溫 博，鄧祥明，韋瀟樹

(1.廣西南天高速公路有限公司，廣西 南寧 530022；2.廣西交通設計集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

國內公路行業(yè)發(fā)展迅速，競爭激烈，對勘察設計成果質量也提出新的要求，公路工程項目應用BIM技術進行設計逐漸形成趨勢[1]。BIM技術以信息流為核心，具有數(shù)據(jù)集成、可視化、高仿真、高協(xié)同等優(yōu)勢，能更好地適用于交通領域，是傳統(tǒng)工程向數(shù)字化工程轉型升級的有效手段[2]。在公路工程勘察設計階段，應用BIM技術能夠體現(xiàn)出其獨特的技術優(yōu)勢，如三維選線、專業(yè)之間數(shù)據(jù)共享及高效協(xié)同設計、工程量自動計算與統(tǒng)計等[3]。目前BIM技術在建筑工程領域應用廣泛且逐漸成熟，但在公路工程領域仍然缺乏深入的研究及應用[4]。大多數(shù)公路項目應用BIM技術還需要依靠傳統(tǒng)CAD圖紙進行三維建模，基于三維BIM正向設計的公路工程軟件仍然處于探索發(fā)展階段，尚未能做到真正的正向設計[5]。本文基于廣西某山區(qū)高速公路工程，闡述了BIM技術的應用目標、BIM+GIS三維建模、外業(yè)資料管理、三維布線、各專業(yè)三維正向設計等方面內容，同時為高速公路項目應用BIM技術進行正向設計提供技術借鑒與工程示范。

1 工程概況

本項目處于施工圖設計階段，路線全長約43.967 km，路基寬度為26 m，雙向四車道。本項目沿線地貌單元劃分為剝蝕丘陵地貌、剝蝕低山地貌、山前平原地貌，路線前期初步線位沿河谷兩岸布線，地質地貌條件復雜多變，路線范圍內存在較多的高邊坡，局部路段土質疏松。該項目業(yè)主在設計招標階段就明確要求項目提交文件中應包含BIM設計成果。因此在勘察設計階段需基于BIM技術對項目進行整體把控，應用BIM技術進行三維正向設計，為提高項目勘察設計質量提供良好的技術支撐。

2 BIM應用目標

針對傳統(tǒng)二維平面設計中存在的不直觀、不高效等問題，采用基于BIM技術的外業(yè)調查、BIM+GIS三維建模、三維選線、可視化分析比選、專業(yè)協(xié)同設計、成果快速輸出等手段，提高整個項目設計質量。同時將項目打造成為基于BIM技術進行三維數(shù)字化正向設計的公路示范工程，為提升廣西高速公路項目設計水平、促進公路傳統(tǒng)設計產(chǎn)業(yè)的轉型升級而服務。

3 勘察設計階段BIM技術應用

3.1 三維數(shù)字化地面模型

公路項目傳統(tǒng)三維建模方法是基于CAD二維地形圖開展，二維地形圖存在調繪時間長、測繪成本高、局部精度較差、設計過程不直觀等問題，設計過程要求設計人員具有較高的專業(yè)性[6]。基于此，項目地形資料采用無人機激光雷達航測數(shù)據(jù)與航拍影像相結合的方式獲取，再利用BIM技術構建三維高精度數(shù)字化地面模型，有效解決了傳統(tǒng)測繪耗時長、精度不足等問題。在三維數(shù)字地面模型的基礎上疊加二維平面地形圖，可以實現(xiàn)某點高程準確查詢。基于高精度三維數(shù)字化模型，可以進行各專業(yè)的三維設計。

3.2 BIM外業(yè)資料管理系統(tǒng)

在公路工程勘察設計過程中，外業(yè)調查是公路工程研究、深化設計方案必不可少的重要環(huán)節(jié)，外業(yè)調查資料的準確性關系到設計成果的質量。

本項目在勘察階段采用BIM外業(yè)資料管理系統(tǒng)進行外業(yè)資料管理。BIM外業(yè)資料管理系統(tǒng)是利用互聯(lián)網(wǎng)平臺將傳統(tǒng)紙質調查數(shù)據(jù)數(shù)字化，可以實現(xiàn)無紙化操作和記錄[7]。

該系統(tǒng)統(tǒng)一外業(yè)調查的作業(yè)流程和技術標準，外業(yè)工作可實現(xiàn)全程電子化操作，并將現(xiàn)場照片與調查點一一對應，調查成果自動整理，一鍵輸出。通過該技術，將外業(yè)調查數(shù)據(jù)信息化，查閱方便，不易遺失，從而可以充分發(fā)揮調查信息的價值。

3.3 公路工程設計BIM系統(tǒng)

通過對比分析不同BIM軟件平臺的優(yōu)缺點，鑒于目前公路工程BIM三維正向設計技術應用較少，在本項目的設計階段，分別采用Autodesk和公路工程設計BIM系統(tǒng)進行三維正向設計及建模。

公路工程設計BIM系統(tǒng)軟件涵蓋路線總體、路基、橋梁、涵洞、隧道、交安等各專業(yè)子系統(tǒng)。在設計階段，各專業(yè)設計人員可利用基礎資料在相應子系統(tǒng)進行設計，各系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)可以有效傳遞，專業(yè)設計成果可以導入沙盤子系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)集成，實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)融合，見圖1。

