云南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司 申俊昕

前言

以CAD、CAE、BIM等研發(fā)設(shè)計類工業(yè)軟件為代表的數(shù)智化技術(shù)，在公路工程設(shè)計行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級中扮演了無可替代的角色，但這類工業(yè)軟件面臨的“卡脖子”困局早有端倪。筆者所在的交通運輸部建筑信息模型（BIM）技術(shù)應(yīng)用交通運輸行業(yè)研發(fā)中心（云南）自2016年起，充分利用以CAD、CAE、BIM為代表的數(shù)智化技術(shù)，致力于公路工程設(shè)計的全面數(shù)智化改造，傾力打造了一款公路BIM“中國芯”——公路工程設(shè)計BIM系統(tǒng)，以期促進公路工程設(shè)計行業(yè)早日實現(xiàn)應(yīng)用自主可控的BIM技術(shù)，構(gòu)建數(shù)字設(shè)計基礎(chǔ)平臺和集成系統(tǒng)，實現(xiàn)工程設(shè)計、工藝、制造的協(xié)同，加快推進公路工程設(shè)計行業(yè)數(shù)智化轉(zhuǎn)型升級。

工程物參數(shù)分析

公路工程設(shè)計的目標是正確且合理地確定工程物的所有參數(shù)值，并將方案通過圖形技術(shù)準確地表達出來。由于公路工程規(guī)模大、參數(shù)多、參數(shù)間邏輯復(fù)雜，因此在設(shè)計過程中，設(shè)計師需具備大量的專業(yè)基礎(chǔ)知識，將大量的工程物參數(shù)從具體的設(shè)計過程中剝離，大幅降低設(shè)計工作量。需要充分利用以往的工程設(shè)計經(jīng)驗來快速確定大量的常規(guī)參數(shù)，快速形成初步方案。找出初步方案中的不合理參數(shù)，通過反復(fù)試算、各種分析技術(shù)運用以及向?qū)＜易稍兊仁侄?，確定剩余的疑難參數(shù)。由于團隊分工，設(shè)計師之間還會存在相互關(guān)聯(lián)、依賴的參數(shù)，需要團隊間協(xié)商確定。另外，由于數(shù)據(jù)量龐大，為確保工程設(shè)計質(zhì)量，還需要開展大量的相互校核和上級審核工作，導(dǎo)致設(shè)計思想在人腦之間的反復(fù)傳遞[1]。

利用CAD、BIM等數(shù)智化技術(shù)對包括道路、橋梁、隧道等在內(nèi)的公路工程進行數(shù)字化設(shè)計，關(guān)鍵在于對工程物參數(shù)化。數(shù)智化技術(shù)已應(yīng)用于正向設(shè)計多年卻一直難以落地，很大程度上都與參數(shù)密切相關(guān)。一方面是參數(shù)的取值，即確定工程設(shè)計方案的過程；另一方面是參數(shù)的表達，就是用二維圖紙、三維模型等形式來表達工程設(shè)計方案的過程。

工程物參數(shù)的數(shù)量往往很大，并且受到一系列參數(shù)的影響，如控制參數(shù)、環(huán)境參數(shù)和必要的性能參數(shù)等。工程物參數(shù)按取值方式可以分成三類：可標準化的參數(shù)、可智能化的參數(shù)、創(chuàng)新設(shè)計的參數(shù)。

可標準化的參數(shù)，是指設(shè)計生產(chǎn)工作中經(jīng)過多年工程實踐經(jīng)驗積累，已經(jīng)被標準圖、通用圖等形式規(guī)定取值的參數(shù)，這類參數(shù)大約占比70%；可智能化的參數(shù)，是指通過設(shè)計原則、經(jīng)驗規(guī)則等能夠智能化自動確定的參數(shù)，這類參數(shù)大約占比20%；創(chuàng)新設(shè)計的參數(shù)，是指需要設(shè)計工程師根據(jù)工程具體情況來現(xiàn)場決定的參數(shù)，這類參數(shù)大約占比10%。

