辛力

（中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江杭州311122）

0 引言

BIM 技術(shù)即建筑信息模型，是建筑工程領(lǐng)域的新興技術(shù)，其以數(shù)字化仿真建模為基礎(chǔ)，具有出圖可視化、模擬性、協(xié)調(diào)性等諸多優(yōu)勢，并且能搭載三維數(shù)字化技術(shù)、三維協(xié)同技術(shù)，可有效提升工程設(shè)計的精準(zhǔn)性、效率，可從工程全生命周期角度對勘測設(shè)計實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。進(jìn)一步推廣BIM 技術(shù)在公路勘測設(shè)計中的應(yīng)用，對提升公路勘測設(shè)計水平有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 BIM 技術(shù)概述

BIM 是建筑信息模型（Building Information Modeling）英文首字母的縮寫，為建筑工程領(lǐng)域新興技術(shù)手段，其主要技術(shù)內(nèi)容包括三維圖形、構(gòu)造物相關(guān)電腦輔助設(shè)計、物件導(dǎo)向等，目前其在提高設(shè)計效率、設(shè)計效果以及輔助工程管理方面發(fā)揮的作用與價值得到了世界范圍內(nèi)的認(rèn)可。在公路工程中應(yīng)用BIM 技術(shù)，可將設(shè)計、施工直至工程拆除的整個生命周期內(nèi)的信息匯總整合，構(gòu)建起三維模型信息數(shù)據(jù)庫，便于各個部門協(xié)同工作、全面了解工程狀態(tài)，有助于高效工作、減少資源浪費(fèi)、節(jié)約成本等，對公路行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有重要意義。單純從設(shè)計角度來講，其改變了傳統(tǒng)的設(shè)計形式，可通過三維建模與數(shù)字化技術(shù)的配合，構(gòu)建起具有工程幾何信息、狀態(tài)信息以及專業(yè)屬性的仿真模型，集成化顯示信息，可供設(shè)計環(huán)節(jié)中各個主體在同一平臺上完成信息的交換、共享、交流[1]。

目前，在具體應(yīng)用實(shí)踐中，BIM 技術(shù)主要呈現(xiàn)出以下特點(diǎn)：第一，可視化，即“所見所得”形式。在工程領(lǐng)域，可視化的運(yùn)用具有重要價值，其在設(shè)計中的應(yīng)用價值更為突出，能夠改變傳統(tǒng)以繪制線條形式表達(dá)設(shè)計意圖的模式，可直接給出立體化設(shè)計效果，無需再自行想象；且與傳統(tǒng)的設(shè)計效果圖相比，BIM 技術(shù)提供的三維立體可視化模型能夠顯示構(gòu)件的大小、顏色、位置等多元信息，并且可在模型上直接編輯，可增強(qiáng)構(gòu)件之間的反饋性與互動性，能夠?qū)崿F(xiàn)整個設(shè)計過程可視化。第二，協(xié)調(diào)性。為確保設(shè)計方案的科學(xué)性、合理性，減少后續(xù)施工期間的設(shè)計變更問題，設(shè)計過程中建設(shè)單位、施工單位需協(xié)調(diào)配合，當(dāng)遇到重點(diǎn)、難點(diǎn)時需要各單位協(xié)調(diào)解決、處理，探究最合適的辦法，其中設(shè)計過程中更容易發(fā)生專業(yè)碰撞問題，BIM技術(shù)可提供協(xié)調(diào)性服務(wù)，專門對各專業(yè)設(shè)計期間碰撞問題進(jìn)行處理與協(xié)調(diào)[2]。第三，模擬性。BIM 技術(shù)并非只能進(jìn)行三維數(shù)字化模型構(gòu)建，模擬項(xiàng)目建設(shè)情況，其也能模擬出真實(shí)世界中的事物變化，如日照模擬、節(jié)能模擬等，更有利于優(yōu)化設(shè)計，方便指導(dǎo)施工，可加強(qiáng)施工環(huán)節(jié)的成本控制。第四，優(yōu)化性。工程項(xiàng)目設(shè)計是一個不斷優(yōu)化的過程，在BIM 技術(shù)的支持下，能更好地進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。BIM 技術(shù)能夠提供準(zhǔn)確的信息，如幾何信息、規(guī)則信息、物理信息等，遇到設(shè)計內(nèi)容復(fù)雜度較高的情況，可利用其他科學(xué)技術(shù)或設(shè)備作輔助，幫助設(shè)計人員掌握更多自身能力范疇外的信息，進(jìn)而降低設(shè)計工作難度。

