當(dāng)前，BIM技術(shù)多應(yīng)用于房屋建筑領(lǐng)域，在交通領(lǐng)域的應(yīng)用較少，應(yīng)用于設(shè)計(jì)階段的更少。本文對(duì)BIM技術(shù)在道路工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與發(fā)展進(jìn)行分析，提出設(shè)計(jì)流程及各設(shè)計(jì)流程對(duì)應(yīng)的實(shí)現(xiàn)方法，簡述現(xiàn)階段BIM技術(shù)在道路工程設(shè)計(jì)階段可實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的案例，包括無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用、BIM技術(shù)道路幾何設(shè)計(jì)應(yīng)用、技術(shù)在各專業(yè)交互設(shè)計(jì)應(yīng)用及BIM技術(shù)應(yīng)用成果輸出等，并對(duì)BIM技術(shù)的未來發(fā)展進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

國內(nèi)外BIM技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展分析

國外在BIM技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用方面均較早，并取得了顯著成果，如英國高鐵二號(hào)線(HS2)鐵路伯明翰三角型交通樞紐、日本郵政大廈、新加坡黃廷芳醫(yī)院等，均是較為成功的案例。在國內(nèi)，BIM技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用預(yù)期遠(yuǎn)不如國外形勢(shì)樂觀，主要原因包括以下幾個(gè)方面：一是企業(yè)業(yè)務(wù)模式偏重短期利益、管理方式粗放、現(xiàn)場方案變動(dòng)率較高；二是企業(yè)人力支持力度不足，設(shè)計(jì)思路易受傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思想固化的影響；三是缺少技術(shù)支持，無相對(duì)成熟的BIM 研發(fā)平臺(tái)和成體系的設(shè)計(jì)軟件；四是對(duì)BIM技術(shù)認(rèn)知較晚，政策支持推行較為遲緩。

可喜的是，目前國內(nèi)BIM技術(shù)逐漸得到了一定的發(fā)展，開始迎來前期發(fā)展的爆發(fā)期。通過近幾年的發(fā)展，國內(nèi)在BIM技術(shù)應(yīng)用方面取得了一些初步成果，并累積了一些較為成功的經(jīng)驗(yàn)，如北京中國尊、上海中心、珠海歌劇院等。

BIM技術(shù)在道路工程設(shè)計(jì)中的流程

道路設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，特別是市政道路，需要多專業(yè)相互配合，具有系統(tǒng)性、復(fù)雜性、統(tǒng)籌性、交互性等特點(diǎn)。在道路工程設(shè)計(jì)中，主要設(shè)計(jì)內(nèi)容包括基礎(chǔ)資料整理、道路平縱橫設(shè)計(jì)、各專業(yè)交互設(shè)計(jì)以及設(shè)計(jì)成果輸出等。在BIM設(shè)計(jì)中，其設(shè)計(jì)流程與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程基本一致，這樣在設(shè)計(jì)思路上也更容易被理解和接受，設(shè)計(jì)流程詳見圖1。

道路設(shè)計(jì)的開始工作是基礎(chǔ)資料的整理與分析，設(shè)計(jì)基礎(chǔ)資料整理包括明確業(yè)主需求、上位規(guī)劃分析以及現(xiàn)場情況調(diào)查等?；A(chǔ)資料整理完畢后便可進(jìn)行道路平縱橫方案設(shè)計(jì)，道路平縱橫設(shè)計(jì)的主要目的是在各種控制因素下，選擇合理的平縱面線形及橫斷面搭配，避開不利因素，在保證符合規(guī)范及質(zhì)量要求的前提下，尋求工程安全、適用、經(jīng)濟(jì)及美觀的辯證統(tǒng)一合理性。道路平縱橫方案初步確定后，其他專業(yè)將在此基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，各專業(yè)數(shù)據(jù)相互支撐與矯正。各專業(yè)交互設(shè)計(jì)完成后，設(shè)計(jì)成果便可匯總輸出，用于指導(dǎo)施工或方案展示等。

BIM技術(shù)的應(yīng)用介紹

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用

在基礎(chǔ)資料整理步驟中，運(yùn)用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，可為道路設(shè)計(jì)提供更真實(shí)、可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并在拆遷量統(tǒng)計(jì)、占地面積計(jì)算、工程量計(jì)算等方面發(fā)揮作用，應(yīng)用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)處理的數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)資料，可快速完成方案設(shè)計(jì)以及方案比選。此技術(shù)應(yīng)用于道路設(shè)計(jì)中，較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)手段及依托數(shù)據(jù)更具優(yōu)勢(shì)[1]。