其中，70%、20%、10%這些比例，是以施工圖設(shè)計的標準來劃定的。在初步設(shè)計階段，可智能化的參數(shù)可能上升到25%，創(chuàng)新設(shè)計的參數(shù)也就下降到只有5%；在工可、方案設(shè)計階段，可智能化的參數(shù)甚至可能達到29%，創(chuàng)新性參數(shù)只剩下1%。這個比例其實反映了一個國家的工程設(shè)計水平，如果可標準化的參數(shù)和可智能化的參數(shù)的整體比例很高，則說明這個國家的工程設(shè)計水平非常高。在數(shù)智化轉(zhuǎn)型升級過程中，以BIM技術(shù)為代表的數(shù)智化技術(shù)及應(yīng)用手段是否考慮了這三類參數(shù)的分布規(guī)律，直接關(guān)系到這些技術(shù)手段的落地效果。

工程設(shè)計過程分析

公路設(shè)計工程師在設(shè)計過程中，通常要做好以下工作：

一是理解。設(shè)計師針對設(shè)計意圖、設(shè)計資料、設(shè)計指導(dǎo)書、合作伙伴所提要求等，形成深入細致的理解。

二是思考。包括對參考圖、設(shè)計者自身設(shè)計經(jīng)驗的回顧及思考。

三是協(xié)商。在設(shè)計過程中有一些不確定的因素，需要向上級、專家、業(yè)主等溝通、協(xié)商、請示。

表1 公路工程設(shè)計現(xiàn)狀及數(shù)智化的技術(shù)思路

四是決策。對工程物參數(shù)進行取值，對方案進行校驗及專業(yè)化分析。

五是表達。設(shè)計方案的表達過程，可以分為兩部分：一部分是方案本身交付成果的表達；另一部分是對合作伙伴之間的協(xié)同“關(guān)聯(lián)”關(guān)系的表達。

通過進一步調(diào)研和分析，當前公路工程設(shè)計工作在設(shè)計資料、關(guān)聯(lián)信息、設(shè)計信息量、圖紙成果、協(xié)商溝通、過程管理等方面存在諸多問題，結(jié)合各類數(shù)智化技術(shù)的特點，我們提出了解決這些問題的技術(shù)思路，以期指導(dǎo)“公路工程設(shè)計BIM系統(tǒng)”數(shù)智化設(shè)計生產(chǎn)系統(tǒng)的研發(fā)工作，如表1所示。

數(shù)智化設(shè)計生產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)路線

“公路工程設(shè)計BIM系統(tǒng)”的研發(fā)正是基于工程物參數(shù)的完整性及設(shè)計過程的復(fù)雜性，充分利用BIM、互聯(lián)網(wǎng)等數(shù)智化技術(shù)，從三個維度對上述工程設(shè)計過程進行數(shù)智化改造，如圖1所示。

第一個維度：簡單的日常事務(wù)力求規(guī)范化、標準化、自動化。其主要包括：規(guī)范化的資料表達和收集，標準化的流程。而對于圖紙成果表達，技術(shù)簡單但工作量很大，應(yīng)該以自動化繪圖為主要手段。

第二個維度：復(fù)雜的設(shè)計過程要針對三類參數(shù)分類施策。首先，設(shè)計師人工處理的工程物參數(shù)要大幅“瘦身”，即70%左右的可標準化的參數(shù)不應(yīng)該出現(xiàn)在軟件交互界面上，而是隱藏在軟件后臺的標準庫里，讓軟件交互界面上只剩下30%的參數(shù)交給設(shè)計師來做設(shè)計，以免給設(shè)計師造成巨大的負擔；其次，對剩下20%左右的可智能化的參數(shù)，要充分利用設(shè)計經(jīng)驗規(guī)則，也就是各設(shè)計院的設(shè)計指導(dǎo)書，進行充分的數(shù)字化改造，以實現(xiàn)智能化設(shè)計，即實現(xiàn)設(shè)計經(jīng)驗規(guī)則的智能化自動應(yīng)用；最后，對很小一部分確實需要依賴于具體項目來思考定奪、創(chuàng)新設(shè)計的疑難參數(shù)，要提供“強人機交互”功能，也就是讓設(shè)計工程師有足夠便利、高效的設(shè)計環(huán)境及技術(shù)手段來做實驗、分析，輔助他們理解、優(yōu)化，從而最終確定下這一部分疑難參數(shù)。

