雷銀輝，何珊珊，姚書奎

（中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710075）

0 引言

根據(jù)2015 年，住建部發(fā)布的《關于推進建筑信息模型應用的指導意見》，部分地區(qū)已開始逐步在公路、市政道路設計過程中引入BIM 技術。目前，我國公路設計行業(yè)BIM 發(fā)展正處于初期階段。如何將BIM 技術正確運用到項目初步設計過程，切實解決初步設計過程中二維圖紙無法解決的三維空間問題，逐步將公路、市政BIM 設計導入正向設計。形成一套可推廣、可復制、可實行的BIM 初步設計工作流程，尤為重要。

該項研究結合沈海高速公路深圳機場至荷坳段（機荷高速公路）改擴建工程，項目涉及專業(yè)眾多，勘察、各專業(yè)設計等海量數(shù)據(jù)難以管理；整體規(guī)模大，涵蓋道路、橋梁、隧道等多專業(yè)協(xié)同設計；國內首例城市化地區(qū)高速公路立體改擴建項目，空間結構復制、控制因素眾多、技術難度大的特點，進行BIM 初步設計應用探索研究。

1 項目概況

深圳機場至荷坳段高速公路（機荷高速公路）屬于G15 沈海高速公路深圳段，位于深圳市中心區(qū)域，是粵港澳大灣區(qū)東西向的交通中軸線，為深圳市交通強國建設重點項目。

其起點位于深圳市龍崗區(qū)的荷坳立交，順接惠鹽高速；終點位于深圳市寶安區(qū)的鶴州立交，連接廣深高速與深中通道順接，路線長41.426 km。沿途共經(jīng)過深圳市龍崗區(qū)、龍華區(qū)、寶安區(qū)等3 個區(qū)。按照立體復合通道模式進行改擴建，高速公路標準設計，設計速度100 km/h，地面層采用雙向8 車道標準拓寬；立體層采用橋梁、隧道及路基方式新建立體通道，構成立體復合高速通道。項目地理位置圖如圖1 所示。

圖1 項目地理位置圖

結合項目特點，機荷高速BIM 設計主要工作內容包括：BIM 正向設計技術構架建立；場地模型構建；BIM 模型設計三方面。初步設計階段BIM 模型包含構建統(tǒng)一標準操作平臺、數(shù)據(jù)信息輸入、系統(tǒng)調試、系統(tǒng)評審、數(shù)據(jù)維護、地理空間信息（GIS）、BIM 模型設計等內容，涉及勘測、道路、橋梁、隧道、景觀綠化等多專業(yè)。項目建模流程圖如圖2 所示。

圖2 建模工作流程圖

2 BIM 正向設計技術構架

2.1 項目組織構架

BIM 在城市高速設計過程中具有規(guī)模大、涉及專業(yè)多、建設條件復雜、建模工作量大、時間緊迫的特點。為確保BIM 工作高效展開，建議應建立BIM 應用團隊；并配置項目所需的軟硬件等設施，為項目順利推進，提供人員、設備保障。

2.1.1 人員組織

BIM 建模過程工程量龐大，參與人員眾多。因此，在BIM 設計過程中，項目組建議主體分為三個團隊進行協(xié)作完成，如圖3 所示。（1）BIM 模型設計團隊:涉及道路、橋梁、隧道、交安及管線等多個專業(yè)組成，主要完成模型的設計。（2）BIM 軟件開發(fā)團隊：由于BIM 軟件多處于初級階段，很難全面實現(xiàn)國內標準化，須結合相關軟件建立開發(fā)團隊，使軟件在應用過程中能高效地按照國內標準進行建模及生成模型。（3）BIM 評審團隊：評審單位依據(jù)相關建模規(guī)范及交付標準，對模型進行實時核查，確保模型的精確性及方案的可行性，有效避免模型的返工，節(jié)約人力及時間成本。