圖1 BIM設(shè)計(jì)流程圖

圖2 三維實(shí)景模型圖

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)分為外業(yè)和內(nèi)業(yè)兩部分，外業(yè)即為無人機(jī)實(shí)地飛行拍攝，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。內(nèi)業(yè)即在室內(nèi)運(yùn)用計(jì)算機(jī)對(duì)外業(yè)采集的照片或視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及分析。外業(yè)采用無人機(jī)作為飛行平臺(tái)，搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從垂直和傾斜等5個(gè)不同的角度采集影像[2]。在本研究實(shí)例應(yīng)用中，外業(yè)采用大疆無人機(jī)作業(yè)，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理采用Context Capture三維建模軟件完成，關(guān)鍵操作步驟包括：一是影像導(dǎo)入軟件，選取坐標(biāo)系及測(cè)量控制點(diǎn)，提交空中三角測(cè)量計(jì)算生成點(diǎn)云；二是新建重建項(xiàng)目，建立空間框架，根據(jù)計(jì)算機(jī)內(nèi)存大小切割計(jì)算瓦片塊數(shù)；三是提交生產(chǎn)項(xiàng)目，選取生產(chǎn)目的，生產(chǎn)出可用于下一步BIM技術(shù)應(yīng)用的模型數(shù)據(jù)。

常用的生產(chǎn)目的有三維網(wǎng)格和正射影像/DSM。正射影像/DSM即為實(shí)景模型的正投影圖像，可用于平面展示、設(shè)計(jì)文件疊圖及其他制作等；三維網(wǎng)格即為實(shí)景模型，可用于后續(xù)模型建立，也可用于設(shè)計(jì)全過程中的實(shí)地情況查看數(shù)據(jù)測(cè)量等。以某項(xiàng)目為例，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用成果詳見圖2。

BIM技術(shù)道路幾何設(shè)計(jì)應(yīng)用

本研究道路幾何設(shè)計(jì)實(shí)例應(yīng)用，采用OpenRoads Designer（ORD）軟件完成。運(yùn)用ORD進(jìn)行道路設(shè)計(jì)，可將道路設(shè)計(jì)理念和成果由二維圖紙轉(zhuǎn)換為三維立體空間，能直觀地對(duì)道路進(jìn)行線性設(shè)計(jì)，快速完成方案比選、出圖和工程量統(tǒng)計(jì)。同時(shí)，在該設(shè)計(jì)方法中，定制好的橫斷面模板能高效建立模型、進(jìn)行參數(shù)化的聯(lián)動(dòng)修改、實(shí)時(shí)查看各項(xiàng)數(shù)據(jù)及工程量，減少了設(shè)計(jì)過程中的碰、漏、缺等問題[3]。ORD平縱橫設(shè)計(jì)流程為：地形處理、平面設(shè)計(jì)、縱斷面設(shè)計(jì)、橫斷面設(shè)計(jì)（即生成廊道）、整體調(diào)整。

ORD地形處理采用狄洛尼三角網(wǎng)構(gòu)建原理，能直接讀取多種數(shù)據(jù)格式的文件，如.dat、.tin、.xml文件。同時(shí)，還可以連接CAD的.dwg文件，通過屬性特征過濾刷選出需要的地形數(shù)據(jù)，比對(duì)其進(jìn)行處理和使用。除此之外，ORD可以直接在無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用的三維網(wǎng)格模型上拾取需要的地形數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行處理和使用。經(jīng)過工程對(duì)比驗(yàn)證，此方法得到的地形數(shù)據(jù)可達(dá)1:500地形圖精度，完全能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

ORD平縱橫設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路一致，均是在地形數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，先進(jìn)行平面布線，再進(jìn)行縱斷面設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行橫斷面設(shè)計(jì)，其優(yōu)勢(shì)在于橫斷面智能模板、平縱橫可聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)等。

ORD橫斷面設(shè)計(jì)即為橫斷面模板（廊道）定義及廊道生成。廊道模板主要是由主要板塊（如車行道結(jié)構(gòu)、人行道結(jié)構(gòu)）、約束體（如路緣石）以及端點(diǎn)條件（如放坡線）等單元組成。每個(gè)單元以及單元與單元之間由“點(diǎn)控制、參數(shù)約束”的規(guī)則實(shí)現(xiàn)其形狀以及相互間的組成連接關(guān)系。如長方形路緣石有A、B、C、D4個(gè)頂點(diǎn)，以A點(diǎn)為固定點(diǎn)，B點(diǎn)以A點(diǎn)為控制父項(xiàng)，約束參數(shù)為B點(diǎn)與A點(diǎn)水平距離為0.15m，豎直距離為0m，這描述即為A、B兩點(diǎn)位置關(guān)系，以此類推可得到4個(gè)點(diǎn)的位置關(guān)系，即也得到路緣石形狀及尺寸。同理，可根據(jù)此規(guī)則定義出各個(gè)單元，各個(gè)單元之間再根據(jù)此規(guī)則組成一個(gè)完整的廊道模板。除此之外，此規(guī)則同樣可運(yùn)用于道路的超高及加寬設(shè)計(jì)，體現(xiàn)了橫斷面智能模板的優(yōu)勢(shì)。

