林杰

文章在分析傳統(tǒng)公路工程設(shè)計模式存在的問題、闡述BIM技術(shù)在公路工程設(shè)計中的應(yīng)用優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，對BIM技術(shù)應(yīng)用下的公路工程設(shè)計創(chuàng)新發(fā)展路徑展開探索，以促進(jìn)BIM技術(shù)在公路工程設(shè)計領(lǐng)域的高效應(yīng)用，推動我國公路工程設(shè)計水平的不斷提升。

BIM技術(shù);公路工程設(shè)計;創(chuàng)新發(fā)展路徑

U412.6A160564

0 引言

公路工程建設(shè)是國家的重要宏觀戰(zhàn)略，其設(shè)計的科學(xué)性、合理性直接關(guān)系到地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、影響著人們的日常出行?，F(xiàn)階段，公路工程設(shè)計主要采用基于CAD軟件的“3-2-3”設(shè)計模式，即通過CAD平面圖紙表達(dá)三維的設(shè)計創(chuàng)意，然后根據(jù)CAD圖紙創(chuàng)建三維模型。在此模式下，難免會存在設(shè)計意圖傳遞錯誤、空間信息丟失等一系列問題。而BIM技術(shù)，即建筑信息建模技術(shù)，能夠有效實(shí)現(xiàn)在三維空間的設(shè)計與協(xié)同，為現(xiàn)代公路設(shè)計模式的優(yōu)化帶來了新的啟發(fā)。

2017年7月，我國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部頒布了《建筑信息模型施工應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51235-2017），其中對BIM是這樣解釋的：在建設(shè)工程設(shè)計及施工的全生命期內(nèi)，以數(shù)字化的方式表達(dá)建設(shè)工程的功能特征與物理特征，并以此為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計、施工、運(yùn)營的過程與產(chǎn)生的結(jié)果的總稱[1]。BIM技術(shù)在公路工程設(shè)計中的應(yīng)用，能夠通過其數(shù)字化的承載與可視化的表達(dá)，為公路工程設(shè)計各個環(huán)節(jié)的參與者提供仿真模擬與數(shù)據(jù)分析。但是受標(biāo)準(zhǔn)體系、支撐軟件、設(shè)計習(xí)慣等因素的影響，BIM技術(shù)在公路工程設(shè)計中的應(yīng)用效果并不理想，基于BIM技術(shù)的公路工程設(shè)計還需繼續(xù)探索。

1 BIM技術(shù)在公路工程設(shè)計中的應(yīng)用現(xiàn)狀

相比建筑工程，公路工程往往具有線長、面廣、路基不規(guī)則、空間地理距離長等特點(diǎn)。因此，BIM技術(shù)在公路工程設(shè)計

中的應(yīng)用，無法直接復(fù)制該技術(shù)在建筑工程設(shè)計中的成功經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)路線，因此，現(xiàn)階段的公路工程設(shè)計仍以傳統(tǒng)的CAD設(shè)計方式為主。但是，當(dāng)前已經(jīng)有公路工程設(shè)計人員嘗試在采用CAD進(jìn)行平面設(shè)計的基礎(chǔ)上，同步構(gòu)建BIM模型，通過“翻模”，同樣能夠有效提升公路工程設(shè)計過程的溝通效率，提高整體設(shè)計質(zhì)量，也在一定程度上推動了BIM技術(shù)在公路工程設(shè)計領(lǐng)域的正向發(fā)展。

隨著BIM技術(shù)在公路工程設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用、推廣，基于BIM技術(shù)的公路工程設(shè)計也獲得了長足發(fā)展，但是仍存在諸多問題亟待解決，具體表現(xiàn)如下：

（1）針對公路工程中的多結(jié)構(gòu)對象，尚未形成系統(tǒng)化的建模方法。公路工程設(shè)計往往涉及多種結(jié)構(gòu)對象，如隧道、橋梁、道路、地形、交通指示設(shè)施等，針對不同的對象，應(yīng)采取不同的建模方法。但是由于BIM技術(shù)在公路工程設(shè)計中的應(yīng)用尚處于探索階段[2]，針對公路工程中的多結(jié)構(gòu)對象建模與整合方法，仍缺乏系統(tǒng)性梳理與研究。

（2）缺乏針對公路工程特點(diǎn)的模型感知方法研究。公路工程大多為線性工程，對公路工程設(shè)計的評價，需要從工程設(shè)計是否合理、交通是否適用、工期是否相符、成本是否在可控范圍內(nèi)等多個角度考慮。因此，BIM技術(shù)在公路工程設(shè)計領(lǐng)域的高效應(yīng)用，還需要根據(jù)公路工程的特點(diǎn)，對BIM感知與評價的優(yōu)化方法進(jìn)行深入研究。

