BIM技术在公路工程设计中的应用浅析

2020-05-18徐开华王黎明

黑龙江交通科技 2020年4期

徐开华，王黎明

(中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100089)

0 引言

随着我国经济发展水平的日益提高，基础设施建设正在逐步完善，公路的质量直接影响公路的全生命周期，更关乎着人民群众的安全便捷出行。公路勘察设计是公路工程质量的基础保障，公路勘察设计直接关系到公路质量和行车安全。

新时期对于公路设计提出了更高的要求，特别是党的十八大以来，在以习近平总书记提出的“绿水青山就是金山银山”的生态文明思想指引下，公路建设需求增长迅猛，公路工程建设由大面积建设逐渐向创新、协调、绿色、开放、共享、高效等方面转变，因此，设计人员作为公路的先行者，必须重视对先进信息技术的学习。

在传统的公路工程设计过程中，设计人员一般采用CAD、玮地、Card1等设计软件对工程进行二维设计，由于公路工程设计涉及路线、路基路面、桥梁、隧道、互通式立交、平面交叉、交通工程、沿线设施等多专业，专业之间互有交叉，且影响范围较大，设计出来的成果会有一定的缺陷，导致后期设计变更增加，进而影响工程项目成本和总投资。工程设计的目的在于在满足工程安全的前提下，把建设用地信息全面地传递给交通规划部门，把工程量和控制因素准确地传递给建设单位，把设计意图完整地传达给施工单位。然而，随着道路建等级的提高，建设难度越来越大，公路各组成部分越来越多，线性复杂且构造物造型各异，对建设环境要求也越来越高，加之二维平面设计存在大量的“错、漏、碰、缺”等现象，在设计阶段难以用二维设计图纸检查出来，且远超过工程师的空间想象力，因此这种现象只能在施工阶段再发现、再变更，进而影响整个工程的造价。

传统模式下建设工程从设计到施工的流转：设计出平面CAD图纸，施工单位拿到设计图纸后，需要做的工作包括：施工深化图纸，利用现场施工安装经验来弥补图纸的不精确表达，甚至需要设计交底、图纸变更单、技术核定单等。这种传统模式属于劳动力密集、高能耗的工作流程，很大程度上依靠人的因素。设计师需要考虑的信息量相对较少，对于信息的缺失和误传导，弥补方式相对简单；施工方则需要处理大量的信息，包括读取图纸信息，分析可行性，拆算工程量，核定价格等等。对于有经验的施工方很多东西可以预计，如果经验不足，可能出现的情况是施工过程中发现问题再去找设计，施工工期延误也成了情理之中的事情。

通过采用BIM技术进行公路工程设计，不仅可以提高设计意图表达的准确性，可以弥补CAD技术的不足，而且能较好的解决这些问题。从而为决策者、设计者提供更加便捷的设计手段，为传统勘察设计与BIM(Building Information Modeling的简称，中文名为“建筑信息模型”)等新技术相互结合提供一种新思路，进而推动对公路信息化设计和智能化管理。作为设计企业，应利用BIM技术开发新的盈利模式，才能更好地为业主服务，提升设计企业的价值。

1 BIM技术概念

BIM即建筑信息模型，是一种建筑全生命周期的业务流程，是建筑数据在设计、建设和运营过程中的应用，项目不同参与方通过一个平台进行操作并共享信息，以对软件为工具集成应用，各自发挥长处和作用的应用过程。

随着我国相关部门对BIM技术研究的深入，以及基于BIM技术的软件平台功能不断完善，BIM技术应用于实施已经在我国逐渐开展。2017年7月，我国住房和城乡建设部颁布的《建筑信息模型施工应用标准》，对BIM的定义为：在建设工程及设施全生命期内，对其物理和功能特性进行数字化表达，并依此设计、施工、运营的过程和结果的总称。

BIM可通过数字化技术，在计算机建立一座数字工程实体则提供了一个完整的、具有逻辑映射关系的工程信息库，从而为工程设计提供更优质的服务。

2 BIM技术在公路工程设计中的优点

2.1 可视化

公路设计是一项十分复杂的工作，设计中会涉及大量的参数、数据，数据多、计算量大是设计的显著特点，设计人员不仅要必须要考虑到方方面面的因素，而且要站在整体的视角去考虑整个设计方案的合理性，这对于设计人员而言是非常困难的。通过运用BIM技术，可以构建建筑物的三维模型，从而实现模型可视化，即“所见即所得”。其成果不仅可以应用于报表的生成和效果图的展示，也可使得项目设计、建造、运营过程中的沟通、决策、讨论都可以在可视化状态下进行，实现真正的所见即所得。

2.2 协调性

BIM技术具有较高可协调性。在进行公路工程设计时，会涉及多个专业，由于各专业设计师之间的沟通不到位，各专业会出现冲突。BIM的协调性服务就可以帮助处理这种问题，也就是说BIM可在公路工程施工前期对各专业的碰撞问题进行协调，通过协调数据，各种专业碰撞问题会得到避免。

