彭欣　龐聰　韋繼寧　藍仁楷

摘要：為了解決目前BIM技術(shù)在公路設(shè)計階段主要以翻模為主的逆向問題，文章從公路設(shè)計階段的常規(guī)流程出發(fā)，對公路工程特性開展分析研究，提出了一種基于BIM技術(shù)的公路工程全專業(yè)正向設(shè)計的初步建模方法及流程，并從多個公路工程的良好應(yīng)用證明該方法在設(shè)計階段的實用性和優(yōu)勢性，對今后公路工程BIM正向設(shè)計的發(fā)展具有參考價值和推廣意義。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù);公路工程;BIM正向設(shè)計;Bentley

中國分類號：U412.36文獻標識碼：A

0 引言

隨著交通領(lǐng)域數(shù)字化水平的創(chuàng)新發(fā)展，傳統(tǒng)公路建設(shè)技術(shù)已經(jīng)逐漸落后并面臨淘汰。我國作為全球的交通大國、強國，在公路工程里程不斷增加的同時，對工程數(shù)字化、信息化的探索和需求更加迫切。BIM作為一種以信息流為核心的三維數(shù)字化技術(shù)，其在可視、仿真、協(xié)同等方面的優(yōu)勢使其能更好地適用于交通領(lǐng)域，促使傳統(tǒng)工程向數(shù)字化工程進行轉(zhuǎn)型升級，滿足項目全生命周期的需求。

BIM技術(shù)作為工程領(lǐng)域的又一次技術(shù)革命，其始于建筑領(lǐng)域，且研究已經(jīng)相當深入，但在公路工程領(lǐng)域，BIM技術(shù)仍然處于起步階段[1]。隨著BIM技術(shù)在建筑行業(yè)的成功應(yīng)用，交通行業(yè)也開始逐漸摸索BIM技術(shù)在自身領(lǐng)域的適應(yīng)性問題。從工程本質(zhì)上來說，公路與建筑均屬于土木工程，但區(qū)別于建筑工程，公路工程具有帶狀、長距離、范圍廣、工程量大、環(huán)境復雜及結(jié)構(gòu)變化多等主要特點，因此，公路工程BIM技術(shù)應(yīng)用應(yīng)在借鑒建筑行業(yè)的基礎(chǔ)上結(jié)合自身特點進行研究探索[2]。

可以預見的是，BIM技術(shù)作為第二次變革性的新技術(shù)，不同于從手繪時代向計算機輔助時代轉(zhuǎn)變時“甩圖板”對設(shè)計效率的大幅提升，其更重要的是三維信息模型的信息流通。所以說，BIM技術(shù)的本質(zhì)是信息及傳遞，他是一個全過程應(yīng)用的系統(tǒng)工程。一個項目的建設(shè)，不能單純地從設(shè)計效率的高低來判斷，應(yīng)該從整個項目的耗時和成本等多方面綜合考慮，BIM設(shè)計階段雖然因三維建模與編碼而耗費大量時間，但在減少錯誤和降低成本資源方面將遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)方法。同時，優(yōu)質(zhì)的BIM模型又將大大縮短施工建設(shè)時間，更有利于后期運維管理。由此可見，當信息化技術(shù)被不斷引入工程建設(shè)中，BIM技術(shù)則是頗受關(guān)注的一個[3]。

就目前來說，BIM技術(shù)在公路工程上的應(yīng)用主要受到BIM軟件的不成熟及相關(guān)BIM標準的缺失等條件的影響，目前仍主要以翻模為主，這也違背了BIM技術(shù)的設(shè)計初衷，只有正向設(shè)計的全過程打通才能實現(xiàn)BIM技術(shù)在公路工程應(yīng)用的真正價值。