圖3 人員配置圖

2.1.2 硬件配置

為保證高質量、高效率地完成BIM 建模應用工作，建議對相關硬件設施進行提前配置。為提高項目組各成員協(xié)同辦公效率，保證項目文件安全共享，建議項目組配備高性能服務器1 臺；為各專業(yè)小組BIM 建模工作，配置中等性能臺式電腦若干；同時需配置一臺高性能臺式電腦，確保模型總裝成果輸出的效率；由于須現(xiàn)場駐地辦公，匯報等建議配置筆記本電腦，為項目展示交流服務。其中，中性能與高性能臺式電腦建議配置比例為3∶1。

2.1.3 軟件配置

CNCCBIM OpenRoads(以下簡稱CNCCBIM)軟件平臺是中交一公院與Bentley 公司聯(lián)合開發(fā)的一款道路工程BIM 正向設計的專業(yè)軟件。軟件符合國家相關設計規(guī)范，可處理地形模型，快速提供道路、管線平、縱、橫三維BIM 設計、實現(xiàn)自動化出圖與圖紙管理、并能較好地提供數(shù)字化交付的一款集多功能于一體的綜合性軟件[1-2]。

機荷項目BIM 技術應用基于Bentley 平臺開發(fā)的CNCCBIM 系列軟件，并針對不同應用階段和BIM技術應用點采用相應的軟件，最大限度地保證BIM模型準確性與數(shù)據(jù)完整性，從而建立了該項目完整的BIM 軟件應用方案。各階段BIM 軟件應用情況如表1 所列。

表1 軟件配置一覽表

2.2 建模準則

BIM 初步設計面對結構復雜，互通、橋梁數(shù)量眾多，BIM 技術應用建模體量大，需要團隊協(xié)作完成。為使成果文件滿足項目信息化管理、方便后期模型整合，以及渲染視頻等需求，形成數(shù)據(jù)、格式統(tǒng)一的成果，提高工作效率。道路、橋梁、隧道、景觀等建立全線BIM 模型，應根據(jù)項目特點及需求，制定出適合項目的建模準則。

2.2.1 配置工作空間

在復雜條件下多專業(yè)的高效協(xié)同設計尤為重要，需要指定標準化工作流程，解決資料處理的數(shù)據(jù)接口問題以及數(shù)據(jù)重復利用問題[1]。 工作空間（Workspace），又稱工作環(huán)境，是CNCCBIM Open-Roads 軟件中的重要組成部分。其作用是為了存儲適用于工程標準化、可定制化的內容，包括圖層、文字樣式、線型樣式、特征等，解決工程項目協(xié)同工作中標準化統(tǒng)一的問題[3]。

在機荷項目中BIM 初步設計參與人員多、專業(yè)多，為便于多人協(xié)作，配置了統(tǒng)一的工作空間，如圖4、圖5 所示。在工作空間中定義路、橋、隧等各專業(yè)涉及的種子文件、模板、材質、特征、配置文件等，建立標準化的三維環(huán)境。根據(jù)制定的建模準則，在定制的工作空間中建立全線模型，從而達到“標準統(tǒng)一、內容統(tǒng)一、風格統(tǒng)一”的目的，使設計成果符合項目要求。

圖4 工作空間設置內容圖示

圖5 軟件工作空間圖示

2.2.2 建模規(guī)則

在初步設計過程中，根據(jù)統(tǒng)一配置的工作空間，運用CNCCBIM OpenRoads 軟件建立項目信息模型的主要內容為：路線、路基、路面、橋梁、交通安全設施等。以道路建模規(guī)則為例進行建模規(guī)則制定，模板包含行車道、硬路肩、土路肩、中分帶護欄、排水溝、邊溝、挖方邊坡及填方邊坡等，以及規(guī)定了各設施對應的特征定義、圖層進行規(guī)則定義，項目規(guī)則創(chuàng)建見表2 所列。

