BIM技术应用下公路工程设计的创新发展路径分析
林杰
文章在分析传统公路工程设计模式存在的问题、阐述BIM技术在公路工程设计中的应用优势的基础上，对BIM技术应用下的公路工程设计创新发展路径展开探索，以促进BIM技术在公路工程设计领域的高效应用，推动我国公路工程设计水平的不断提升。
BIM技术;公路工程设计;创新发展路径
U412.6A160564
0 引言
公路工程建设是国家的重要宏观战略，其设计的科学性、合理性直接关系到地方经济的发展、影响着人们的日常出行。现阶段，公路工程设计主要采用基于CAD软件的“3-2-3”设计模式，即通过CAD平面图纸表达三维的设计创意，然后根据CAD图纸创建三维模型。在此模式下，难免会存在设计意图传递错误、空间信息丢失等一系列问题。而BIM技术，即建筑信息建模技术，能够有效实现在三维空间的设计与协同，为现代公路设计模式的优化带来了新的启发。
2017年7月，我国住房和城乡建设部颁布了《建筑信息模型施工应用标准》（GB/T 51235-2017），其中对BIM是这样解释的：在建设工程设计及施工的全生命期内，以数字化的方式表达建设工程的功能特征与物理特征，并以此为依据进行设计、施工、运营的过程与产生的结果的总称[1]。BIM技术在公路工程设计中的应用，能够通过其数字化的承载与可视化的表达，为公路工程设计各个环节的参与者提供仿真模拟与数据分析。但是受标准体系、支撑软件、设计习惯等因素的影响，BIM技术在公路工程设计中的应用效果并不理想，基于BIM技术的公路工程设计还需继续探索。
1 BIM技术在公路工程设计中的应用现状
相比建筑工程，公路工程往往具有線长、面广、路基不规则、空间地理距离长等特点。因此，BIM技术在公路工程设计
中的应用，无法直接复制该技术在建筑工程设计中的成功经验与技术路线，因此，现阶段的公路工程设计仍以传统的CAD设计方式为主。但是，当前已经有公路工程设计人员尝试在采用CAD进行平面设计的基础上，同步构建BIM模型，通过“翻模”，同样能够有效提升公路工程设计过程的沟通效率，提高整体设计质量，也在一定程度上推动了BIM技术在公路工程设计领域的正向发展。
随着BIM技术在公路工程设计领域的应用、推广，基于BIM技术的公路工程设计也获得了长足发展，但是仍存在诸多问题亟待解决，具体表现如下：
（1）针对公路工程中的多结构对象，尚未形成系统化的建模方法。公路工程设计往往涉及多种结构对象，如隧道、桥梁、道路、地形、交通指示设施等，针对不同的对象，应采取不同的建模方法。但是由于BIM技术在公路工程设计中的应用尚处于探索阶段[2]，针对公路工程中的多结构对象建模与整合方法，仍缺乏系统性梳理与研究。
（2）缺乏针对公路工程特点的模型感知方法研究。公路工程大多为线性工程，对公路工程设计的评价，需要从工程设计是否合理、交通是否适用、工期是否相符、成本是否在可控范围内等多个角度考虑。因此，BIM技术在公路工程设计领域的高效应用，还需要根据公路工程的特点，对BIM感知与评价的优化方法进行深入研究。
2 BIM技术在公路工程设计领域的应用优势
BIM技术在公路工程设计领域的应用优势，具体可从公路工程的特征以及BIM技术的先进性两方面展开分析。
（1）公路工程的特征。公路工程是典型的线性工程，具有点多、线长、面广等特征。公路工程设计往往涵盖了道路、隧道、桥梁、机电等多个专业，需要各个专业科学分工、相互合作。在公路工程设计时，还需要全面考虑公路沿线的地质、地貌、水文、气候等环境因素，设计附加信息较多。而BIM技术在公路工程设计中的应用，能够为公路工程设计各个环节的参与者提供实体模拟与数据分析，从而有效提升公路工程设计的科学性、准确性。