2 BIM技術(shù)在公路工程設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢

BIM技術(shù)在公路工程設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢，具體可從公路工程的特征以及BIM技術(shù)的先進(jìn)性兩方面展開分析。

（1）公路工程的特征。公路工程是典型的線性工程，具有點(diǎn)多、線長、面廣等特征。公路工程設(shè)計往往涵蓋了道路、隧道、橋梁、機(jī)電等多個專業(yè)，需要各個專業(yè)科學(xué)分工、相互合作。在公路工程設(shè)計時，還需要全面考慮公路沿線的地質(zhì)、地貌、水文、氣候等環(huán)境因素，設(shè)計附加信息較多。而BIM技術(shù)在公路工程設(shè)計中的應(yīng)用，能夠?yàn)楣饭こ淘O(shè)計各個環(huán)節(jié)的參與者提供實(shí)體模擬與數(shù)據(jù)分析，從而有效提升公路工程設(shè)計的科學(xué)性、準(zhǔn)確性。

（2）從BIM技術(shù)的先進(jìn)性來看，利用BIM技術(shù)，對基于CAD的二維設(shè)計進(jìn)行三維復(fù)核，能夠有效提升公路工程設(shè)計的準(zhǔn)確性。BIM技術(shù)主要應(yīng)用于公路工程設(shè)計的“翻?！杯h(huán)節(jié)，在基于CAD的平面設(shè)計中，因?yàn)樵O(shè)計習(xí)慣、技術(shù)限制等原因，設(shè)計圖中難免會存在錯漏誤缺，從而增加設(shè)計變更率。而利用BIM模型對圖紙中存在的錯誤與不足進(jìn)行復(fù)核，則能夠有效降低設(shè)計變更率，提升設(shè)計質(zhì)量。利用BIM技術(shù)，能夠快速估算工程量，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置。根據(jù)質(zhì)量要求及工程規(guī)模，公路工程建設(shè)投資額動輒上億元，且在公路工程施工過程中，還會涉及大量的數(shù)據(jù)計算，如土方量計算等，這些都需要在設(shè)計環(huán)節(jié)中進(jìn)行全面考慮。而利用BIM技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)測算，可以根據(jù)設(shè)計方案快速測算出相關(guān)數(shù)據(jù)，從而

有效避免因測算方法不當(dāng)造成的誤差，實(shí)現(xiàn)工程資源的優(yōu)化配置及公路建設(shè)成本的合理控制。通過BIM技術(shù)，對設(shè)計思路進(jìn)行三維可視化表達(dá)，提升溝通效率。利用BIM技術(shù)對公路工程進(jìn)行三維可視化設(shè)計，能夠有效避免公路工程項目各個環(huán)節(jié)的參與方由于對平面圖紙的理解誤差而導(dǎo)致決策失誤，從而提升公路建設(shè)決策的科學(xué)性。數(shù)字化成果交付，以數(shù)據(jù)為載體，為公路工程全生命周期的應(yīng)用提供保障。借助BIM技術(shù)，能夠以三維設(shè)計信息模型的方式，向后期的施工、運(yùn)維等環(huán)節(jié)交付、傳遞公路工程設(shè)計成果，有利于實(shí)現(xiàn)公路工程全生命周期的信息協(xié)同，促進(jìn)BIM技術(shù)在公路工程全生命周期的應(yīng)用發(fā)展。

3 BIM應(yīng)用下的公路工程設(shè)計創(chuàng)新發(fā)展路徑

3.1 多結(jié)構(gòu)對象的BIM建模與整合

公路工程建設(shè)中包括道路、橋梁、隧道、地形等多種結(jié)構(gòu)對象。在BIM技術(shù)的應(yīng)用下，需要根據(jù)不同BIM軟件的類型以及不同結(jié)構(gòu)對象的特點(diǎn)構(gòu)建相應(yīng)的模型，并將所有的模型根據(jù)設(shè)計要求整合到統(tǒng)一的場景中。對此，本文以Autodesk軟件體系為研究對象，對公路工程設(shè)計中所涉及的多種結(jié)構(gòu)對象的建模、整合方法展開系統(tǒng)梳理與研究。

3.1.1 創(chuàng)建地形模型

根據(jù)電子地形圖、地形等高線等數(shù)據(jù)，構(gòu)建地形曲面模型;結(jié)合設(shè)計要求中的公路縱斷面、橫斷面、中心線等設(shè)計數(shù)據(jù)，進(jìn)行道路裝配模型的構(gòu)建，從而創(chuàng)建出帶有多級放坡的公路曲面模型，為后續(xù)公路的選線以及土方量的測算提供準(zhǔn)確性更高的地面模型。