表2 道路橫斷面模板創(chuàng)建規(guī)則一覽表

3 場地模型

精準的三維場地模型構建，對于道路路線方案設計可實現(xiàn)可視化分析和評價，可有效提高項目選線效率，形成較為直觀的方案比選效果，有助于對路線方案進行多方位的比選論證。針對復雜地下管網(wǎng)，構建現(xiàn)有階段管線模型，對于后期地下管線設計及管線布設具有良好承接作用，且在路線布設過程中可有效地減少不必要的改遷，節(jié)省造價成本。

結合項目需求，公路市政項目BIM 設計場地模型主要涵蓋三個方面的內容：

（1）實景模型的構建。通過無人機傾斜攝影結合三維實景建模技術，創(chuàng)建項目影響區(qū)域三維實景地形模型[4]。

（2）現(xiàn)狀管線模型的構建。以Subsurface Utilities 研發(fā)的工具集，根據(jù)物探資料，構建完整地下管線的BIM 模型，準確清晰定位管線位置。

（3）控制因素模型的構建。采用BIM 技術構建控制因素BIM 模型，為合理優(yōu)化設計方案、有效避讓各項控制因素，提供基礎模型。

3.1 數(shù)據(jù)資料收集

根據(jù)目前無人機傾斜攝影測量和BIM 技術的三維建模在公路工程中已經(jīng)基本普及。利用無人機傾斜攝影技術可以直觀地得到三維實景模型，利用BIM 技術則可以得到清晰的工程設計模型。因此，利用適當?shù)氖侄伟堰@兩種技術進行融合便可以直觀地得到市政公路工程模型，達到設計與實景完美結合的目的，從而減少施工中的誤差，比如測量誤差等，能夠較好地確保工程中的相關數(shù)據(jù)的準確性與一致性。

對于地處經(jīng)濟發(fā)達的項目，道路兩側已經(jīng)高度城市化，沿線道路網(wǎng)、高樓、電力線、高壓燃氣管線等星羅密布。道路的拓寬和兩側的立體改造受到各種因素的控制，線位的布設應盡量避免這些控制因素，以有利于項目的開展。利用BIM 對現(xiàn)狀及規(guī)劃各類控制因素進行模型建立，將有助于路線方案比選及優(yōu)化。因此，須對現(xiàn)狀控制因素、相關規(guī)劃資料進行準確調查及收集。

3.2 地形模型構建

使用Bentley 公司的ContextCapture 軟件根據(jù)航攝獲取的影像數(shù)據(jù)制作三維模型成果，真實地還原地物的空間位置、形態(tài)、顏色和紋理。根據(jù)空間三維密集匹配生成的點云數(shù)據(jù)，如圖6 所示，傾斜模型制作軟件會自動匹配出密集的三角網(wǎng)，然后可以對三角網(wǎng)進行自動紋理貼圖，如圖7 所示。為匹配應用軟件，真實三維模型數(shù)據(jù)成果輸出通用的數(shù)據(jù)格式為：3 sm 格式和3 mx 格式。

圖6 初始點云圖示

圖7 數(shù)字化實景模型成果圖示

在三維建模的過程中，由于水面等特殊地物在空間三維加密時無法匹配到正確的連接點[5]，會導致生成的三維模型出現(xiàn)漏洞，須對這些模型漏洞進行編輯與修補。地形模型數(shù)據(jù)處理，地面分辨率應優(yōu)于5 cm。

3.3 地下管線模型構建

在BIM 模型設計過程中，需要提前處理的主要管線包括：給水，再生水，污水，雨水，燃氣，電力等。在機荷項目中，電力、電信、工業(yè)管線工等合計1.7 萬多條。且構造物管徑大小不同，雨污水鏈接下水井須對應不同編號，數(shù)據(jù)量龐大，人工單個建模處理耗時耗力。