1 平臺選擇

針對目前市場，BIM軟件主要可分為國產(chǎn)和國外兩大類，國產(chǎn)BIM軟件以鴻業(yè)和緯地兩大公司為主流，國外則以A（Autodesk）、B（Bentley）及D（Dassault）三大公司為主流。從技術(shù)層面分析，國內(nèi)BIM系統(tǒng)開發(fā)較晚，以AutoCAD為基礎(chǔ)框架平臺，從綜合性能上仍與國外系統(tǒng)存在一定差距。從專業(yè)性出發(fā)，法國Dassault公司主要以制造業(yè)見長，雖然近些年在交通領(lǐng)域發(fā)展較快，但還是存在一定的局限，而美國Autodesk和Bentley公司均更專注于工程建設(shè)行業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)。從全球市場占有率來說，Autodesk和Bentley公司占據(jù)了全球大部分建筑及交通領(lǐng)域市場，也是目前應(yīng)用最為廣泛的BIM軟件廠商。

綜上所述，針對交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，Autodesk和Bentley公司均具有自己的特點，從正向設(shè)計角度出發(fā)，兩大主流平臺也提供了自己的BIM解決方案，現(xiàn)將上述兩大主流平臺針對公路工程設(shè)計應(yīng)用情況進行對比分析，如表1所示[4]。

2 基于Bentley的公路工程BIM正向設(shè)計應(yīng)用

2.1 公路工程BIM技術(shù)正向設(shè)計應(yīng)用流程

2.1.1 基于Bentley平臺的公路工程BIM應(yīng)用

公路項目的全生命周期應(yīng)用，應(yīng)注重在設(shè)計階段構(gòu)建完善、科學、流通的BIM模型，滿足業(yè)主在后續(xù)施工、運維階段的相關(guān)需求[5]。Bentley的MicroStation底層平臺具有三維底層架構(gòu)、統(tǒng)一格式、承載能力強等諸多優(yōu)勢，即時存儲機制將不斷釋放內(nèi)存來進行圖形處理，系統(tǒng)占用內(nèi)存小，操作更為便捷，可有效地將各專業(yè)模型進行關(guān)聯(lián)匯總，避免模型數(shù)據(jù)的丟失，并已經(jīng)推出一系列用于交通工程基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計、施工及管理的BIM應(yīng)用軟件，與公路工程特性需求相符。因此，針對公路工程行業(yè)，選用基于Bentley的正向設(shè)計BIM解決方案主要包含以下BIM軟件應(yīng)用，如圖1所示。

2.1.2 公路工程BIM正向設(shè)計流程

目前，BIM技術(shù)應(yīng)用主要采用先二維設(shè)計再BIM建模的“翻?！狈绞剑c實際設(shè)計意圖相違背。因此，本文將BIM技術(shù)往正向設(shè)計方向開展應(yīng)用研究，在前期資料的基礎(chǔ)上直接采用BIM技術(shù)開展設(shè)計，設(shè)計流程與傳統(tǒng)二維設(shè)計模式基本類似，但相較于傳統(tǒng)設(shè)計模式，BIM技術(shù)在協(xié)同性、可視性和仿真性上更具優(yōu)勢，達到“即見即所得”的設(shè)計體驗。針對公路工程BIM正向設(shè)計的系統(tǒng)流程如圖2所示。

2.2 基于BIM的設(shè)計協(xié)同及管理

公路工程設(shè)計往往需要多專業(yè)共同協(xié)作完成，設(shè)計過程中的方案調(diào)整、資料互提及進度把控都需要嚴格、科學的設(shè)計模式和管理方法。傳統(tǒng)設(shè)計模式在協(xié)同設(shè)計和項目管理方面存在著一定的不足，而異地設(shè)計模式問題更為顯著。因此，BIM應(yīng)用首先要解決設(shè)計和管理模式的協(xié)同問題。

Bentley提供了一款用于項目信息管理及協(xié)同工作的平臺ProjectWise開展協(xié)同設(shè)計。由項目負責人（管理員）根據(jù)項目各專業(yè)的人員安排、進度計劃及特點進行統(tǒng)一創(chuàng)建，所有的項目資料和消息都將在平臺上統(tǒng)一發(fā)布，具有嚴格的一致性和實時性。項目參與人員無論身在何處何時均可登陸客戶端開展工作，而不同的設(shè)計成員將由項目負責人賦予不同的權(quán)限以確保文件安全和流程可控。這種將分散的信息孤島進行有效集合的信息共享設(shè)計模式將使得設(shè)計工作變得簡單且規(guī)范，大幅度提高工作效率，減少過程差錯。