地形、平縱橫均設(shè)計(jì)完成之后，可新建廊道，生成三維的道路模型。模型能多視圖、多維度同時(shí)顯示設(shè)計(jì)方案，還能連接實(shí)景模型，可更直觀地檢查方案，查看動(dòng)態(tài)截面、查詢工程量等。如需要調(diào)整方案，可直接調(diào)整需要調(diào)整的部分，其余部分會(huì)自動(dòng)聯(lián)動(dòng)調(diào)整，減少工作量，提高工作效率，彰顯了平縱橫可聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)。如模型生成后，檢查發(fā)現(xiàn)一側(cè)山體開挖過大，需要調(diào)整線型，則可直接拖動(dòng)中線位置，道路縱、橫斷面會(huì)自動(dòng)聯(lián)動(dòng)更改，重新生成三維模型；此時(shí)再檢查方案是否合理，若不滿足可重復(fù)上述操作步驟，直至中線拖動(dòng)至合理位置。同理，更改縱、橫斷面也是一樣的效果。圖3為某項(xiàng)目BIM技術(shù)道路幾何設(shè)計(jì)的應(yīng)用成果。

BIM技術(shù)在各專業(yè)交互設(shè)計(jì)應(yīng)用

圖3 道路三維模型圖

圖5 道路設(shè)計(jì)實(shí)景模型圖

交互設(shè)計(jì)在道路工程中的具體應(yīng)用，不僅以設(shè)計(jì)產(chǎn)品為結(jié)果，而且重視設(shè)計(jì)工作的行為和過程，強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)部門的過程性信息共享及協(xié)同管理能力[4]。優(yōu)質(zhì)、可靠、合理的設(shè)計(jì)方案是決定工程項(xiàng)目質(zhì)量的關(guān)鍵，除了運(yùn)用無人機(jī)傾斜攝影等現(xiàn)代化重要技術(shù)手段獲得先進(jìn)基礎(chǔ)資料外，還需要各專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)管理、信息數(shù)據(jù)共享和及時(shí)反饋，即各專業(yè)交互設(shè)計(jì)。

在現(xiàn)行交通運(yùn)輸行業(yè)設(shè)計(jì)中，各專業(yè)設(shè)計(jì)軟件多是基于CAD平臺(tái)二次研發(fā)的軟件，其缺點(diǎn)在于軟件門類過多，數(shù)據(jù)無法很好地跨專業(yè)共享和識(shí)別，更不能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息統(tǒng)一管理。但由于BIM技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，該現(xiàn)狀在一定程度上得到了改善。

首先，BIM技術(shù)創(chuàng)建了統(tǒng)一的通用數(shù)據(jù)環(huán)境，各專業(yè)軟件設(shè)計(jì)文件格式得到統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)了各專業(yè)軟件之間的數(shù)據(jù)共享。其次，BIM技術(shù)創(chuàng)建了通用建模環(huán)境，提供了多專業(yè)統(tǒng)一的工程內(nèi)容創(chuàng)建平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)諸如總體模型創(chuàng)建、圖紙輸出、材料統(tǒng)計(jì)以及碰撞檢查等多專業(yè)集成設(shè)計(jì)和工程檢查功能。除此之外，BIM技術(shù)創(chuàng)建了通用的協(xié)同工作環(huán)境，即一個(gè)基于協(xié)同工作服務(wù)器的集成系統(tǒng)，形成一個(gè)工程內(nèi)容管理與協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)AEC項(xiàng)目的團(tuán)隊(duì)、信息和工具軟件一體化地協(xié)同工作。如BIM技術(shù)數(shù)字化施工管理工作就在上海軌道交通12號(hào)線11標(biāo)的應(yīng)用上取得了成功[5]。最后，BIM技術(shù)創(chuàng)建了通用資產(chǎn)性能環(huán)境，對(duì)后期項(xiàng)目運(yùn)營進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及分析；提供維護(hù)方案，提高使用性能、安全性和可靠性。以Bentley系列軟件為例，各專業(yè)交互設(shè)計(jì)關(guān)系及采用軟件詳見圖4。