2 BIM 技術(shù)在公路勘測設(shè)計各階段的應(yīng)用

2.1 實(shí)現(xiàn)協(xié)同設(shè)計目標(biāo)

在公路勘察設(shè)計中利用BIM 技術(shù)可實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境選線，便于專家團(tuán)隊(duì)、建設(shè)單位、監(jiān)理單位同時參與，高效、協(xié)調(diào)完成設(shè)計目標(biāo)。在第4 代勘測激光掃描技術(shù)的支持下，與BIM 技術(shù)相關(guān)的三維交互技術(shù)愈發(fā)成熟，能夠建立起更完善的數(shù)據(jù)庫。因此，在公路選線等環(huán)節(jié)可基于技術(shù)應(yīng)用層面完善三維模型。在初期設(shè)計階段，需要通過勘測獲取施工場地的基本地形、地貌信息，并借助機(jī)載激光掃描或車載技術(shù)將數(shù)據(jù)匯總到BIM 數(shù)據(jù)庫內(nèi)，構(gòu)建起三維模型，模擬施工場地內(nèi)的實(shí)際情況并進(jìn)行分析，再將空間信息疊加，整個過程中，建設(shè)單位、監(jiān)理單位可同時獲得信息，并根據(jù)公路建設(shè)需要提出完善、優(yōu)化、整改設(shè)計的建議。形成初步設(shè)計方案后，則可引入專家系統(tǒng)，通過技術(shù)與經(jīng)濟(jì)兩個層面的約束，分析設(shè)計的合理性，并且BIM 技術(shù)平臺可提供檢查、查詢及實(shí)時修改線位等功能，將各個主體的想法、需求等疊加，以便設(shè)計單位更全面地了解公路項(xiàng)目的建設(shè)目標(biāo)，對設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化。在此過程中，BIM 技術(shù)平臺還能協(xié)助各方完成實(shí)時動態(tài)協(xié)同設(shè)計，支持實(shí)時傳遞信息、快速訪問，提高審核效率，進(jìn)而提升設(shè)計工作整體效率[3]。

2.2 展示可視化模型

傳統(tǒng)的公路勘測設(shè)計中多利用AutoCAD 軟件繪制二維平面圖，雖然能設(shè)計出剖切圖及立面圖，但整體缺乏立體性，不方便展示整體效果，且失誤率高，在設(shè)計方案應(yīng)用過程中，還需要進(jìn)一步與施工現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行比對，浪費(fèi)時間與成本。而BIM 技術(shù)在公路勘測設(shè)計中的應(yīng)用，不僅能夠完善三維仿真立體建模，也能夠?qū)崿F(xiàn)正向設(shè)計，展示可視化設(shè)計模型如圖1所示，便于建設(shè)單位等了解設(shè)計方案的整體效果。同時，整個設(shè)計過程便于控制，保證設(shè)計決策從工程整體出發(fā)，從而使設(shè)計方案更加科學(xué)、可靠[4]。此外，在勘測環(huán)節(jié)也可利用無人機(jī)傾斜設(shè)計技術(shù)構(gòu)建起可視化三維地質(zhì)建模平臺，還原地上、地下真實(shí)場景，為設(shè)計提供更直觀、更可靠的依據(jù)，減少設(shè)計中的沖突。

