BIM 技術在高速公路工程設計階段的應用研究

張翼飛 余晨曦

（華東交通大學 土木建筑工程學院，江西 南昌330013）

1 概述

BIM技術被認為是一項能夠突破建筑業(yè)生產效率低和資源浪費等問題的技術，是建筑設計的第二次革命。 我國工程建設業(yè)從2002 年以后開始接觸BIM理念和技術，現階段國內BIM技術的應用以設計單位為主，遠不及美國的發(fā)展水平和普及程度，整體上仍處于起步階段，遠未發(fā)揮出其全生命周期的應用價值。當前國內各類BIM咨詢企業(yè)、培訓機構、政府及行業(yè)協會也越來越重視BIM的應用價值和意義，國內先進的建筑設計單位等亦紛紛成立BIM技術小組，積極開展建筑項目全生命周期各階段BIM技術的研究與應用。

BIM 技術作為一種近年來出現的信息化技術，或者說是一種全新的技術理念。但是，由于我國的BIM技術發(fā)展起步晚，缺乏較成熟的理論支點和相關的軟件平臺，使得我國的BIM技術發(fā)展較為滯后，特別是在高速公路工程中的應用，雖然一些重大項目的施工已經應用了BIM 技術，但大多運用的都較為片面。目前來說大部分的設計單位進行的BIM 工作僅僅是將二維圖紙轉化為三位模型以供向業(yè)主進行設計展示。因此，如何將BIM 技術深入的應用于我國高速公路設計中，真正的實現三維輔助設計、各專業(yè)的協同工作等問題，應該是我接下來應該關注的重點問題。

2 BIM 技術在高速公路工程設計中的優(yōu)點

高速公路工程的信息量巨大，復雜構件較多，涵蓋各種復雜類型，影響范圍廣泛，沿線控制因素眾多，線路方案設計及比選較為困難，關鍵技術節(jié)點難以把控。而BIM技術可以將所有信息整合在一個建筑信息模型上，將完整的設計方案展示出來，輔助設計，同時使各設計部門的交流溝通更為便捷。

2.1 可視化

BIM建筑信息模型，能夠將所有的構件信息以一種三維圖紙的方式展現出來，輔助各設計部門，使項目的設計及溝通交流在完全可視化的狀態(tài)下進行。真實模擬高速公路設計階段的橋梁形式、隧道斷面、綜合管廊、行車道組成、燈光配合，能夠體現重點，加快設計部門解決問題的速度，使設計更為直觀，達到所見即所得的效果。

2.2 協調性

傳統(tǒng)二維圖紙難以展現設計的全部信息，專業(yè)與專業(yè)之間溝通交流較為困難。利用BIM建筑信息模型的協調性優(yōu)點，在設計前期的階段將不同專業(yè)的設計內容放入同一個信息模型，進行建筑物、鋼筋、管廊的碰撞檢測，優(yōu)化凈空、優(yōu)化設計，將設計中隱患的問題暴露出來，減少在后續(xù)施工階段可能存在的各種損失及返工情況，同時也提高了專業(yè)與專業(yè)之間、設計方與業(yè)主之間溝通的能力。

2.3 模擬性

高速公路工程大多較為復雜，施工進度難以把控。利用BIM技術強大的模擬性，在設計階段進行施工組織設計，再加上時間維度的規(guī)劃，通過協同工作平臺，使后續(xù)的管理更為直觀，隨時隨地將施工計劃與實際進展相對比。對于工程中的復雜項目或施工過程中遇到的困難，利用BIM 技術進行虛擬施工，現場預演，使現場施工人員能夠對工程更為了解，提升施工質量，大大減少安全問題。

2.4 優(yōu)化性

根據高速公路工程線路較長，地形復雜，涉及橋梁隧道較多等特點，利用BIM 強大的設計分析功能，制作數字地形模型（DTM），對設計線路進行平、縱、橫斷面優(yōu)化，參數化橫斷面與數字地形模型相關聯，自動識別填挖方放坡，實時更新工程量，使設計人員更了解每個方案所涉及的所有影響因素，達到最優(yōu)選線的目的。

