李卓灿，冯 晓

（重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074）

0 引言

随着社会的进步，经济的发展，我国公路建设走上了高速发展的快车道，在这期间公路设计制图实现了由纸笔设计计算到应用CAD 技术的第一次飞跃。较之手工绘图而言，CAD 制图不仅速度快、质量高、节约成本，而且通过数据的信息化，可以方便地对资料存档进行修改。

BIM技术的出现是科技进步的再一次集中体现，BIM技术不仅仅是从平面到立体制图的突破，就工程建设领域而言，它是从项目立项、工程可行性研究、初步设计、施工图设计、工程项目组织实施到运营管理全方位的技术管理水平的提升。相对于CAD技术而言，在设计阶段BIM应用实现了从平面图纸到立体数据模型的转变，更加直观具体；在施工阶段将设计方案与施工组织管理进行融合与对接，实现了对施工组织计划的优化；在运维阶段则是通过数据承接把设计、施工和运维管理相统一，形成了具有可追溯性的系统化评价体系。BIM技术的应用和发展为我们呈现了一个全新的设计领域，在国家的大力推广应用下必将带来巨大的社会和经济效益，具有重大的社会意义。

1 BIM技术的特点

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）是以三维数字化技术为基础[1]，将建设项目整个寿命周期内全部几何特性信息以及施工进度等过程控制信息综合到单一模型中[2]，并应用数字化模型进行项目规划、设计、施工和运管维护的数字集成技术，具有可视化、协同性与模拟性等特点。它起源于1975年查克·伊士曼博士（Chuck Eastman，Ph.D.）提出的建筑描述系统（Building Description System，BDS）[3]，并在2002年首次作为一个专业术语被Autodesk 公司副总裁菲利普·伯恩斯坦（Phil Bernstein）公开提出并使用[4]。

1.1 可视化

BIM技术最突出的特点便是其可视性，将传统设计中二维抽象的平面结构转化为三维立体的模型，不但可以形象直观地展示平面图纸中无法呈现的构件细节，还可以清晰了解各构件之间的互动与反馈关系，有利于提高参建项目各方的交流沟通效率，并为管理者决策提供科学准确的参考。

1.2 协同性

公路工程项目参与方众多、工程复杂、耗时较长，因此需要协调参建项目各方的工作，加强不同专业间的沟通以提高工作效率，减少冲突和错误的产生。通过应用BIM技术，整合相关数据资料以及文件，使参建各方的工作内容以数据的方式统一展示在BIM模型中并实时更新，通过碰撞检查在项目实施前便发现并解决冲突。

1.3 模拟性

BIM的模拟性可应用于公路工程全寿命周期中。在设计阶段通过进行驾驶员仿真驾驶模拟，了解道路设计中的平纵横断面设置是否合理，为后续线型优化工作提供依据；在施工阶段对施工过程进行动态模拟，优化施工组织计划，减少事故发生的可能性；在运维阶段对紧急情况发生时的处理方式进行模拟，提高运维人员应对事故的快速反应能力。

2 BIM在公路全寿命周期的应用

由于现有公路BIM应用技术尚不完善，直接设计出包含项目全周期所有用途的BIM模型并不现实。利用项目在不同阶段模型应用侧重点不同的特点，采用公路BIM模型等级，从几何精细度、模型颗粒度以及信息深度几方面对模型进行分级[5]，使用不同建模软件及建模方法分别建立环境模型以及工程模型，分级完善BIM模型是现有BIM应用的一种可行方式。图1 是基于公路BIM模型等级的公路全寿命周期3D 建模方案。对各阶段公路BIM模型等级要求见表1。

图1 基于公路BIM模型等级的公路全寿命周期3D 建模方案

表1 各阶段公路模型等级

2.1 在勘察设计阶段的应用

公路工程的勘察设计可分为工程可行性研究、初步设计以及施工图设计等几个阶段。在不同阶段设计的主要目的不同，其BIM设计的应用侧重点也不一样。在工可阶段，重点在于路线布局，通过应用BIM技术的可视性特点，可清晰了解路线布局中存在的问题并进行修改。而初步设计和施工图设计阶段，重点在于对路线方案的不断优化修改，利用BIM技术的协同性和优化性，可大量减少设计中的工作量。

2.1.1 在工可阶段的应用

在工程可行性阶段，需要对项目是否可行进行分析论证，只有确定项目是确实可行的，才能开展下一步的工作。公路工程是一种线性工程，施工时涉及的施工范围很大，地理环境条件是确定项目是否可行时必须考虑的因素。因此BIM技术应用的首个工作便是建立三维地形模型，通过多种方式（如卫星遥感技术、航空摄影、激光扫描、GPS 测量、传统外业测量等）收集地理环境数据，并建立小比例DEM/TIN模型，将公路走廊带的地貌、地形、地质、生态等环境因素直观地展现出来[6]，方便公路设计人员对路线布局及施工方案进行规划。建立好三维地面模型后，在其上建立路线规划/选线方案的二维模型，并利用BIM仿真模拟技术进行道路可行性分析，可以减少大量繁琐的计算和论证工作。