3.1.2 創(chuàng)建公路模型

創(chuàng)建公路模型即進(jìn)行公路橫斷面、縱斷面的設(shè)計，在此過程中，要確保所設(shè)計的路面寬度、路基填挖方、公路放坡、各種附屬設(shè)施都要符合道路的實(shí)際情況。Civil 3D軟件能夠通過自定義的方式，自動化創(chuàng)建與真實(shí)地形模型相符的公路橫斷面、縱斷面模型，從而更加精確、真實(shí)地表達(dá)、反映所創(chuàng)建的道路，省去了設(shè)計中繪制公路橫斷面、縱斷面的環(huán)節(jié)。

3.1.3 創(chuàng)建橋梁的參數(shù)族

在公路工程設(shè)計中，橋梁不僅結(jié)構(gòu)清晰，且各個構(gòu)件之間都有著明確功能。在公路工程全線建設(shè)中，往往會涉及多座橋梁建設(shè)，通過創(chuàng)建橋梁結(jié)構(gòu)的參數(shù)化模型，能夠?qū)崿F(xiàn)橋梁的快速建模與出圖。對此，可利用Revit軟件和Dvnamo軟件相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)。首先，通過Revit軟件創(chuàng)建橋梁結(jié)構(gòu)的模型，然后利用Dvnamo軟件自動化創(chuàng)建各構(gòu)建功能的模型，同時還可以通過參數(shù)驅(qū)動，對橋梁構(gòu)件進(jìn)行靈活調(diào)整，更好地滿足用戶需求。此外，還可以在不同的橋梁設(shè)計中，復(fù)用通用族模型，從而能夠節(jié)省大量的模型創(chuàng)建時間。

3.1.4 創(chuàng)建隧道模型

隧道模型創(chuàng)建方法與道路模型創(chuàng)建方法大同小異，在創(chuàng)建隧道模型時，需要根據(jù)設(shè)計要求，設(shè)置取棄土方工程量。對此，可通過Civil 3D軟件與GIS軟件相結(jié)合的方式達(dá)到這一目的。首先通過Civil 3D軟件創(chuàng)建一個不包含任何數(shù)據(jù)信息的三維隧道模型，然后結(jié)合利用GIS軟件所提取的地形數(shù)據(jù)，完成三維數(shù)據(jù)模型的創(chuàng)建。最后，基于三維數(shù)據(jù)模型，利用相應(yīng)的地質(zhì)繪制軟件，完成專業(yè)地質(zhì)設(shè)計，生成隧道模型。

3.1.5 多結(jié)構(gòu)對象的全線整合

在公路工程設(shè)計中，需要根據(jù)不同結(jié)構(gòu)對象的特點(diǎn)，利用相應(yīng)的軟件，繪制、創(chuàng)建相應(yīng)的BIM模型。由于不同軟件的數(shù)據(jù)格式、模型精度不同，從而難以在同一軟件中整合所有模型。因此，在整合模型時，需要將建好的模型轉(zhuǎn)化成通用格式，然后利用整合軟件對所有模型進(jìn)行拼接、組合，將其整合到同一場景中。例如，可在Infraworks軟件中添加IMX格式文件和FBX格式文件，然后選擇合適的坐標(biāo)系，在Infraworks軟件中整合地面、路面以及橋梁的模型。此外，還可利用Infraworks軟件更改所創(chuàng)建好的道路模型的路面樣式，添加交通附屬設(shè)施，以確保所創(chuàng)建模型能夠最大限度地貼合實(shí)際情況。

3.2 審查設(shè)計方案

進(jìn)入公路設(shè)計環(huán)節(jié)，應(yīng)根據(jù)公路工程項目的設(shè)計要求，利用BIM模型，快速審查、優(yōu)化調(diào)整設(shè)計方案，對設(shè)計方案的可行性進(jìn)行論證，降低設(shè)計誤差，節(jié)約設(shè)計成本。

3.2.1 碰撞檢測

利用BIM技術(shù)所具備的碰撞檢測功能，能夠有效檢查公路工程設(shè)計中所包含的各種設(shè)施、鋼筋、管線以及其他構(gòu)件的碰撞問題，為設(shè)計方案之間的對比提供輔助，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計空間的優(yōu)化布置。

3.2.2 對關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行力學(xué)分析與驗(yàn)證

在設(shè)計橋梁工程時，精確分析橋梁結(jié)構(gòu)的受力情況，是保障公路工程建設(shè)質(zhì)量的關(guān)鍵所在。當(dāng)前國內(nèi)比較常見的驗(yàn)證分析軟件主要包括Midas、Abaqus、Ansys等。例如，在應(yīng)用Abaqus軟件時，首先可將BIM模型的格式轉(zhuǎn)換成FBX格式或者OBJ格式，然后將其導(dǎo)入Abaqus軟件中，將其進(jìn)行整合，根據(jù)設(shè)計要求設(shè)置相應(yīng)的邊界條件，對其進(jìn)行模擬力學(xué)分析與驗(yàn)證，并根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果，調(diào)整、優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)，經(jīng)過反復(fù)的驗(yàn)證、調(diào)整，形成最終的力學(xué)分析結(jié)構(gòu)，并將其傳遞至后期的施工、運(yùn)維環(huán)節(jié)中，為其提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。