在CNCCBIM 工作平臺下，可利用Subsurface Utilities 工作空間根據(jù)物探點數(shù)據(jù)確定管線具體位置及管徑數(shù)據(jù)進行分類型、分批次導入，構建現(xiàn)狀管線模型，如圖8 所示。模型可實時查看屬性，如圖9所示，進行準確定位。分析需要遷改的管線，且對后期設計管線模型進行模擬，避免管線交叉打架現(xiàn)象發(fā)生。

圖8 管線模型構建圖示

圖9 管線構造細部及屬性圖示

3.4 控制因素模型

在初步設計過程中，項目穿越高度城市化地區(qū)，沿線土地開發(fā)強度大，地鐵、鐵路、高壓線等干擾大，控制因素多，征地拆遷、交通組織難度大。綜合優(yōu)化征地拆遷方案，如何全面考慮不利因素，合理組織交通，最大限度降低高密度城市區(qū)域拆遷量。如何處理好項目關鍵控制因素，將是順利實施的關鍵問題。

項目考慮的控制因素眾多，經(jīng)歸納總結，其中主要控制因素為:（1）沿線的城市規(guī)劃用地，商業(yè)用地，以工業(yè)園為主的工業(yè)用地眾多，都對道路的擴建和立體層線位的布設造成較大影響;（2） 相關的水源、濕地保護區(qū);（3） 基本農田的避讓；（4） 干擾的主要高壓（110 kV 以上）電力線；（5）與項目相關的主要軌道交通；（6）與該項目交叉的主要公路。具體如圖10 所示。

圖10 控制因素模型構建圖示

BIM 建模實施過程中主要利用MicroStation 軟件對終點規(guī)劃區(qū)域、保護區(qū)及基本農田進行面層覆蓋，賦予不同材質及顏色以作明顯區(qū)分。對于高壓線路一比一參數(shù)化建模，創(chuàng)建cell 文件，利用Micro-Station 沿路徑陣列并用根據(jù)規(guī)劃距離進行定位調整。利用CNCCBIM 軟件對軌道及相關道路進行廊道設計，創(chuàng)建相關軌道路線及道路。具體模型實施情況如圖11~16 所示。

圖11 水源保護區(qū)分布圖

圖12 基本農田分布圖

圖13 高壓線布設示意圖

圖14 軌道交通關系示意圖

圖15 主要公路關系圖

圖16 控制因素模型示意圖

4 BIM 正向設計

4.1 道路模型設計

道路模型的構建即根據(jù)相關道路設計規(guī)范，進行道路橫縱斷面的設計，要求路面寬度、路基填挖方、道路放坡，以及道路附屬設施的裝配與實際道路相符。利用CNCCBIM 設計軟件，定義道路橫斷面組件，通過特征定義點按照規(guī)則鏈接，建立參數(shù)化邊界條件，創(chuàng)建道路橫斷面，如圖17、圖18 所示。根據(jù)道路設計橫斷面模塊及道路設計中心，快速完成全線復雜平、縱、橫斷面及三維道路BIM 模型的構建與設計。

圖17 道路橫斷面模板創(chuàng)建圖示

圖18 道路模型設計圖示

4.2 橋梁設計

橋梁專業(yè)采用BIM 正向建模技術方案，橋梁BIM 建模過程中采用CNCCBIM 平臺直接讀取道路、地面模型等所有需要的數(shù)據(jù)信息，輸入橋梁設計參數(shù)及快速構建橋梁BIM 模型，且該BIM 模型與路線數(shù)據(jù)動態(tài)關聯(lián)，可聯(lián)動修改，橋梁BIM 設計的技術路線如圖19 所示。

圖19 橋梁BIM 設計技術路線圖

應用BIM 技術，針對項目進行二次開發(fā)橋梁BIM 設計工具集，建立參數(shù)化的橋墩、橋臺、支座、墩臺、橋跨、附屬設施與機電設備、收費站等構件，結合實景模型進行方案模擬對比分析，完成橋梁BIM 模型構建及方案設計，如圖20 所示。