BIM技術(shù)應(yīng)用成果輸出

目前，BIM設(shè)計(jì)在出圖上有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)镃AD中需要不同方向的平立剖圖，而在BIM中一次即可完成，極大地提升了出圖效率[6]。但BIM技術(shù)應(yīng)用成果輸出不僅僅局限于2D施工圖的輸出，更具有意義的是，BIM技術(shù)設(shè)計(jì)過程與傳統(tǒng)不同，為三維設(shè)計(jì)過程，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)本身就是三維數(shù)據(jù)，可直接輸出三維數(shù)據(jù)成果。如設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)集成后，輸出三維設(shè)計(jì)模型成果，用于指導(dǎo)施工和監(jiān)管等；也可設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)集成后，導(dǎo)入LumenRT等渲染軟件進(jìn)行修飾、加工、渲染，最后輸出三維渲染模型，用于方案展示、匯報(bào)及宣傳等。三維成果的輸出與運(yùn)用，將更加具有直觀性、精確性和整體性。圖5為某項(xiàng)目BIM技術(shù)應(yīng)用成果輸出實(shí)例。

BIM未來應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)

經(jīng)多項(xiàng)研究證實(shí)，設(shè)計(jì)對(duì)施工安全有較大影響[7]-[8]，而BIM技術(shù)在道路設(shè)計(jì)的應(yīng)用可有效提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量[9]。近年來，BIM技術(shù)應(yīng)用不斷拓展和深入，應(yīng)用范圍擴(kuò)展到工程建設(shè)項(xiàng)目的深化設(shè)計(jì)、虛擬施工、運(yùn)維管理及全生命周期，應(yīng)用領(lǐng)域也從傳統(tǒng)建筑業(yè)拓寬到管線綜合、城市軌道交通等城市基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域[10]。BIM技術(shù)應(yīng)用取得初步成果，并且得到認(rèn)可和推行，但也存在許多不足。根據(jù)技術(shù)應(yīng)用設(shè)計(jì)過程中累積的經(jīng)驗(yàn)并經(jīng)過分析后，得出未來BIM應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)如下：

一是精細(xì)化。目前BIM技術(shù)還不夠成熟，自身存在諸多不足，如2D出圖效果較差、模型效果較粗糙、結(jié)構(gòu)單體較簡單等，未來將實(shí)現(xiàn)軟件功能完整、數(shù)據(jù)庫齊全，達(dá)到技術(shù)精細(xì)化。

二是智能化。目前BIM技術(shù)比較難掌握，主要表現(xiàn)為軟件系統(tǒng)龐雜、操作繁瑣、需人控制等，未來將實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理智能化、設(shè)計(jì)智能化、管理智能化等。如軟件在無人機(jī)傾斜攝影、地質(zhì)勘探等數(shù)據(jù)采集處理完成后，可在此基礎(chǔ)資料上，根據(jù)設(shè)計(jì)人員給定的初始控制條件，智能計(jì)算并提出多個(gè)道路路線設(shè)計(jì)方案，供設(shè)計(jì)人員選擇和參考。又如道路路線方案選定后，軟件可智能計(jì)算并提出多個(gè)交通管理、管線布置、路燈布置及綠化布置等方案，供設(shè)計(jì)人員選擇和參考。

三是普遍化。在BIM技術(shù)相對(duì)精細(xì)化、智能化以及人們的運(yùn)用能力得到提高后，BIM技術(shù)將普遍化，人人會(huì)用，得到廣泛推行與運(yùn)用。

四是大數(shù)據(jù)化。目前BIM技術(shù)僅能實(shí)現(xiàn)行業(yè)間數(shù)據(jù)共享，在技術(shù)精細(xì)化、智能化、普遍化以及科技水平提升后，數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)跨行業(yè)共享，將實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)化。如道路設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可與汽車制造業(yè)實(shí)現(xiàn)共享；機(jī)場周邊建筑物數(shù)據(jù)可計(jì)算分析出其布局所產(chǎn)生的氣流變化，從而用于飛機(jī)起飛和降落時(shí)刻穩(wěn)定性分析，實(shí)現(xiàn)建筑行業(yè)與航天行業(yè)數(shù)據(jù)共享。

總結(jié)

BIM技術(shù)在道路設(shè)計(jì)乃至在整個(gè)行業(yè)的應(yīng)用與發(fā)展，還處于初步發(fā)展階段，但其技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)，并且技術(shù)應(yīng)用帶來的積極效果顯而易見，可應(yīng)用性強(qiáng)、可發(fā)展性好，已成為未來發(fā)展對(duì)象。但在未來的發(fā)展中，還需通過大量實(shí)踐吸取經(jīng)驗(yàn)，逐步改善和創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)技術(shù)成熟。