2.3 基于BIM的專業(yè)設(shè)計

2.3.1 設(shè)計環(huán)境構(gòu)建

準確優(yōu)質(zhì)的設(shè)計環(huán)境構(gòu)建對于提高設(shè)計質(zhì)量有著極其重要的意義。在實景環(huán)境下，設(shè)計人員可直觀融入道路所經(jīng)區(qū)域的虛擬三維環(huán)境進行動態(tài)交互設(shè)計，極大地提升了設(shè)計效率和質(zhì)量。

選擇采用OpenRoads Designer基于高程點及等高線數(shù)據(jù)的多種方式進行地形三角網(wǎng)構(gòu)建。利用航拍獲取高分辨率現(xiàn)狀影像并通過ContextCapture進行空三運算生成三維實景模型和正攝影像，再利用Descartes軟件對其進行處理生成三維地形曲面。這不僅能較好地解決傳統(tǒng)測繪采樣點不足的問題，同時能減少測繪成本[6]。在枯燥晦澀的傳統(tǒng)地形基礎(chǔ)上，真實還原項目實際場景，提高設(shè)計的準確性，輔助征地拆遷，達到“即見即所得”的設(shè)計體驗。

2.3.2 路線設(shè)計

路線設(shè)計作為公路項目的牽頭專業(yè)，具有將各分項專業(yè)進行有效串聯(lián)的總體職能，直接負責項目的總體把控和協(xié)調(diào)職責，各專業(yè)均基于路線平、縱、橫開展設(shè)計。

與傳統(tǒng)二維設(shè)計方式不同，基于OpenRoads Designer開展平、縱設(shè)計，其核心價值在于對路線的三維數(shù)字化表達，將傳統(tǒng)二維設(shè)計從剝離的平縱條件下進行關(guān)聯(lián)，直接以多視口的三維環(huán)境進行展示，更符合設(shè)計者對于路線走向在平面及高程面的統(tǒng)籌考慮及總體把控，使得路、橋、隧的區(qū)分度更為直觀。

2.3.3 路基路面設(shè)計

路基路面在傳統(tǒng)二維設(shè)計中通常以點和線作為設(shè)計信息的傳遞，在表達上存在一定的“模糊性”和“難辨識性”。而BIM設(shè)計的核心在于完成三維數(shù)字化模型實體的信息傳遞，將點線面轉(zhuǎn)化為以組件為基礎(chǔ)進行模型組合構(gòu)建的實體對象，更像是將帶有不同類屬性的結(jié)構(gòu)組件以類似“搭積木”的方式進行拼接，在表達上更為靈活生動。

基于OpenRoads Designer的路基路面設(shè)計的關(guān)鍵在于廊道橫斷面模板的智能構(gòu)建。一個優(yōu)質(zhì)的廊道模板應(yīng)具有結(jié)構(gòu)清晰、分類明確及延展性佳等特點，可為后續(xù)的展寬、分離等過渡變化提供支撐。

2.3.4 橋梁設(shè)計

針對橋梁工程的三維建模，一款軟件是無法完全解決橋梁設(shè)計的所有問題的，因此，Bentley不僅提供了OpenBridge Modeler的專業(yè)橋梁建模軟件，同時也開發(fā)了Prostrues的配筋設(shè)計軟件及對于部分特殊組件構(gòu)建的MicroStation CE三維軟件。為提高設(shè)計者的建模效率，我們建立了豐富的橋梁族庫以供設(shè)計者快速調(diào)用，也可由設(shè)計者們通過參數(shù)化設(shè)計來快速構(gòu)建不同的構(gòu)造物，盡可能提高橋梁建模的準確性和便利性[7]。見圖3。

2.3.5 隧道設(shè)計

隧道工程與橋梁工程相似，為公路項目的重要主體結(jié)構(gòu)和難點之一，與地質(zhì)專業(yè)聯(lián)系緊密。隧道工程主要采用OpenRoads Designer進行隧道主體結(jié)構(gòu)及三維地質(zhì)模型構(gòu)建，利用MicroStation CE進行細部構(gòu)件處理，最后采用Prostrues開展配筋設(shè)計，以多系統(tǒng)相結(jié)合的方式開展建模。見圖4。

