徐開華，王黎明

(中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100089)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展水平的日益提高，基礎設施建設正在逐步完善，公路的質量直接影響公路的全生命周期，更關乎著人民群眾的安全便捷出行。公路勘察設計是公路工程質量的基礎保障，公路勘察設計直接關系到公路質量和行車安全。

新時期對于公路設計提出了更高的要求，特別是黨的十八大以來，在以習近平總書記提出的“綠水青山就是金山銀山”的生態(tài)文明思想指引下，公路建設需求增長迅猛，公路工程建設由大面積建設逐漸向創(chuàng)新、協(xié)調、綠色、開放、共享、高效等方面轉變，因此，設計人員作為公路的先行者，必須重視對先進信息技術的學習。

在傳統(tǒng)的公路工程設計過程中，設計人員一般采用CAD、瑋地、Card1等設計軟件對工程進行二維設計，由于公路工程設計涉及路線、路基路面、橋梁、隧道、互通式立交、平面交叉、交通工程、沿線設施等多專業(yè)，專業(yè)之間互有交叉，且影響范圍較大，設計出來的成果會有一定的缺陷，導致后期設計變更增加，進而影響工程項目成本和總投資。工程設計的目的在于在滿足工程安全的前提下，把建設用地信息全面地傳遞給交通規(guī)劃部門，把工程量和控制因素準確地傳遞給建設單位，把設計意圖完整地傳達給施工單位。然而，隨著道路建等級的提高，建設難度越來越大，公路各組成部分越來越多，線性復雜且構造物造型各異，對建設環(huán)境要求也越來越高，加之二維平面設計存在大量的“錯、漏、碰、缺”等現(xiàn)象，在設計階段難以用二維設計圖紙檢查出來，且遠超過工程師的空間想象力，因此這種現(xiàn)象只能在施工階段再發(fā)現(xiàn)、再變更，進而影響整個工程的造價。

傳統(tǒng)模式下建設工程從設計到施工的流轉：設計出平面CAD圖紙，施工單位拿到設計圖紙后，需要做的工作包括：施工深化圖紙，利用現(xiàn)場施工安裝經(jīng)驗來彌補圖紙的不精確表達，甚至需要設計交底、圖紙變更單、技術核定單等。這種傳統(tǒng)模式屬于勞動力密集、高能耗的工作流程，很大程度上依靠人的因素。設計師需要考慮的信息量相對較少，對于信息的缺失和誤傳導，彌補方式相對簡單；施工方則需要處理大量的信息，包括讀取圖紙信息，分析可行性，拆算工程量，核定價格等等。對于有經(jīng)驗的施工方很多東西可以預計，如果經(jīng)驗不足，可能出現(xiàn)的情況是施工過程中發(fā)現(xiàn)問題再去找設計，施工工期延誤也成了情理之中的事情。

通過采用BIM技術進行公路工程設計，不僅可以提高設計意圖表達的準確性，可以彌補CAD技術的不足，而且能較好的解決這些問題。從而為決策者、設計者提供更加便捷的設計手段，為傳統(tǒng)勘察設計與BIM(Building Information Modeling的簡稱，中文名為“建筑信息模型”)等新技術相互結合提供一種新思路，進而推動對公路信息化設計和智能化管理。作為設計企業(yè)，應利用BIM技術開發(fā)新的盈利模式，才能更好地為業(yè)主服務，提升設計企業(yè)的價值。

1 BIM技術概念

BIM即建筑信息模型，是一種建筑全生命周期的業(yè)務流程，是建筑數(shù)據(jù)在設計、建設和運營過程中的應用，項目不同參與方通過一個平臺進行操作并共享信息，以對軟件為工具集成應用，各自發(fā)揮長處和作用的應用過程。

隨著我國相關部門對BIM技術研究的深入，以及基于BIM技術的軟件平臺功能不斷完善，BIM技術應用于實施已經(jīng)在我國逐漸開展。2017年7月，我國住房和城鄉(xiāng)建設部頒布的《建筑信息模型施工應用標準》，對BIM的定義為：在建設工程及設施全生命期內，對其物理和功能特性進行數(shù)字化表達，并依此設計、施工、運營的過程和結果的總稱。