圖1 可視化設(shè)計模型

2.3 詳細(xì)比較設(shè)計方案

公路勘察設(shè)計具有專業(yè)性特征，對從業(yè)人員的專業(yè)技術(shù)能力要求較高，但個體之間的能力無法統(tǒng)一，綜合素質(zhì)、設(shè)計理念上也存在一定差異，導(dǎo)致相同設(shè)計要求下，不同設(shè)計人員給出的設(shè)計方案不同，其中不乏遺漏重要信息內(nèi)容的現(xiàn)象，且從經(jīng)濟(jì)可行性、技術(shù)可行性的角度來講，也需要對多個設(shè)計方案進(jìn)行評估，最終確保選擇最佳方案。以往在對比過程中雖然有專家的參與，但在細(xì)節(jié)的對比上多依靠經(jīng)驗(yàn)或主觀判斷，或存在評判指標(biāo)單一等情況，難以保證方案評選的客觀性。而利用BIM 技術(shù)平臺有機(jī)結(jié)合三維數(shù)字模型、GIS 三維智能選線技術(shù)，則可以嚴(yán)格按照公路規(guī)劃建設(shè)要求進(jìn)行路線方案的對比與評估，從而幫助建設(shè)單位選擇最佳設(shè)計方案。同時，在方案評比過程中，BIM 技術(shù)平臺能夠自動完成立體模型深度分析及三維平縱定線分析，自動篩選出較高價值的路線，再利用人工智能算法，在公路建設(shè)中提出的各種限制條件上，自動優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)[5]。

2.4 碰撞檢查可靠

公路工程的線性特點(diǎn)十分突出，但由于線路分散，情況十分復(fù)雜，導(dǎo)致勘測設(shè)計中經(jīng)常出現(xiàn)設(shè)計文件與圖表不一致的情況，需要設(shè)計人員反復(fù)校核，處理誤差。但在BIM 技術(shù)平臺上，依托數(shù)字化三維模型，可完成不同展業(yè)對象的碰撞檢查，能夠快速查找誤差與錯誤，及時對設(shè)計參數(shù)與內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整。例如，在公路工程中立交橋部分設(shè)計過程中，鋼筋鋼束經(jīng)常發(fā)生沖突，而利用BIM 技術(shù)進(jìn)行碰撞檢查，則能準(zhǔn)確判斷有無沖突及沖突的具體位置。檢查中需根據(jù)技術(shù)參數(shù)構(gòu)建起三維模型圖，即采用Revit 鋼筋族庫完成普通鋼筋鋼束模型創(chuàng)建，對不同類型鋼筋標(biāo)記不同色彩，加以區(qū)分。點(diǎn)開鋼筋約束后，設(shè)計過程中鋼筋位置不會產(chǎn)生沖突，即在相同位置同時設(shè)置鋼筋，平臺會自動調(diào)整位置并進(jìn)行提示，提醒此處已設(shè)置鋼筋，并且可自動約束，在縱橫交錯的箍筋中，里面箍筋禁止被移動到外面，根據(jù)軟件給出的規(guī)則進(jìn)行檢查，再將模型調(diào)整為可視狀態(tài)，勾選不阻擋呈現(xiàn)，則可將鋼筋鋼束實(shí)體呈現(xiàn)出來，利用navisworks 再次進(jìn)行碰撞檢測，則可更清晰地體現(xiàn)碰撞點(diǎn)，及時修改即可[6]。