圖1 公路工程設計BIM系統(tǒng)總架構圖

4 基于BIM技術的三維設計

4.1 路線設計及方案比選

本項目地處山區(qū)，地形地物復雜，各種控制因素較多，基于高精度三維數(shù)字地面模型，應用線元法、導線法等布設路線方案，可以實現(xiàn)平縱斷面聯(lián)動刷新，加快設計理念的實現(xiàn)。設計過程中的路線平面、縱斷面、構造物、邊坡等以動態(tài)方式鏈接，可以實時看到設計過程的三維模型，使設計與三維表達有效連接，加強設計人員對項目的理解，減少重復改動的工作量，快速確定最優(yōu)方案。BIM路線設計過程見圖2。

圖2 BIM路線設計過程示例圖

本項目初步設計路線方案K112+700段與貴廣高鐵交叉，根據(jù)鐵路部門要求，公路不應上跨高鐵，故初設方案采用下穿形式，存在施工難度大、前后線形指標差等缺點。項目應用BIM技術對該段線位進行快速優(yōu)化，在河谷一側設置隧道，出隧道后設置橋梁上跨高鐵隧道，減少了后期施工對高鐵運營的影響，同時改善了該路段的線形指標，見圖3。與初步設計方案對比后表明，該路段優(yōu)化后減少占地218 400 m2，減少建設投資1.73億元。

圖3 路線方案比選示例圖

4.2 路基設計

路基設計子系統(tǒng)是針對路基專業(yè)的三維設計建模程序，能夠在三維環(huán)境下對路基、路面、防護、邊溝、支擋、排水、特殊路基、土石方調配等內容進行正向設計和建模。針對局部存在高大邊坡的特殊路基段可進行“一坡一設計”，設計成果做到“所見即所得”，提高了路基邊坡設計的準確性，見圖4。

圖4 路基三維正向設計圖

通過路基子系統(tǒng)軟件建立了構件標準庫，基于可視化模型，可以直接對路基邊坡、擋墻、排水溝等基本構件進行套用及調整。此外，項目基于BIM技術還做到了邊坡防護數(shù)量一鍵分類出圖，有效提高了工作效率和減少錯漏，避免了路基工程量計算繁雜、結果錯漏嚴重等傳統(tǒng)道路設計的問題。

4.3 橋梁設計

傳統(tǒng)橋梁設計過程中存在方案變更困難、出圖效率低下、質量缺乏保障等問題，基于BIM正向設計理念，本項目應用BIM技術進行常規(guī)橋梁設計，實現(xiàn)了模型可視化、設計參數(shù)化、信息共享化。應用“橋梁方案設計師”軟件布設橋梁方案及優(yōu)化設計，結合三維GIS場景、激光雷達測繪所得的三維地形及高清影像，將橋梁BIM模型導入其中，對橋梁與周邊地形地貌的結合情況進行評估。在三維設計環(huán)境下，橋梁跨徑布置結合地形、地質、河道的自然幾何形態(tài)及其穩(wěn)定性、變遷性特點，以不壓縮河道斷面、有利于排洪為原則，選用適合的橋型及跨徑?？绾訕驑蚩缀蜆蚨詹荚O盡可能避開沖溝、橋臺和陡坡，基礎型式的選擇應以盡可能減少開挖為原則。橋梁三維設計效果圖見圖5。

圖5 橋梁三維設計效果圖

4.4 隧道設計

本項目應用隧道子系統(tǒng)進行隧道選址，可直觀了解隧道間距、隧道埋深、偏壓等情況。此外，在進行洞口設計時(見圖6)，利用建立的標準庫，快速套用相關構件，實現(xiàn)了隧道工程量自動計算、二維一鍵出圖、模型交付等，基于隧道BIM技術正向設計，有效提高了設計準確性及生產(chǎn)效率。

圖6 隧道洞口三維設計示例圖

4.5 路線交叉

本項目設有樞紐互通立交1處，一般互通立交2處。在施工圖設計階段，應用BIM技術輔助進行互通立交設計并優(yōu)化設計成果(見圖7)。BIM技術應用內容主要包括：

圖7 互通立交三維數(shù)字化設計示例圖

(1)構建項目各個互通立交精細化三維模型，結合三維地形、地貌進行互通立交的局部設計調整和優(yōu)化。

(2)基于三維模型進行交通組織分析和模擬，優(yōu)化出入口形式和集散車道的布置，提高行車安全性。交通組織分析是提高道路通行效率的重要舉措，需結合交通流量和周邊相關路網(wǎng)，涉及對象復雜，且是多目標系統(tǒng)優(yōu)化模型，其成果不容易表達，且改動量較大。設計圖紙費時費力，且由于交通組織是根據(jù)時間、空間不停變化的過程，很難用固定的設計圖紙表達清楚。通過基于BIM技術的交通模擬，可以實現(xiàn)復雜節(jié)點4D交通組織效果的動態(tài)三維展示和表達，為交通組織設計和方案決策提供依據(jù)。

(3)對于交通流存在交織的樞紐互通立交，例如白馬樞紐互通立交，通過對施工方案的三維模擬和仿真，進一步優(yōu)化了施工方案和施工工序。

5 結語

本文基于廣西某山區(qū)高速公路項目，將BIM技術應用于項目的勘察設計階段。(1)將無人機航拍數(shù)據(jù)和影像相結合，利用BIM構建高精度三維數(shù)字化地面模型，在此基礎上實現(xiàn)路線、橋梁、隧道、路基、涵洞等多專業(yè)的三維正向設計，形成本項目的一大亮點。(2)通過BIM技術將外業(yè)調查資料數(shù)字化，能有效傳遞數(shù)據(jù)及挖掘數(shù)據(jù)的價值。經(jīng)過本項目的實際應用研究表明，將BIM技術作為三維輔助設計手段應用于項目勘察設計周期全過程，能有效提高效率，降低成本。