BIM可通過數(shù)字化技術，在計算機建立一座數(shù)字工程實體則提供了一個完整的、具有邏輯映射關系的工程信息庫，從而為工程設計提供更優(yōu)質的服務。

2 BIM技術在公路工程設計中的優(yōu)點

2.1 可視化

公路設計是一項十分復雜的工作，設計中會涉及大量的參數(shù)、數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)多、計算量大是設計的顯著特點，設計人員不僅要必須要考慮到方方面面的因素，而且要站在整體的視角去考慮整個設計方案的合理性，這對于設計人員而言是非常困難的。通過運用BIM技術，可以構建建筑物的三維模型，從而實現(xiàn)模型可視化，即“所見即所得”。其成果不僅可以應用于報表的生成和效果圖的展示，也可使得項目設計、建造、運營過程中的溝通、決策、討論都可以在可視化狀態(tài)下進行，實現(xiàn)真正的所見即所得。

2.2 協(xié)調性

BIM技術具有較高可協(xié)調性。在進行公路工程設計時，會涉及多個專業(yè)，由于各專業(yè)設計師之間的溝通不到位，各專業(yè)會出現(xiàn)沖突。BIM的協(xié)調性服務就可以幫助處理這種問題，也就是說BIM可在公路工程施工前期對各專業(yè)的碰撞問題進行協(xié)調，通過協(xié)調數(shù)據(jù)，各種專業(yè)碰撞問題會得到避免。

2.3 模擬性

BIM正好符合大數(shù)據(jù)集成與整合，其強大的模擬與分析能力滿足了現(xiàn)代對于建筑工程的指導與演示需求，BIM技術不僅能實現(xiàn)對公路設計模型的模擬，還可以實現(xiàn)對實際狀態(tài)中不易操作的問題進行模擬。除此以外，BIM技術還可以對施工、進度、成本、現(xiàn)場布置與安全等進行模擬。在后期的運營階段也可以模擬日常養(yǎng)護及應急處置等，如道路維護與應急處置等的模擬。通過BIM技術配合相關軟件對建筑項目中周邊環(huán)境的地理信息、環(huán)境信息、自然氣象信息等等進行集成與分析，模擬項目的熱能傳到、日照、風向甚至是自然災害等狀況。同時，還可以對項目的設備設施的能耗、負荷等進行模擬分析，得出建筑設備所需的能耗數(shù)值、能效信息，調整設計方案，實現(xiàn)綠色設計與建筑。

2.4 優(yōu)化性

具有優(yōu)化性特點。BIM模型提供了所有公路勘察設計信息，包括公路規(guī)劃、幾何信息、物理信息，并且通過計算機模擬設計可一次生成上百種設計方案，通過對控制維度的把控，逐漸篩選出最優(yōu)秀的設計方案。在大型且復雜項目中，與傳統(tǒng)的設計成果相比，BIM技術可通過各種優(yōu)化工具，實現(xiàn)對公路復雜問題的優(yōu)化，且優(yōu)化出的成果效果更為可靠。

2.5 可出圖性

在傳統(tǒng)2D繪圖環(huán)境下，所有圖紙都是孤立的：從平面圖繪制，然后再是里面、剖面，隨著項目進程，變動時分別更改，容易造成繪圖錯誤。然而在運用BIM時，首先可以對公路勘察的可視化展示、協(xié)調、模擬、優(yōu)化；其次在檢查碰撞、修改設計后，相應錯誤就被消除，同時提供碰撞檢查報告，及修改方案；最后，可以自動生成所有視圖。因此，在公路工程設計中采用BIM技術，可以使工程師在大量繁瑣的圖紙中解放出來。