第三個維度：設(shè)計過程中團隊間相互協(xié)同“關(guān)聯(lián)”的事情。首先，信息要充分地共享；其次，相互間的溝通要便捷；最后，對相互依賴的中間結(jié)果以及最終成果都要數(shù)字化留痕、跟蹤。

上述三大維度的數(shù)智化改造，已貫徹落實到“公路工程設(shè)計BIM系統(tǒng)”之中，期望可以實現(xiàn)整個工程設(shè)計生產(chǎn)的數(shù)智化、透明化。在數(shù)智化改造的研發(fā)過程中，主要采用了以下四類關(guān)鍵技術(shù)[2]：

圖1 數(shù)智化設(shè)計生產(chǎn)系統(tǒng)的技術(shù)路線

一是數(shù)字化標準部件庫技術(shù)。以通用圖和行業(yè)規(guī)范標準等標準化文件為基礎(chǔ)，建立數(shù)字化的標準部件庫，并規(guī)定標準化的索引方式，利用BIM模型中的信息來自動化引用標準部件庫中的數(shù)據(jù)。利用標準部件庫技術(shù)，可實現(xiàn)自動化引用，無需人工干預(yù)，既避免了重復(fù)勞動，也保證了標準貫徹的正確性。

二是數(shù)字化設(shè)計經(jīng)驗庫技術(shù)。以設(shè)計指導(dǎo)書為基礎(chǔ)，建立數(shù)字化的設(shè)計經(jīng)驗庫，針對工程環(huán)境參數(shù)、設(shè)計經(jīng)驗參數(shù)建立智能的索引方式，依據(jù)GIS數(shù)據(jù)、已經(jīng)確定的BIM數(shù)據(jù)和設(shè)計者的構(gòu)思數(shù)據(jù)，可智能且快速地形成設(shè)計方案，從而既提高了設(shè)計效率，又降低了工程合理性控制的難度。

三是參數(shù)化智能聯(lián)動技術(shù)。對于疑難部位的設(shè)計，只能由設(shè)計師充分發(fā)揮自己的創(chuàng)造性。通過設(shè)置專業(yè)性的設(shè)計控制參數(shù)，由設(shè)計師手動調(diào)整控制值，所有相關(guān)的BIM參數(shù)全部聯(lián)動更新，并同時刷新三維效果圖，讓設(shè)計師可即時查看設(shè)計結(jié)果的變化，從而加深對疑難點設(shè)計邏輯及其變化規(guī)律的理解。必要時還能自動生成其他分析軟件（如結(jié)構(gòu)分析、交通流仿真）的數(shù)據(jù)輸入文件，加深設(shè)計師對相關(guān)問題的理解，并形成合理決策，以有效降低設(shè)計難度。

四是電子沙盤協(xié)同共享技術(shù)。通過建立工程項目的共享電子沙盤，可實時匯總設(shè)計團隊的最新三維虛擬實景的成果。在虛擬實景中，設(shè)計團隊及關(guān)聯(lián)各方相互了解各自情況，并利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在線溝通，既能充分利用高效的通訊技術(shù)提高溝通效率，又能避免很多基于圖紙溝通所致的人為串行過程，有效地避免了低級的設(shè)計反復(fù)。

