BIM技術在公路橋梁設計階段的優化與集成探討

陳輔偉， 楊鴻， 徐磊如

（甘肅省交通規劃勘察設計院股份有限公司）

1 BIM 技術在公路工程設計階段的優化與集成探討

1.1 建立模型

BIM技術在我國建筑工程設計行業的應用依然處于起步階段，傳統的應用方式主要以逆向設計為主，先進行二維制圖，然后再去三維建模，隨著技術的不斷成熟，利用BIM 技術實現正向設計取得了突破性成果，在BIM軟件平臺的支持下，進行參數化模型設計、信息集成、碰撞檢測、工程量計算、自動出圖、可視化技術交底等工作。

基于數據傳遞易丟失的問題，必須合理選擇設計軟件平臺，保證信息集成管理效果，能夠在工程全壽命周期中發揮核心作用，現階段，Civil 3D 軟件在道路橋梁工程設計階段應用效果良好，具有強大的設計、分析、協作、編制功能，在地形處理、場地規劃、道路設計、管網設計、土方計算、圖紙輸出等方面體現出較強的適用性，所以可以將該軟件作為BIM 建模的主要工具，結合其他軟件應用，開展正向協同設計和信息集成管理。

完整的道路工程模型既包括場地環境模型，也包括道路主體工程模型，環境模型主要由地形、水文、地質、地物等部分組成，利用Civil 3D 軟件中的曲面命令，將二維電子地形圖進行三維創建，賦予合適的材質，貼合衛星地圖，在Infraworks 中真實呈現地形效果，通過三角網體積曲面屬性特征或者相關插件，能夠將地質勘查報告成果轉化為場地三維地質模型。

應用BIM技術，根據相關設計理論和規范標準，進行路線設計、渠化展寬與加寬設計、超高設計、縱斷面設計、橫斷面設計，按照實際需求，使用部件編輯器創建自定義部件組合裝配，并且將平縱橫設計參數動態關聯，完成道路工程模型創建，可以提取任意層的道路曲面。在景觀工程、照明工程、交通工程的配套設計中，可以以點樣式或圖塊插入的方式靈活創建，便于統一定義管理，利用BIM技術還可以針對管網工程、場地放坡、土方計算、挖填方平衡等方面展開設計工作，最終實現完整的BIM 建模正向設計[1]。

1.2 集成設計

BIM技術的應用改變了傳統的公路工程設計方式，能夠組織開展協同設計，把不同專業設計成果集成在一個平臺上，將不同設計軟件創建的模型和數據信息導入到數據集成交換平臺，實現自由的設計數據交流共享，同時為其他階段各參與方的共同管理奠定了基礎，保證了設計信息的準確、完整、安全、統一。協同設計是以各方協同的方式指導輔助設計工作的開展，既包括設計單位內部專業協同作業，也包括其他單位提出的設計思路和設計意見，以互聯網集成信息管理平臺為依托，實現全壽命周期的信息集成管理，尤其是在總承包項目模式下，大大降低了溝通交流成本，實現了全要素、全過程的管理協同?；贐IM技術的公路工程設計協同主要包括建模和渲染兩個階段，對于大型復雜項目，需要多種軟件協同作業，確保工程主體建模軟件與相關軟件實現數據交互，比如Civil 3D 軟件與Revit、3DMAX、Navisworks、Infraworks 以及CAD 等軟件的數據交互，有效提高建模效率，保證效果制作質量，實現集成設計。在不同設計階段，對建模的精細化程度要求不同，必須達到相應設計階段的設計深度，在方案設計階段，主要滿足模型外部輪廓、幾何尺寸、空間位置等要求，在初步設計階段，需要滿足模型和主要節點特性信息要求，在施工圖設計階段，需要涵蓋模型全部幾何尺寸、空間位置、部件材質等數據信息，是對設計方案的最終確定和細節深化，必須滿足現場施工要求，這是一個由淺入深的過程。

1.3 設計優化

基于BIM技術的公路工程設計階段優化成果不但包括三維模型，而且包括各種分析報告，涵蓋了場地分析、設計規范分析、行車模擬分析、凈空檢查分析、視距檢查分析、管網碰撞檢查分析、轉彎半徑檢查分析等方面，全面系統地闡述了設計成果質量。

在工程設計之前，必須進行場地詳細分析，針對原始地形曲面等高線、高程、方向、坡度、流域、視線等方面展開研究，從土方工程量、排水流向、邊坡防護等方面著重考慮，降低不利場地條件對工程建設的影響，通過高程分析可以減少土方挖填量，更好地設計平縱方案，通過流域分析指導排水流向設計，通過剖面方向分析合理選擇道路方位，比如，在北方寒冷地區應該盡可能選擇朝陽面，這樣可以有效避免長時間的結冰積水問題。利用Civil 3D 樣板文件中的自定義檢查集，可以根據設計規范標準，結合自定義表達式，自動檢查相關參數指標，對不滿足要求的呈現黃色警告，針對性的進行優化調整，同時，軟件中的可見性檢查模塊可以更好的進行駕駛視線分析，通過點對點、視線影響區、檢查視距等工具，用于不同路段、不同范圍的視覺分析，更好地模擬實際駕駛情景，使公路工程設計成果能夠貼合真實需求。