（2）从BIM技术的先进性来看，利用BIM技术，对基于CAD的二维设计进行三维复核，能够有效提升公路工程设计的准确性。BIM技术主要应用于公路工程设计的“翻模”环节，在基于CAD的平面设计中，因为设计习惯、技术限制等原因，设计图中难免会存在错漏误缺，从而增加设计变更率。而利用BIM模型对图纸中存在的错误与不足进行复核，则能够有效降低设计变更率，提升设计质量。利用BIM技术，能够快速估算工程量，实现资源的优化配置。根据质量要求及工程规模，公路工程建设投资额动辄上亿元，且在公路工程施工过程中，还会涉及大量的数据计算，如土方量计算等，这些都需要在设计环节中进行全面考虑。而利用BIM技术进行数据测算，可以根据设计方案快速测算出相关数据，从而
有效避免因测算方法不当造成的误差，实现工程资源的优化配置及公路建设成本的合理控制。通过BIM技术，对设计思路进行三维可视化表达，提升沟通效率。利用BIM技术对公路工程进行三维可视化设计，能够有效避免公路工程项目各个环节的参与方由于对平面图纸的理解误差而导致决策失误，从而提升公路建设决策的科学性。数字化成果交付，以数据为载体，为公路工程全生命周期的应用提供保障。借助BIM技术，能够以三维设计信息模型的方式，向后期的施工、运维等环节交付、传递公路工程设计成果，有利于实现公路工程全生命周期的信息协同，促进BIM技术在公路工程全生命周期的应用发展。
3 BIM应用下的公路工程设计创新发展路径
3.1 多结构对象的BIM建模与整合
公路工程建设中包括道路、桥梁、隧道、地形等多种结构对象。在BIM技术的应用下，需要根据不同BIM软件的类型以及不同结构对象的特点构建相应的模型，并将所有的模型根据设计要求整合到统一的场景中。对此，本文以Autodesk软件体系为研究对象，对公路工程设计中所涉及的多种结构对象的建模、整合方法展开系统梳理与研究。
3.1.1 创建地形模型
根据电子地形图、地形等高线等数据，构建地形曲面模型;结合设计要求中的公路纵断面、横断面、中心线等设计数据，进行道路装配模型的构建，从而创建出带有多级放坡的公路曲面模型，为后续公路的选线以及土方量的测算提供准确性更高的地面模型。
3.1.2 创建公路模型
创建公路模型即进行公路横断面、纵断面的设计，在此过程中，要确保所设计的路面宽度、路基填挖方、公路放坡、各种附属设施都要符合道路的实际情况。Civil 3D软件能够通过自定义的方式，自动化创建与真实地形模型相符的公路横断面、纵断面模型，从而更加精确、真实地表达、反映所创建的道路，省去了设计中绘制公路横断面、纵断面的环节。
3.1.3 创建桥梁的参数族
在公路工程设计中，桥梁不仅结构清晰，且各个构件之间都有着明确功能。在公路工程全线建设中，往往会涉及多座桥梁建设，通过创建桥梁结构的参数化模型，能够实现桥梁的快速建模与出图。对此，可利用Revit软件和Dvnamo软件相结合的方式实现。首先，通过Revit软件创建桥梁结构的模型，然后利用Dvnamo软件自动化创建各构建功能的模型，同时还可以通过参数驱动，对桥梁构件进行灵活调整，更好地满足用户需求。此外，还可以在不同的桥梁设计中，复用通用族模型，从而能够节省大量的模型创建时间。
3.1.4 创建隧道模型
隧道模型创建方法与道路模型创建方法大同小异，在创建隧道模型时，需要根据设计要求，设置取弃土方工程量。对此，可通过Civil 3D软件与GIS软件相结合的方式达到这一目的。首先通过Civil 3D软件创建一个不包含任何数据信息的三维隧道模型，然后结合利用GIS软件所提取的地形数据，完成三维数据模型的创建。最后，基于三维数据模型，利用相应的地质绘制软件，完成专业地质设计，生成隧道模型。
3.1.5 多结构对象的全线整合
在公路工程设计中，需要根据不同结构对象的特点，利用相应的软件，绘制、创建相应的BIM模型。由于不同软件的数据格式、模型精度不同，从而难以在同一软件中整合所有模型。因此，在整合模型时，需要将建好的模型转化成通用格式，然后利用整合软件对所有模型进行拼接、组合，将其整合到同一场景中。例如，可在Infraworks软件中添加IMX格式文件和FBX格式文件，然后选择合适的坐标系，在Infraworks软件中整合地面、路面以及桥梁的模型。此外，还可利用Infraworks软件更改所创建好的道路模型的路面样式，添加交通附属设施，以确保所创建模型能够最大限度地贴合实际情况。