2.3.6 交安設(shè)計

交安工程主要基于MicroStation CE進行模型的構(gòu)建，包括交通標志、隔離柵、防眩設(shè)施、護欄及欄桿等交安設(shè)施。建立一套完善的公路交安工程設(shè)計流程則主要需要注意兩點：

（1）交通安全設(shè)施庫。通過建立完善詳細的交通安全設(shè)施數(shù)據(jù)庫，實時調(diào)用對應(yīng)模型，避免重復建模，提高建模效率。交安設(shè)施數(shù)據(jù)庫應(yīng)從公路等級、設(shè)施內(nèi)容、組件構(gòu)成等方面從上至下進行樹形結(jié)構(gòu)的逐級細分，保證交安數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)性和條理性。

（2）參數(shù)化設(shè)計。公路交通安全設(shè)施分類多樣且信息量大，數(shù)據(jù)庫很難完全涵蓋所有設(shè)施需求，故應(yīng)采用面向組件的參數(shù)化構(gòu)建方法，具有靈活的分解性和組合性。每一種交安設(shè)施可分解為一個基本單元構(gòu)建，且編碼信息唯一獨立，這樣既可以快速創(chuàng)建交安設(shè)施模型，同時也可保證信息唯一性[8]。

2.3.7 服務(wù)區(qū)設(shè)計

公路服務(wù)區(qū)設(shè)計與公路主體設(shè)計區(qū)別較大，主要是場地平整規(guī)劃及建筑模型構(gòu)建。因此，Bentley公司建立了一套適用于場地建筑建模的流程體系。主要采用OpenRoads Designer進行服務(wù)區(qū)場地平整及相關(guān)道路銜接設(shè)計，利用AECOsim Building Designer進行服務(wù)區(qū)內(nèi)建筑設(shè)計。見圖5。

2.3.8 模型匯總及后期渲染

最后利用MicroStation CE將各專業(yè)模型進行參考匯總，檢查路、橋、隧等各專業(yè)間的銜接，并通過Navigator進行碰撞檢查，對模型內(nèi)部構(gòu)建的錯、漏、碰、缺等情況進行有效復核，有效規(guī)避各類潛在矛盾及沖突問題，從設(shè)計的源頭保證工程質(zhì)量，減少施工過程中的變更，確保施工順利進行[7]。

完成整個項目模型的匯總及檢查后，可直接通過MicroStation CE導入LumenRT進行三維實景渲染，添加真實材質(zhì)、植物景觀、交通流模擬、燈光模擬等渲染處理，打造“即見即所得”的場景構(gòu)建，并制作視頻動畫。見圖6。

3 工程應(yīng)用

依據(jù)上述BIM正向設(shè)計建模流程，目前已在都安至巴馬高速公路、荔浦至玉林高速公路及浦北至北流高速公路等多個高速公路項目上成功應(yīng)用。BIM技術(shù)在可視性、仿真性及參數(shù)性等方面具有優(yōu)勢，在項目方案匯報、評審及技術(shù)交底上取得了極佳的應(yīng)用效果，有助于設(shè)計階段的效率提高、差錯減少及資源節(jié)省。見圖7～9。

4 結(jié)語

本文以基于BIM技術(shù)的公路正向設(shè)計應(yīng)用為探索研究，對目前市場上的主流BIM平臺進行分析對比，并提出基于Bentley平臺的公路工程BIM正向設(shè)計應(yīng)用系統(tǒng)，以ProjectWise為協(xié)同管理平臺，從設(shè)計環(huán)境、路線、路基路面、橋梁、隧道、交安設(shè)施、服務(wù)區(qū)及后期處理（碰撞檢查及渲染）等八個分項重點進行BIM應(yīng)用分析，成功梳理了一套適用于公路工程三維數(shù)字化的BIM正向設(shè)計流程方法。突出了BIM技術(shù)的可視化、協(xié)同

性、參數(shù)化等諸多優(yōu)勢，并成功應(yīng)用于多個高速公路項目，取得了優(yōu)質(zhì)的效果和反響。為今后公路工程項目的三維數(shù)字化發(fā)展積累了非常重要的經(jīng)驗，具有十分重要的理論參考價值和推廣意義，為打通項目全壽命周期應(yīng)用的探索研究提供了依據(jù)。

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