數(shù)智化設(shè)計生產(chǎn)系統(tǒng)功能概述

筆者所在的交通運輸部建筑信息模型（BIM）技術(shù)應(yīng)用交通運輸行業(yè)研發(fā)中心（云南）研發(fā)團隊，近五年來根據(jù)上述數(shù)智化改造的技術(shù)路線，深入研究了上述四項關(guān)鍵技術(shù)，持續(xù)開展公路工程數(shù)智化設(shè)計生產(chǎn)系統(tǒng)的研發(fā)工作，已經(jīng)取得了階段性突破及相關(guān)成果。包括總體設(shè)計子系統(tǒng)、路基設(shè)計子系統(tǒng)、涵洞設(shè)計子系統(tǒng)、隧道設(shè)計子系統(tǒng)、交安設(shè)計子系統(tǒng)、電子沙盤子系統(tǒng)、資料管理子系統(tǒng)7個子系統(tǒng)在內(nèi)的“公路工程設(shè)計BIM系統(tǒng)”體驗版，自2019年6月已面向行業(yè)用戶試點推廣，在經(jīng)過一年的用戶反饋和持續(xù)迭代優(yōu)化后，于2020年6月面向公路勘察設(shè)計全行業(yè)發(fā)布了《公路工程設(shè)計BIM系統(tǒng)V1.0》正式版。各子系統(tǒng)的功能主要包括以下幾個方面：

公路工程設(shè)計BIM系統(tǒng)總體設(shè)計子系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠完成從路線方案研究到施工圖設(shè)計階段的設(shè)計工作，完全實現(xiàn)了平、縱、橫聯(lián)動設(shè)計；在進行平面線形設(shè)計、縱斷面設(shè)計及超高加寬設(shè)計時，系統(tǒng)會自動結(jié)合最新規(guī)范并輔以智能的分析計算，實時提醒用戶進行合理性控制；實現(xiàn)了橋梁、隧道、邊坡等構(gòu)造物的三維模型快速生成、工程數(shù)量實時提取，同時支持多路線間的方案比選；在不同設(shè)計階段，均能以BIM模型為基礎(chǔ)快速生成相關(guān)圖表成果，出圖和算量的精準程度得到有效保障。

公路工程設(shè)計BIM系統(tǒng)路基設(shè)計子系統(tǒng)。以可視化的三維設(shè)計環(huán)境、先進的設(shè)計理念、豐富便捷的交互設(shè)計功能，給設(shè)計人員帶來了一把專業(yè)“利器”。使用該系統(tǒng)，可實現(xiàn)單個設(shè)計人員一天內(nèi)輕松完成超過100km的各等級公路的路基路面設(shè)計建模工作，并且可以一鍵生成所需的圖紙和表格成果；系統(tǒng)建模功能強大，能夠滿足包括邊坡、支擋、排水、路面、取棄土場、路基處治、土石方調(diào)配等在內(nèi)的幾乎所有路基路面專業(yè)方向的設(shè)計需求；可以實時生成精細的三維模型，使得設(shè)計人員不再為手工工作量繁重的“生產(chǎn)”任務(wù)而發(fā)愁，可以把更多的精力投入到方案的比選優(yōu)化中去，真正回歸到設(shè)計本質(zhì)，顯著提高了設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量。

公路工程設(shè)計BIM系統(tǒng)電子沙盤子系統(tǒng)。作為整個系統(tǒng)的協(xié)同共享平臺，電子沙盤子系統(tǒng)能夠即時集成總體、路基、橋梁、涵洞、隧道、交安、資料等子系統(tǒng)協(xié)同工作的最新成果，團隊成員可以基于最新集成成果進行交流、溝通。

公路工程設(shè)計BIM系統(tǒng)涵洞設(shè)計子系統(tǒng)。涵洞設(shè)計子系統(tǒng)是滿足公路、市政、鐵路等工程涵洞設(shè)計的通用軟件，能夠幫助設(shè)計師實現(xiàn)涵洞的自動布設(shè)，輸出涵洞圖紙、圖表并計算工程量，極大地簡化了以往涵洞設(shè)計的各種繁瑣過程，使涵洞設(shè)計變得更簡單、直觀。