3.2 审查设计方案
进入公路设计环节，应根据公路工程项目的设计要求，利用BIM模型，快速审查、优化调整设计方案，对设计方案的可行性进行论证，降低设计误差，节约设计成本。
3.2.1 碰撞检测
利用BIM技术所具备的碰撞检测功能，能够有效检查公路工程设计中所包含的各种设施、钢筋、管线以及其他构件的碰撞问题，为设计方案之间的对比提供辅助，从而实现设计空间的优化布置。
3.2.2 对关键构件进行力学分析与验证
在设计桥梁工程时，精确分析桥梁结构的受力情况，是保障公路工程建设质量的关键所在。当前国内比较常见的验证分析软件主要包括Midas、Abaqus、Ansys等。例如，在应用Abaqus软件时，首先可将BIM模型的格式转换成FBX格式或者OBJ格式，然后将其导入Abaqus软件中，将其进行整合，根据设计要求设置相应的边界条件，对其进行模拟力学分析与验证，并根据验证结果，调整、优化整体结构，经过反复的验证、调整，形成最终的力学分析结构，并将其传递至后期的施工、运维环节中，为其提供可靠的数据依据。
3.2.3 显式表达隐蔽工程
在公路工程设计中，利用BIM技术能够更加直观地排查桥梁、隧道、排水井等隐蔽工程，了解桥梁桩基础、承台等施工信息。设计人员也可以通过BIM模型，从不同角度或断面查看设计情况，从而有效控制公路工程设计的精准度，确保设计方案更好地服务于施工、运维环节。
3.3 三维可视化表达
BIM技术下的三维模型具有二维图形远远无法比拟的優势，不仅能够更加直观地传递知识信息，还可以通过对不同视角、剖切面、立面的设置，更加快速地调取相关信息，确保设计方案能够更好地服务于模型发布、汇报展示、施工交底等。
3.3.1 设计方案比选
利用BIM技术，能够在设计初期，进行对不同设计方案的快速建模与直观对比，通过直观化的三维模型展示，有效提升沟通效率，更加直观地向甲方传递设计理念、表达设计效果。此外，还可以将BIM技术应用于不同设计方案进行三维对比、不同专业之间的协同检查[3]、辅助专家评审等多个方面。
3.3.2 提升施工交底效率
利用VR技术，即增强显示技术，将二维施工图纸增强显示为三维模型，从而有效帮助公路工程施工人员对二维图纸的感知，拓展到三维图形中。施工人员只需利用手机等设备扫描图纸，就能够观察到相应的BIM模型，直观地看到各种施工标注信息，从而提升设计意图传达的准确性，提升施工交底效率。
3.3.3 实现设计数据的全生命周期传递
公路工程设计阶段的BIM成果能够传递到后续的施工、运维阶段中，为公路工程的精细化施工以及智能建造提供数据支撑。在设计阶段，设计人员可根据公路工程的实际施工需求以及全生命周期的流转需求，集成、整合各种模型与成果，以满足公路工程设计数据全生命周期传递的要求。此外，将BIM技术应用于包括施工、运营与养护在内的全生命周期，还可向设计阶段有效反馈涉及设计阶段的相关问题，积累相关设计经验，从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见图1。
4 结语
现阶段，BIM技术在公路工程设计领域的应用与推广，仍面临诸多瓶颈问题有待解决。对此，本文结合BIM技术在公路工程设计中的应用困境，在分析BIM技术在公路工程设计中应用优势的基础上，提出了BIM技术应用下的公路工程设计创新路径，旨在为公路工程全生命周期管理提供数据基础，推动我国公路工程设计的高质量发展。
[1]潘鹏飞，宋 飞.BIM技术在西安外环高速公路设计中的探索与实践[J].筑路机械与施工机械化，2020，37（12）：59-62，66.
[2]朱 琳，麻成明，李贤统，等.BIM技术在公路设计中的应用与创新[J].工程建设与设计，2020（19）：85-89.
[3]欧佳佳，戴 玮.BIM技术在公路工程设计阶段中应用研究[J].土木建筑工程信息技术，2020，12（4）：119-123.
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