2.1.2 在设计阶段的应用

在道路设计阶段，首先要对工可阶段时建立的三维地面模型进行细化，在已经建立的小比例DEM/TIN 模型基础上，通过导入并整合在外业勘测期间记录的各种数据，得到精度更高的大比例DEM/TIN 模型。与传统勘察设计方法相比，由于在前期工作中已经得到了高精度的大比例DEM/TIN模型，在后期反复修改优化平纵横线路时便不必重新进行野外测设，线路更改变动后利用大比例DEM/TIN 模型便可得到任意纵横断面数据，使公路勘察设计更加科学化、人性化。同时，由于采用高精度的大比例DEM/TIN 模型，得到的土石方量较传统方法而言也更接近实际填挖量[7]。表2 为不同测量模式设计效果的对比。

表2 不同测量模式设计效果的对比

由于公路工程具有点多线长的特点[8]，对线路整体进行高精度建模并不现实，目前较为可行的BIM应用方式是对项目进行分级建模。将道路模型分为3 个细度等级进行建模。首先是线路整体模型，即工可阶段完成的整体线路2D 模型。在此基础上，分标段建立道路路段3D 模型及桥梁隧道简易模型。最后，进一步细化并建立精密的桥梁、隧道及道路施工图设计模型以及道路附属设施模型。通过将模型分为不同细度等级进行建模，既可以减少设计所需的工作量，提高设计质量；还可以从整体到细部分层次安排施工组织计划，为后续施工管理做好准备。

2.1.2.1 协同工作

一个完整的道路建设项目往往会涉及到道路、桥梁、隧道、交通工程等各个不同专业。在传统设计过程中，项目的不同部分分别由不同专业各自完成，交流渠道的缺乏往往会导致设计中冲突和矛盾的产生，并由此产生大量不必要的工作。而在应用BIM的设计流程中，通过架构一个协同管理平台来实现碰撞检查，避免冲突的发生。不同专业在统一的空间坐标系统下设计各自的专业BIM子模型，这些子模型统合于同一设计管理平台的同一模型数据层中。在该平台下，通过对不同对象进行权限设置，保证在不干涉他人数据的基础上，实现数据模型的实时更新共享。通过建立协同设计管理平台，不但提高了数据输入、查询、修改的效率，还使决策者可以根据已有数据进行快速决策[9]。

2.1.2.2 优化设计

道路设计过程中往往需要进行反复的修改与优化，传统设计模式下，一旦产生变更，便意味着大量的图纸信息需要进行修改。这一点在大型桥梁和隧道设计上体现的尤为明显，由于大型桥梁隧道由大量的构件组成，而这些构件间又相互关联，对一个构件信息进行变更，就需要对大量关联信息进行变更，从而导致设计时间和成本的大量增加。而在BIM设计模式下，通过参数化建模的方法，在设计过程中将结构实体与尺寸、材质等参数结合在一起，修改一个参数便可调整所有和该参数关联的结构模型，结合BIM自动输出二维图纸的功能，在三维模型上的修改可以实时反映在二维图纸中，实现“一处修改，处处关联”，这将极大提高设计的效率和质量。

2.1.2.3 方案选择

对于公路工程建设项目而言，在设计阶段往往需要设计数个可能的方案，对其在经济、技术可行性、施工难易度等方面进行比选以得出最优方案作为最终采用的施工方案。利用BIM技术，可以直观地看到线型的走向、坡度等，为设计人员进行路线方案比选提供参考；同时，由于公路行业BIM的工程模型是严格按照实际尺寸在高精度的大比例DEM/TIN 环境模型上建立的，利用软件可以简单清楚地统计出包括填挖方在内的各种工程量，方便概预算统计工作的展开，从而看出各比选方案在经济方面的优劣，为设计人员选择方案提供参考。

2.1.2.4 碰撞检查

传统设计方法下采用的平面图纸面对公路工程中复杂的构件连接问题如钢筋布设时不够直观，设计人员进行设计时构件容易产生碰撞；同时不同构件的平面设计图纸由各自专业分别完成，相互间没有直接联系，构件间的冲突不易被发现。利用BIM技术对模型进行碰撞检查可以提早发现并解决这些问题。碰撞检查的本质是对建立模型的集成分析[10]，通过在统一的坐标系下严格按照实际尺寸对公路工程构件进行建模，可以清晰直观地观察到碰撞点的位置、类型等信息，之后专业设计人员对碰撞进行核对与修改，在设计阶段就将冲突问题解决，有效提高了工作的效率。图2 是对某构件的钢筋进行的碰撞检查，其中颜色加深部分为产生碰撞的部位。