3.2.3 顯式表達(dá)隱蔽工程

在公路工程設(shè)計中，利用BIM技術(shù)能夠更加直觀地排查橋梁、隧道、排水井等隱蔽工程，了解橋梁樁基礎(chǔ)、承臺等施工信息。設(shè)計人員也可以通過BIM模型，從不同角度或斷面查看設(shè)計情況，從而有效控制公路工程設(shè)計的精準(zhǔn)度，確保設(shè)計方案更好地服務(wù)于施工、運(yùn)維環(huán)節(jié)。

3.3 三維可視化表達(dá)

BIM技術(shù)下的三維模型具有二維圖形遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法比擬的優(yōu)勢，不僅能夠更加直觀地傳遞知識信息，還可以通過對不同視角、剖切面、立面的設(shè)置，更加快速地調(diào)取相關(guān)信息，確保設(shè)計方案能夠更好地服務(wù)于模型發(fā)布、匯報展示、施工交底等。

3.3.1 設(shè)計方案比選

利用BIM技術(shù)，能夠在設(shè)計初期，進(jìn)行對不同設(shè)計方案的快速建模與直觀對比，通過直觀化的三維模型展示，有效提升溝通效率，更加直觀地向甲方傳遞設(shè)計理念、表達(dá)設(shè)計效果。此外，還可以將BIM技術(shù)應(yīng)用于不同設(shè)計方案進(jìn)行三維對比、不同專業(yè)之間的協(xié)同檢查[3]、輔助專家評審等多個方面。

3.3.2 提升施工交底效率

利用VR技術(shù)，即增強(qiáng)顯示技術(shù)，將二維施工圖紙增強(qiáng)顯示為三維模型，從而有效幫助公路工程施工人員對二維圖紙的感知，拓展到三維圖形中。施工人員只需利用手機(jī)等設(shè)備掃描圖紙，就能夠觀察到相應(yīng)的BIM模型，直觀地看到各種施工標(biāo)注信息，從而提升設(shè)計意圖傳達(dá)的準(zhǔn)確性，提升施工交底效率。

3.3.3 實(shí)現(xiàn)設(shè)計數(shù)據(jù)的全生命周期傳遞

公路工程設(shè)計階段的BIM成果能夠傳遞到后續(xù)的施工、運(yùn)維階段中，為公路工程的精細(xì)化施工以及智能建造提供數(shù)據(jù)支撐。在設(shè)計階段，設(shè)計人員可根據(jù)公路工程的實(shí)際施工需求以及全生命周期的流轉(zhuǎn)需求，集成、整合各種模型與成果，以滿足公路工程設(shè)計數(shù)據(jù)全生命周期傳遞的要求。此外，將BIM技術(shù)應(yīng)用于包括施工、運(yùn)營與養(yǎng)護(hù)在內(nèi)的全生命周期，還可向設(shè)計階段有效反饋涉及設(shè)計階段的相關(guān)問題，積累相關(guān)設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，從而提升公路工程全生命周期的管理效率。其全生命周期共享模型見圖1。

4 結(jié)語

現(xiàn)階段，BIM技術(shù)在公路工程設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用與推廣，仍面臨諸多瓶頸問題有待解決。對此，本文結(jié)合BIM技術(shù)在公路工程設(shè)計中的應(yīng)用困境，在分析BIM技術(shù)在公路工程設(shè)計中應(yīng)用優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，提出了BIM技術(shù)應(yīng)用下的公路工程設(shè)計創(chuàng)新路徑，旨在為公路工程全生命周期管理提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，推動我國公路工程設(shè)計的高質(zhì)量發(fā)展。

[1]潘鵬飛，宋 飛.BIM技術(shù)在西安外環(huán)高速公路設(shè)計中的探索與實(shí)踐[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2020，37（12）：59-62，66.

[2]朱 琳，麻成明，李賢統(tǒng)，等.BIM技術(shù)在公路設(shè)計中的應(yīng)用與創(chuàng)新[J].工程建設(shè)與設(shè)計，2020（19）：85-89.

[3]歐佳佳，戴 瑋.BIM技術(shù)在公路工程設(shè)計階段中應(yīng)用研究[J].土木建筑工程信息技術(shù)，2020，12（4）：119-123.