2.6 協(xié)同化

在采用傳統(tǒng)的設計方法解決專業(yè)問題時明顯存在著數(shù)據(jù)交換不充分、理解不完整等問題。BIM技術可以改善以往工程建設行業(yè)各參與方較為松散的管理體系，減少信息的流失，并利用建造的數(shù)字信息模型將各方協(xié)同到一個平臺，提高設計質量。通過BIM技術可以使項目成員在同一個環(huán)境下用同一套標準來完成同一個設計項目，確保設計過程中，各專業(yè)并行設計，溝通及時、準確。協(xié)同化設計的最終目的是使建筑設計各專業(yè)內和專業(yè)間配合更加緊密，信息傳遞更加準確有效，減少重復性勞動，最終實現(xiàn)設計效率的提升。

2.7 增益性

BIM技術的增益性主要體現(xiàn)在設計階段，使用BIM技術流將工作級別轉移到項目早期時的能力，影響項目的成本和性能是高的，進行設計更改的成本是低的(如圖1綠色曲線所示)。這使得工程師們可以花更多的時間來評估優(yōu)化設計的假設場景，而花更少的時間來編制施工文檔。考慮到這一點，考慮采用BIM過程如何轉化為道路和公路設計的實際利益。BIM打造的是一個流線化的工作過程，強調將項目設計轉移到詳細設計階段影響項目績效的能力是最高的，設計成本達到最低。

圖1 項目全生命周期內BIM與項目各階段成本之間的關系

3 BIM在公路設計階段的應用分析

3.1 道路建模

直接利用道路幾何設計基礎數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)，構建準確的地面、道路以及橋隧等的三維實體模型，再利用衛(wèi)星或者航空數(shù)字影像進行模型貼圖處理后，營造出公路虛擬現(xiàn)實空間。

使用BIM軟件可以更高效地設計公路模型，例如可以創(chuàng)建更新的交互式平面交叉路口模型。同時可以利用內置的部件(包括行車道、人行道、溝渠和復雜的車道組件)，可以根據(jù)常用設計規(guī)范更迅速的設計環(huán)島，包括交通標識和路面標線等?；蛘吒鶕?jù)設計標準創(chuàng)建自己的部件。使施工圖和標注始終處于最新狀態(tài)，便于設計師集中精力優(yōu)化設計。強大聯(lián)動功能，平、立、剖面、明細表雙向關聯(lián)，一處修改，處處更新，自動避免低級錯誤。

3.2 工程量計算與分析

傳統(tǒng)的工程量計算方式得到的并不是一個工程所含有的井工程量，因此會有較大誤差。運用BIM軟件(civil3D建模)可以模擬工程構件的三維實體模型，能計算出土石方的開挖量與回填量，使用生成土方調配圖表，用以分析適合的挖填距離，要移動的土方數(shù)量及移動方向，確定取土坑和棄土堆的可能位置，做到土方調配平衡計算的精確化和精細化，并且可以節(jié)約大量時間，進而對項目成本管控發(fā)揮了重要作用。

3.3 碰撞檢查

各專業(yè)工程師在設計過程中針對每個工程項目中的不同部分可能出現(xiàn)沖突，這種問題可以通過碰撞檢查解決，碰撞檢查分為硬碰撞和軟碰撞。系統(tǒng)直接把二維圖紙變成三維模型并整合所有專業(yè)，通過軟件內置的邏輯關系可以自動查找出來，對道路進行碰撞檢查后，得到硬碰撞數(shù)量為67，軟碰撞數(shù)量為361。

3.4 自動生成施工平面圖

在精確建模的基礎上，用Revit建模生成的平立圖完全對得起來，圖面質量受人的因素影響很小，而對建筑和CAD繪圖理解不深的設計師畫的平立圖可能有很多地方不交接。利用BIM模型可直接輸出各種圖紙，快捷準確，直接出圖，極大的提高了設計效率。Autodesk? Revit?系列軟件構建于Revit平臺之上是完整的、針對特定專業(yè)的建筑設計和文檔系統(tǒng)，支持所有階段的設計和施工圖紙。

4 結 論

BIM技術是目前土木工程領域內重要發(fā)展的前沿技術，對于改進現(xiàn)有的設計方法具有重要意義。本文詳細探討了BIM技術優(yōu)勢及其在公路設計中的應用，在總結公路工程設計特點的基礎上，明確了BIM在公路設計中的詳細應用前景和方向，促進BIM技術在公里工程領域內的發(fā)展和應用。