图2 构件碰撞检查示例图

2.2 在施工阶段的应用

公路工程在施工阶段的重点在于对项目的管理，这既包括对项目施工进度的管理与优化，也包括对项目建设所用物料的管控。如果说在设计阶段是在解决建设什么的问题，那么在施工阶段就是在解决如何建设的问题。应用BIM技术的施工管理方法由于采用了信息化的三维立体模型，相较传统施工组织计划中的的平面图表而言，更加直观与具体。同时较之传统项目使用的厚重图纸集而言，BIM模型的载体可以采用手机或者平板电脑，更有利于施工人员携带与随时查看项目相关情况，提高工作效率。

BIM技术可以应用于工程项目的方方面面。首先是对施工方案的静态模拟，利用BIM技术的可视性，可以对施工场地的布置进行模拟，通过充分利用已有建筑和周围环境，找到各设备最适合的安装位置，减少临时设施的使用，使场地的规划更加完善。将设计阶段完成的三维模型按照施工方案切分为单独的构件，并为各构件赋予时间轴信息、成本信息、位置信息等施工所需信息，可以在计算机中对整个施工过程进行动态模拟[11]。基于可视化BIM技术的施工过程动态模拟生动而直观，可以在工程实际开工前便发现工程中存在的问题，优化施工方案，加快施工进度，减少人机料的浪费，提高施工管理的水平与效率。

2.3 在运维阶段的应用

进入运维阶段后，公路工程项目的重点在于项目日常的养护管理决策工作。通过建立基于BIM技术的运维管理平台，可以有效提高运维工作的效率，并对决策工作提供支持。该平台将运维阶段采用的多个信息系统统合在一起，将产生的所有信息进行数字化处理，减少了信息的异构及分散储存[12]。同时，将数字化的信息集成到相关联的BIM模型构件中，提高了整个管理过程的可视性、精确性以及交互性。例如，在结构养护管理系统中，通过移动端接口将道路维护过程中产生的病害类型、位置、时间以及严重程度等信息输入到运维管理平台中，在PC 端就可以很清楚地看到病害所处桩号，其与周围结构的关联性等传统管理模式下难以了解的信息，这有助于运维人员了解构件在其生命周期内演变的规律，并对其未来的发展趋势做出预测，并据此作出养护管理决策。将视频监控系统及报警系统与BIM模型构件集成在一起，便可以在事故发生时提醒管理者事件发生的位置及详情，方便管理者对此作出快速反应。

3 公路工程BIM应用的难点

目前我国公路工程BIM应用中存在缺乏统一应用标准、缺乏专业的核心设计软件、设计模式落后、BIM平台开发维护成本较大、缺乏专业BIM人才等问题。

在应用BIM进行设计时，单一的软件很难直接满足需求，需要运用不同的软件相互配合来完成设计。而不同软件的底层代码和数据储存格式均有所差异，无法完全兼容，数据间的转换难以直接进行。同时，由于BIM应用起源于建筑业，其核心建模软件均主要为建筑行业服务，由国外软件商设计的BIM软件其编码主要是依据国外建筑业相关规范进行编写的，对我国公路行业的支持相对不足。

为解决这一系列的难题，不但需要我国大力支持和推广BIM应用，也需要我国尽快编写属于公路行业BIM应用的IFC、IDM以及IFD 标准[13]，通过使用这些标准，可以解决不同软件编码存在的差异，实现数据交换与共享，减少数据传输过程中的损耗。

4 BIM发展展望

20 世纪80年代兴起的甩图板运动实现了从纸笔设计计算到应用计算机辅助设计的飞跃，可以称之为公路行业的第一次革命，而目前正在蓬勃发展的BIM技术应用便可以称之为是公路行业的第二次革命了。随着信息化技术的不断革新发展和国家相关部门的大力支持与推广，公路行业的BIM应用发展必将迈上一个新的台阶。

BIM诞生已有40 余年，引进我国也有20 多年的历史了，但就公路行业而言BIM应用尚处于起步阶段，仍有很大的发展空间。从国家层面而言，应当大力推进BIM产业发展，制定BIM行业规范，培养BIM技术人才；从软件商方面来说，应当与国家合作一同研发具有自主知识产权的BIM软件平台；从企业方面而言，应当挖掘BIM技术潜力，最终实现运用BIM技术的正向设计。

总的来说，BIM应用前景广阔，值得相关科研工作者共同努力研究。

5 结语

本文着眼于公路工程建设管理的新趋势，在了解BIM技术特点的基础上，对其在公路工程建设管理全生命周期内的应用进行了探讨与总结，并对其存在的问题及未来发展方向进行展望，为BIM技术在公路工程中的实际应用提供参考。