圖20 橋梁模型構建示意圖

4.3 隧道設計

利用BIM 技術對隧道的整體走向、平面、縱斷面、凈空等進行設計，構建洞身、洞門、明洞、襯砌、附屬設施及機電設備等BIM 模型，結合實景模型進行模擬分析對比，選取最合理的設計方案。采用BIM 技術，利用其可視化、協(xié)調性、模擬性的特點，精確實現(xiàn)隧道主體及附屬設施的方案優(yōu)化[6]，解決項目中復雜隧道復雜節(jié)點設計難題，提高工作效率，提升設計品質。

隧道BIM 建模CNCCBIM 平臺直讀取道路、地面模型等所有需要的數(shù)據(jù)信息， 基于CNCCBIMOpenRoads 對隧道的整體走向、平面、縱斷面、凈空等進行設計，輸入隧道相關參數(shù)（界限、內輪廓等）設計參數(shù)，快速實現(xiàn)構建洞身、洞門、明洞、襯砌、附屬設施及機電設備等隧道BIM 模型，且該BIM 模型與路線數(shù)據(jù)動態(tài)關聯(lián)，可聯(lián)動修改。隧道BIM 設計的技術路線及模型構造如圖21、圖22 所示。

圖21 隧道BIM 設計技術路線圖

圖22 隧道模型構造圖

4.4 BIM 在機荷項目中的應用

為了達到正向設計目的，首先構建了實景，現(xiàn)狀管線，地質等環(huán)境模型，并集成在同一平臺下，在真實三維環(huán)境中開展設計。利用現(xiàn)有地形合理布設機荷主線、互通立交、平交口、停車站。并設計多個縱斷面方案，選擇能同時滿足立交、橋梁凈空要求，規(guī)避控制因素等要求的路線方案。并建立參數(shù)化橫斷面模板，關聯(lián)項目級工作空間，滿足斷面放坡、邊溝布置等不同需求，完成道路BIM 模型設計。同時，軟件支持動態(tài)智能標注功能，且標注隨路線聯(lián)動更新，快速完成方案調整，實現(xiàn)全線道路BIM 正向設計。

為實現(xiàn)橋梁BIM 正向設計，研發(fā)了橋梁設計工具集，實現(xiàn)多種橋型上部結構快速準確BIM 設計，多種墩臺構件批量化精準布設。為合理避免機荷高速立體層與地面層的沖突，并兼顧橋梁美觀效果，項目組對多個方案進行可視化同步比選，充分分析和評估復雜橋梁方案間的優(yōu)缺點。例如大懸臂斜撐橋，斜拉橋，連續(xù)剛構橋，鋼箱梁，鋼槽梁，鋼板梁等多形式橋梁；雙側單層、單側雙層橋墩高10 m、12 m 方案等。從而規(guī)避方案不合理、專業(yè)沖突、構件碰撞、凈空不足等設計缺漏，提高設計品質。

運用SYNCHRO 4D 的進度管理提高了項目的安全性、可靠性和可預測性，避免返工實現(xiàn)成本節(jié)約。為了直觀表達設計方案與現(xiàn)狀環(huán)境的變化情況等，項目組基于虛擬現(xiàn)實引擎技術實現(xiàn)BIM 模型和各構件的具象性效果，使BIM 模型與VR 沉浸式體驗完美融合，降低溝通成本，促進項目的順利開展。

5 結語

近年來隨著BIM 技術在公路行業(yè)逐步開始推廣應用，針對項目道路、橋梁、隧道的專項研究逐步增多，但是實際應用于大型復雜項目BIM 初步設計階段的項目較少。此次借鑒機荷高速改擴建項目BIM設計的應用，從項目的模型規(guī)則建立、BIM 環(huán)境構建及模型正向設計多個方面對BIM 在設計中的具體應用進行梳理分析，以期能打造一套可推廣、可復制的BIM 建模操作工作流程，對后續(xù)BIM 正向設計在我國公路、市政項目初步設計的開展中起到借鑒作用。