公路模型完成后，還可以通過虛擬駕駛功能以第一視角的方式檢查設計方案，并對不合理之處進行優化修改，在Civil 3D軟件的基礎上，以及相關軟件的輔助下，可以實現不同類型車輛的行車軌跡模擬，可視化分析不同設計速度條件的行車軌跡，評價三維空間因素產生的影響，對平面渠化組織、縱斷面豎向標高、超高加寬設置等方面進行調整。另外，利用BIM 技術，可以針對公路工程不同專業之間以及車輛與工程之間進行碰撞檢測，分析車輛行駛軌跡與公路平面設施的沖突，檢查平面設計轉彎半徑是否滿足真實行車要求，除此之外，還可以實現三維凈空碰撞檢查，分析車輛行駛軌跡與三維立體設施之間的關系，在指定行駛范圍內不得存在障礙物侵入的情況。管線工程設計具有一定的復雜性，很容易出現碰撞情況，利用碰撞檢測功能，可以發現管線之間存在的硬碰撞問題，也可以分析管線之間的距離，解決軟碰撞的問題，結構碰撞檢測需要通過Navis-Works 軟件來完成，能夠獲得更為專業全面的檢測結果。

1.4 可視化成果

可視化成果表達是基于BIM技術的公路工程設計優勢之一，用于與外部的溝通交流工作，能夠以直觀的方式查看設計方案，進行深入地探討和創新。移動端瀏覽模型主要以便攜式移動設備為載體，即時查看設計模型，擺脫了電腦端查看的限制，可以通過制作三維全景圖鏈接和基于云端數據鏈接的軟件平臺來實現，其中，三維全景圖鏈接是以網頁鏈接的形式在移動端呈現，而BIM 移動端操作平臺可以在移動設備安裝，并查看管理云端模型。在某些重要節點制作效果圖能夠更好地展示設計方案特點，可以通過3DMAX 等專業渲染軟件進行制作效果圖，這是一種靜態的可視化成果展現，漫游視頻則是動態的可視化成果展現，使用相關軟件制作漫游視頻，能夠在較短時間內全面介紹項目設計情況，提高交流質量和效率。

2 BIM 技術在橋梁工程設計階段的優化與集成探討

2.1 方案設計階段

橋梁工程的設計同樣是一個逐步深入的過程，在可行性分析論證的基礎上，做好方案設計，利用BIM技術，可以有效減少方案生成和比選的時間，為相關各方提供順暢的交流協作平臺，保證設計方案質量。傳統的橋梁方案設計會使用一定比例的地形圖來獲取相關信息，存在位置關系不精確、信息表達不清晰等問題，利用OpenBridge Modeler 軟件，可以更好地收集工程數據、地理信息，結合現場采集到的其他信息，建立環境模型，通過交通路線、通行要求、河床斷面等參數指標，評估現場施工條件，優化橋梁總體布置。方案設計階段對模型精度要求不高，根據橋梁主體結構，分別建立簡易參數化模型，快速生成各種橋梁方案，同時，BIM模型的可視化展示可以直觀展現設計意圖，降低方案理解難度，方便快速組織設計方案比選評估，并且為方案優化調整提供了便利[2]。

2.2 施工圖設計階段

施工圖設計階段對模型精度要求更高，需要在可操作性和具體化方面表現得更為細致。利用BIM技術進行橋梁工程參數化建模，將各種參數集成管理，通過修改一個參數就可以調整與之關聯的其他參數，有利于規范設計流程，提高設計效率，減少了反復優化調整導致的繁重工作量，利用橋梁標準圖，構建橋梁參數化設計模板庫，在參數化設計的基礎上，可以實現橋梁工程自動化設計的效果。主體結構設計與分析是施工圖設計的關鍵所在，基于預制鋼箱梁橋梁的突出優點，廣泛應用于公路工程建設中，但由于鋼箱梁內部構造復雜，由多種功能不同、尺寸不一的構件組成，很容易出現設計錯誤。應用ProStructure軟件，可以實現鋼箱梁精細化設計，直觀展現不同構件之間的位置關系，模擬預拼裝過程，提前發現設計方案中的不合理之處，減少預制加工、拼裝施工過程產生的問題，結合橋梁結構分析軟件的應用，對整體及局部的強度、剛度、穩定性進行受力驗算，確保橋梁結構安全。鋼筋布設對橋梁主體結構設計尤為重要，傳統的二維平面施工圖很容易出現配筋錯誤、碰撞沖突等問題，依托主體結構建模，利用BIM 技術進行鋼筋布設，可以通過多種鋼筋模板開展配筋工作，同時利用軟件的可視化性能和碰撞檢測功能，可以及時檢查鋼筋碰撞問題。除此之外，利用碰錯漏檢查功能還可以針對不同構件進行檢測，實現可視化集成分析，根據碰撞點信息提示進行設計核對與優化調整。

3 結語

綜上所述，傳統二維理念的設計方式存在大量重復的無效勞動，難以保證設計質量，而且不同專業之間的協同設計斷裂，容易產生信息孤島問題，在后續的施工環境會演變成更為復雜的現場變更?；贐IM技術的公路橋梁設計優化是一種數字化設計方式，能夠從建筑工程全生命周期的角度出發，集成所有數據信息，保證設計、施工、運維管理的持續性，更好的發揮源頭控制作用。