公路工程設(shè)計BIM系統(tǒng)隧道設(shè)計子系統(tǒng)。隧道設(shè)計子系統(tǒng)融合了BIM技術(shù)，重點解決了隧道設(shè)計過程中比較繁瑣的隧道內(nèi)輪廓、洞門、平縱等設(shè)計問題和非通用圖部分的圖紙繪制問題，大大降低了隧道設(shè)計的難度，同時提高了設(shè)計效率。

公路工程設(shè)計BIM系統(tǒng)交安設(shè)計子系統(tǒng)。交安設(shè)計子系統(tǒng)以智能設(shè)計為主、交互設(shè)計為補充，借助強大的設(shè)計經(jīng)驗庫思想，實現(xiàn)了交安設(shè)計的標準化、自動化和智能化；基于實景三維設(shè)計環(huán)境，使得交安設(shè)施的設(shè)計過程更加形象、生動，方案核查簡單直觀，設(shè)計效率得到極大提升；設(shè)計方案完成后，可一鍵提交至交安工程的三維模型及二維圖紙。

公路工程設(shè)計BIM系統(tǒng)資料管理子系統(tǒng)。資料管理子系統(tǒng)是基于互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術(shù)的“互聯(lián)網(wǎng)+”云數(shù)據(jù)管理平臺，為公路勘察設(shè)計行業(yè)提供了專業(yè)、易用的云服務(wù)平臺。此次推出的“外業(yè)調(diào)查”模塊，旨在提高外業(yè)調(diào)查現(xiàn)場編錄及后續(xù)數(shù)據(jù)管理的工作效率和質(zhì)量，同時還可以與其他設(shè)計子系統(tǒng)無縫對接，為設(shè)計階段提供了精準的基礎(chǔ)資料，提高了協(xié)同工作效率。

總結(jié)及展望

目前，“公路工程設(shè)計BIM系統(tǒng)”已成功應(yīng)用于云南江川至召夸高速公路、廣西桂林至欽州港高速公路（鹿寨-魚峰段）、湖北宜都至來鳳高速公路宜昌段等數(shù)十個項目的工可、初設(shè)或施工圖設(shè)計。實際項目應(yīng)用表明，數(shù)智化設(shè)計生產(chǎn)系統(tǒng)有助于設(shè)計人員更直觀、清晰地了解項目沿線情況，高效地形成設(shè)計方案，有效降低設(shè)計難度，進而提高設(shè)計的整體性能和準確性；有助于業(yè)主對項目建設(shè)形成更加直接、高效、明確的判斷，從而作出更為客觀的決策，提高了決策效率，降低了決策成本。高效便捷的協(xié)同工作壓縮了管理層次，提高了溝通效率，還能化串行為并行，同時避免了公路設(shè)計各專業(yè)溝通不及時而造成不必要的設(shè)計錯誤，大幅減少了由于局部修改導(dǎo)致的大量重復(fù)設(shè)計，避免了不同設(shè)計階段不同成果間的信息沖突，大大減少了設(shè)計和審核工作量，縮短了設(shè)計周期，提高了設(shè)計質(zhì)量和效率并降低了設(shè)計成本。

“公路工程設(shè)計BIM系統(tǒng)”的研發(fā)及實踐應(yīng)用，初步實現(xiàn)了公路工程各專業(yè)的數(shù)智化設(shè)計生產(chǎn)。隨著物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等各種新興數(shù)智化技術(shù)的蓬勃發(fā)展以及工程設(shè)計企業(yè)數(shù)智化轉(zhuǎn)型升級的更高層次要求，數(shù)智化技術(shù)深度融合應(yīng)用于工程設(shè)計技術(shù)有著更加廣闊的發(fā)展前景和空間，筆者團隊也將就此開展更進一步研究開發(fā)，以推動公路工程設(shè)計行業(yè)的數(shù)智化轉(zhuǎn)型升級。