2.3 模拟性

BIM正好符合大数据集成与整合，其强大的模拟与分析能力满足了现代对于建筑工程的指导与演示需求，BIM技术不仅能实现对公路设计模型的模拟，还可以实现对实际状态中不易操作的问题进行模拟。除此以外，BIM技术还可以对施工、进度、成本、现场布置与安全等进行模拟。在后期的运营阶段也可以模拟日常养护及应急处置等，如道路维护与应急处置等的模拟。通过BIM技术配合相关软件对建筑项目中周边环境的地理信息、环境信息、自然气象信息等等进行集成与分析，模拟项目的热能传到、日照、风向甚至是自然灾害等状况。同时，还可以对项目的设备设施的能耗、负荷等进行模拟分析，得出建筑设备所需的能耗数值、能效信息，调整设计方案，实现绿色设计与建筑。

2.4 优化性

具有优化性特点。BIM模型提供了所有公路勘察设计信息，包括公路规划、几何信息、物理信息，并且通过计算机模拟设计可一次生成上百种设计方案，通过对控制维度的把控，逐渐筛选出最优秀的设计方案。在大型且复杂项目中，与传统的设计成果相比，BIM技术可通过各种优化工具，实现对公路复杂问题的优化，且优化出的成果效果更为可靠。

2.5 可出图性

在传统2D绘图环境下，所有图纸都是孤立的：从平面图绘制，然后再是里面、剖面，随着项目进程，变动时分别更改，容易造成绘图错误。然而在运用BIM时，首先可以对公路勘察的可视化展示、协调、模拟、优化；其次在检查碰撞、修改设计后，相应错误就被消除，同时提供碰撞检查报告，及修改方案；最后，可以自动生成所有视图。因此，在公路工程设计中采用BIM技术，可以使工程师在大量繁琐的图纸中解放出来。

2.6 协同化

在采用传统的设计方法解决专业问题时明显存在着数据交换不充分、理解不完整等问题。BIM技术可以改善以往工程建设行业各参与方较为松散的管理体系，减少信息的流失，并利用建造的数字信息模型将各方协同到一个平台，提高设计质量。通过BIM技术可以使项目成员在同一个环境下用同一套标准来完成同一个设计项目，确保设计过程中，各专业并行设计，沟通及时、准确。协同化设计的最终目的是使建筑设计各专业内和专业间配合更加紧密，信息传递更加准确有效，减少重复性劳动，最终实现设计效率的提升。

2.7 增益性

BIM技术的增益性主要体现在设计阶段，使用BIM技术流将工作级别转移到项目早期时的能力，影响项目的成本和性能是高的，进行设计更改的成本是低的(如图1绿色曲线所示)。这使得工程师们可以花更多的时间来评估优化设计的假设场景，而花更少的时间来编制施工文档。考虑到这一点，考虑采用BIM过程如何转化为道路和公路设计的实际利益。BIM打造的是一个流线化的工作过程，强调将项目设计转移到详细设计阶段影响项目绩效的能力是最高的，设计成本达到最低。

图1 项目全生命周期内BIM与项目各阶段成本之间的关系

3 BIM在公路设计阶段的应用分析

3.1 道路建模

直接利用道路几何设计基础数据和地形数据，构建准确的地面、道路以及桥隧等的三维实体模型，再利用卫星或者航空数字影像进行模型贴图处理后，营造出公路虚拟现实空间。

使用BIM软件可以更高效地设计公路模型，例如可以创建更新的交互式平面交叉路口模型。同时可以利用内置的部件(包括行车道、人行道、沟渠和复杂的车道组件)，可以根据常用设计规范更迅速的设计环岛，包括交通标识和路面标线等。或者根据设计标准创建自己的部件。使施工图和标注始终处于最新状态，便于设计师集中精力优化设计。强大联动功能，平、立、剖面、明细表双向关联，一处修改，处处更新，自动避免低级错误。

3.2 工程量计算与分析

传统的工程量计算方式得到的并不是一个工程所含有的井工程量，因此会有较大误差。运用BIM软件(civil3D建模)可以模拟工程构件的三维实体模型，能计算出土石方的开挖量与回填量，使用生成土方调配图表，用以分析适合的挖填距离，要移动的土方数量及移动方向，确定取土坑和弃土堆的可能位置，做到土方调配平衡计算的精确化和精细化，并且可以节约大量时间，进而对项目成本管控发挥了重要作用。

3.3 碰撞检查

各专业工程师在设计过程中针对每个工程项目中的不同部分可能出现冲突，这种问题可以通过碰撞检查解决，碰撞检查分为硬碰撞和软碰撞。系统直接把二维图纸变成三维模型并整合所有专业，通过软件内置的逻辑关系可以自动查找出来，对道路进行碰撞检查后，得到硬碰撞数量为67，软碰撞数量为361。

3.4 自动生成施工平面图

在精确建模的基础上，用Revit建模生成的平立图完全对得起来，图面质量受人的因素影响很小，而对建筑和CAD绘图理解不深的设计师画的平立图可能有很多地方不交接。利用BIM模型可直接输出各种图纸，快捷准确，直接出图，极大的提高了设计效率。Autodesk® Revit®系列软件构建于Revit平台之上是完整的、针对特定专业的建筑设计和文档系统，支持所有阶段的设计和施工图纸。