2.5 實(shí)現(xiàn)模型出圖交付

以往，在公路勘測設(shè)計中，通常以二維圖紙形式交付設(shè)計文件，此方式存在局限，不便于項(xiàng)目的實(shí)施。而BIM 技術(shù)不僅可以交付二維圖紙，也可交付三維數(shù)字模型，為項(xiàng)目實(shí)施提供更直觀的依據(jù)。數(shù)字化三維模型中有公路工程構(gòu)件或非構(gòu)件的狀態(tài)信息，可用于設(shè)計審核、施工方案模擬、施工交底等多個環(huán)節(jié)，更方便業(yè)主了解設(shè)計情況、工程預(yù)期效果，也可應(yīng)用到后期的運(yùn)營監(jiān)管中，還能增加工程后期養(yǎng)護(hù)、維修、改擴(kuò)建信息，可為重大決策提供關(guān)鍵性數(shù)據(jù)信息，提高公路勘測設(shè)計的使用效果。

3 應(yīng)用案例

3.1 工程概況

某地新建高速公路工程，施工段長度為8.5km，途經(jīng)城鎮(zhèn)，設(shè)計公路時速為120km/h，路基總寬度為33.5m；該施工段內(nèi)存在4 處互通式立交，涉及37 座高架橋施工，且施工時需預(yù)留出遠(yuǎn)期綜合管廊，經(jīng)現(xiàn)場勘測已基本明確布設(shè)條件。但從工程整體情況來看，拆遷難度大，規(guī)劃中要求保存周圍景觀，鑒于該設(shè)計的復(fù)雜性，選擇借助BIM 技術(shù)進(jìn)行勘測設(shè)計，需要使用Bentley、Micro Station、Project Wise、Context Capture 等軟件搭建三維模型平臺，完成項(xiàng)目協(xié)同管理。

3.2 BIM 技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

3.2.1 在勘測環(huán)節(jié)的應(yīng)用

BIM 技術(shù)聯(lián)合其他設(shè)計軟件，可在相同環(huán)境下協(xié)調(diào)完成同一項(xiàng)目的多個任務(wù)，如匯總與編輯原始地形地貌勘測數(shù)據(jù)、勘測設(shè)計工程原始地形，實(shí)現(xiàn)地面實(shí)景構(gòu)建等。具體來講，結(jié)合Context Capture 軟件，可基于布設(shè)的102 個高精度像控制點(diǎn)完成公路全線三維實(shí)景模型構(gòu)建，將模型精度控制在1∶2000，再通過三維激光掃描則可在BIM 技術(shù)平臺上還原真實(shí)場景，再疊合地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)，則可高精度構(gòu)建三維地層分布模型，確保相關(guān)單位全面、準(zhǔn)確地掌握現(xiàn)場勘測結(jié)果。

3.2.2 在設(shè)計環(huán)節(jié)的應(yīng)用

（1）建模

基于三維建模，可在模型中反饋出道路中地下、地上管線布設(shè)情況以及已有交通設(shè)施情況，各專業(yè)組基于Project Wise 平臺協(xié)同完成設(shè)計工作；結(jié)合Power Civil 軟件，可設(shè)計公路路線、立交平面與橫縱斷面，完善可視化模型的信息。對于沿線景觀以及現(xiàn)場情況復(fù)雜的區(qū)域，可在可視化下完成設(shè)計方案分析，及時優(yōu)化設(shè)計方案。同時，可在此基礎(chǔ)上結(jié)合路線，優(yōu)化管廊布設(shè)，這樣能夠減少管廊施工中的干擾因素。最后利用LumenRT 動態(tài)展示三維數(shù)字化模型，便可更清晰地體現(xiàn)出工程的拆遷量。

（2）工程量計算

公路工程中的曲面公路及曲面間土方量計算通常為工程量的計算難點(diǎn)，在BIM 技術(shù)的支持下，可以更合理地運(yùn)用復(fù)合體積法、平均斷面法展開計算，因BIM 技術(shù)平臺能夠生成準(zhǔn)確的土方調(diào)配圖表，動態(tài)展示土壤的移動方向，客觀的給出集體填挖距離，從而可以更準(zhǔn)確地計算出施工量與所需工料。