3 BIM 技術在高速公路工程設計階段的應用探究

針對不同領域有不同的BIM軟件，筆者通過對各大BIM 軟件的綜合分析，選擇Bentley 公司相關軟件進行高速公路工程設計階段的相關研究。

3.1 方案比選

3.1.1 二維比選

針對高速公路工程線路控制因素多，線路較長等特點，可以利用BIM的二維，可以根據衛(wèi)星圖資料，制作全線二維貼圖，并與模型進行匹配，通過Microstation 制作二維線性文件，繪制新建線、現狀路、管廊、可能涉及的拆遷地點等主要控制因素，并以不同的顏色進行區(qū)分，配合LumenRT 渲染并制作選線漫游，進行全程設計線路的展示，這樣能夠將線路、管廊等專業(yè)的所有設計內容及影響因素清晰直觀的展示在一個平面漫游視頻內，使設計者及業(yè)主能夠更清晰明了項目的整體規(guī)劃（圖1-2）。

3.1.2 三維比選

圖1 二維比選技術路線圖

圖2 平面漫游展示

建立建數字地形模型（DTM）是BIM 模型的首要工作，它是BIM模型與真實地理地形相結合、分析的基礎。首先根據高速公路沿線的地質環(huán)境條件，利用無人機拍攝獲取地形源數據，或者根據二維地形圖生成三維三角網模型，根據實際情況對三角網離散點進行修正，最終生成三位數字地形模型，再通過剪切等二次處理，與三維路、橋、隧模型相結合，實時分析地形，分析設計線路的優(yōu)缺點，達到真正三維分析比選的效果。

同時還可以與地理信息軟件GIS 結合，融合真實地理信息，對BIM 模型進行三維空間關系分析判斷，包括通視分析、可視域分析、陰影率統(tǒng)計分析、天際線分析、剖面線分析等，實時展示各個設計方案的后續(xù)發(fā)展情況，輔助設計，使比選更為直觀，更具遠見性。

圖3 三維比選技術路線圖

3.2 平、縱、橫斷面優(yōu)化

3.2.1 平縱曲線優(yōu)化

首先根據線路設計人員提供的設計路線平縱文件提資，與三維地質模型一同導入建模軟件OpenRoads Designer。三維地質模型為平縱斷面設計提供真實準確的信息，路線平面線處于地質模型內，路線縱斷面與三維地質模型提取的地面線在同一個設計視圖中，設計人員能夠更清楚設計縱斷面沿線的地形變化。另外，三維地質模型的縱斷面曲線與平面線始終相互關聯，動態(tài)更新，平面線的任何設計調整都會直接在對應縱斷面上更新，大大減小設計人員更改設計方案的工作量，同時使設計更為直觀，提高設計質量。

圖4 縱斷面設計優(yōu)化

3.2.2 橫斷面優(yōu)化

OpenRoads Designer 軟件橫斷面涵蓋了包括道路、橋梁、隧道的所有構件的參數化設計，在高速公路設計中，通過橫斷面各部件的幾何關系及結構約束條件實現參數化，便于BIM模型的快速生成，同時增樹木、欄桿、車輛等三維實體，使設計結果更為真實的展現在設計者和業(yè)主面前。另外，將橫斷面與路基邊坡設置不同的邊坡約束條件，系統(tǒng)會自動根據數字地形模型選擇邊坡的形式與比例。

圖5 橫斷面自動識別放坡

3.3 施工組織設計優(yōu)化

高速公路工程中涉及立交互通、橋梁隧道等較多，針對這些結構設計、施工環(huán)境復雜等工程特點，利用強大的施工模擬功能，輔助設計人員對具體施工工法進行應用研究，科學合理的規(guī)劃相關工序及場地布置。同時，對施工設計進行預演，能夠使施工人員更為清楚明了工程的重點以及各自的工作內容。另外，施工組織設計能夠及時發(fā)現安全隱患，設計施工中的各項應急預案，同時能夠作為安全方面的技術交底。

4 結論

筆者通過對BIM技術應用優(yōu)點的闡述，提出了BIM技術在高速公路工程設計階段的具體應用方法以及技術路線，具體分析了BIM技術在方案比選、平縱橫斷面設計優(yōu)化以及施工組織設計優(yōu)化中的應用優(yōu)勢，為相關工程提供理論依據。由此可見，BIM技術在高速公路工程設計中的應用價值。