、處理。在以往技術并不發達，設計圖紙表現并不直觀，導致計算造價存在誤差，工程量的校審、審核工作開展困難。3D數據模型可以將整個路面所有情況展示出來，如路基、基層、面層等，能在軟件內集合左右信息實現高精準計算，精簡人力構成。如果在傳統施工中發現計算錯誤，中途更改會消耗大量成本，但是結合3D模型，更改內容均在計算機軟件中完成，借助BIM技術將動態展示工程量造價結果。

道路工程設計方案都是以圖紙的形式來交付，BIM技術設計成果形式是通過信息建模，傳統的2D圖紙使用中出現解讀不充分或者過度解讀的情況，當圖紙存在變更的時候，常常要核對大量工作，對設計圖紙進行變更。BIM技術應用，可以借助信息化實現集成，實現對整個系統的精細化管理，通過軟件調整分析，在計算機上分析與輸出最終結果，結合造價與工程量來分析方案設計等是否合理，如果要變更圖紙等，只需要在建模的基礎上調整數據即可[3]。

3 可視化建模分析

3.1 線路設計

通過搭建BIM信息模型來確定坐標，輸入在軟件內定義地形，也可以在軟件中繪制下層土體情況DMT，這是基礎性工作。通過DMT建立直觀展示地下土層實際情況，為道路設計工程的開展提供數據支持。現階段常用軟件為Power Civil，可以提供Terrain獨立文件，該軟件在地形建模方面具備非常顯著的功能，編輯、分析、運算功能強大。系統內生成xml、tin格式，線路設計方便快捷，可隨身更改數據與更新，使用AutoCAD進行二次開發，即可生成3DBIM地形模型[4]。

3.2 平縱設計

Power Civil是通過導線法來設計道路主線，根據勘測資料所得到地形地貌與坐標點設置地形導向，根據交點找到曲線，將其連接成一條路線，在地形曲面基礎上形成縱段面地面線，同時附加道路、排水等要求，設計縱坡豎缺陷，設計結果如圖3所示。

圖3 平縱設計圖

3.3 路基設計

Power Civil的路基建模，創建橫斷面方面考慮特征點、組件、末端這三個基礎部分。以施工中常見的瀝青路面為例，有土路肩邊緣、道路中心等，各個節點之后通過斜率、直線距離來對其進行定義，通過各種約束標簽描述具體位置，對該位置進行參數化設計就是特征點。在軟件對路基建模的過程中，組件是一個點組，可規定開口類型、表征人行道與基層材質等。末端就是邊坡的設計，軟件邏輯分支來確定邊坡末端，自動化搭建模型[5]。

3.4 快速建模

Power Civil軟件內基于2D模型建立的3D模型在輸入數據之后就可完成初步設計，當平面、縱面、斷面設計內容借助之后，將道路設計橫斷面按照路線設計方向拉伸模型，就可以快速建立道路3D模型。部分道路工程設計方案在橫斷面的設計方面存在差異，因此需要使用多個橫斷面模塊來完成。Power Civil軟件系統可以借助先進的計算能力得到最佳方案，反映到道路整體模型中（圖4）。

圖4 過渡方案設置

BIM技術在三維建模設計、道路中心線設計之后，可以借助系統進行全面分析、優化設計。在這個過程中技術人員和設計最終效果之間有直接關聯，因此需要保證建模人員的專業素質，才可以提高BIM技術整體使用效率。道路工程設計具有復雜性、綜合性等特征，施工影響因素較多。BIM技術模擬施工活動可以為道路工程施工的順利開展提供保證。在建模完成之后，依托BIM軟件平臺做好防護工作，進入到虛擬漫游模塊中，構建熟悉的信息化情景，充分感知道路施工中的高風險區域，結合建模制定事故應急預案，完善施工管理策略。

4 結束語

BIM技術能促進道路設計活動的合理開展，憑借BIM技術應用的典型特征，通過地質勘察準備，選擇施工方案，搭建BIM信息模型，進行3D可視化建模之后完成道路工程設計。借助BIM技術和現代信息化軟件完善道路工程設計，改善以往施工設計存在的弊端，有利于提高道路工程設計質量和施工質量。