（3）評審

該項(xiàng)目對勘測設(shè)計的要求較高，增加了設(shè)計流程的復(fù)雜性，使用CAD 無法客觀、準(zhǔn)確地評比方案，且無法實(shí)現(xiàn)各利益方共同參與評比。而通過Project Wise 平臺則可實(shí)現(xiàn)多方協(xié)同完成方案評比工作。設(shè)計人員只需將設(shè)計模型及數(shù)據(jù)文件上傳至平臺，在便攜客戶端，建設(shè)單位、監(jiān)理單位、施工單位可基于相同的文件數(shù)據(jù)了解方案內(nèi)容，且從信息安全角度考慮，平臺上仍有其他不具備方案評比權(quán)限的主體，可設(shè)置權(quán)限驗(yàn)證或賦予權(quán)限，保證僅有具備參與評比資質(zhì)的主體能夠獲得進(jìn)入權(quán)限。

（4）生成設(shè)計圖

通過BIM 技術(shù)完成公路設(shè)計后，參考TK 圖框、使用數(shù)據(jù)快捷鍵，則可自動生成設(shè)計圖，簡化出圖流程，此環(huán)節(jié)能節(jié)約大量時間，且圖紙均借助相同圖例，減少設(shè)計過程中對大量重復(fù)數(shù)據(jù)的處理，也可根據(jù)需要生成無數(shù)個設(shè)計草圖，而修改中僅對施工模型上的參數(shù)進(jìn)行更改，便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫內(nèi)所有設(shè)計圖中該項(xiàng)數(shù)據(jù)的更新。

（5）多領(lǐng)域協(xié)作、優(yōu)化

完成公路設(shè)計后，為協(xié)調(diào)其他專業(yè)項(xiàng)目的設(shè)計，各專業(yè)項(xiàng)目可利用協(xié)同平臺在統(tǒng)一的路線、土方量、橫縱斷面等數(shù)據(jù)信息基礎(chǔ)上完成設(shè)計工作，確保設(shè)計基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)的一致性，減少專業(yè)項(xiàng)目設(shè)計中的沖突。

（6）統(tǒng)一出圖

設(shè)計工作整體結(jié)束后，出圖應(yīng)按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，避免因設(shè)計信息不一致，為其他專業(yè)項(xiàng)目設(shè)計與后續(xù)更改圖紙帶來不便。

3.2.3 BIM 技術(shù)應(yīng)用效果

在該項(xiàng)目勘測設(shè)計中，由于公路途經(jīng)城鎮(zhèn)，工程設(shè)計更加復(fù)雜，基于BIM 技術(shù)提供的地形、地貌實(shí)景圖，能夠更具針對性地設(shè)計不同部分的施工方法，便于指導(dǎo)高效、靈活施工方案的編制，且設(shè)計期間協(xié)調(diào)各主體的參與，對設(shè)計方案進(jìn)行全方位的調(diào)整與優(yōu)化，能使設(shè)計工作高效進(jìn)行。即使涉及設(shè)計內(nèi)容調(diào)整，在三維數(shù)字化模型上完成數(shù)據(jù)與信息編輯則可完成整個數(shù)據(jù)庫內(nèi)的同步更新，能夠減少諸多不必要的麻煩，顯著提高設(shè)計效率。

4 結(jié)語

綜上所述，BIM 技術(shù)在公路勘測設(shè)計中的應(yīng)用有重大價值，其通過三維數(shù)字模型便可實(shí)現(xiàn)可視化設(shè)計，能夠更全面、立體地展現(xiàn)設(shè)計效果，以便及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的沖突、錯誤等，且基于多方協(xié)調(diào)，能夠更科學(xué)、合理地優(yōu)化設(shè)計，確保獲得最佳設(shè)計方案，進(jìn)而提高設(shè)計質(zhì)量與效果，為公路項(xiàng)目順利實(shí)施奠定堅實(shí)基礎(chǔ)。