"ＢＩＭ＋ＶＲ道路设计系统技术特点及应用现状 "

发布时间：2022-03-09

　　摘 要：系统分析了基于 BIM+VR技术的新一代道路设计软件系统在工作流程和成果交付方式、软 件 组 织 架构、三维协同设计和可视化功能、软件智能化水平及协同工作等五方面革命性的技术特点，并阐述了目前国内道路BIM 技术应用中存在的主要问题。研究表明，新一代道路设计软件系统使得工程设计自动化程度更加增强，设 计 成果的可视化展示手段更加丰富，专业之间协同化工作效率得到显著提高。但我国道路 BIM 技术的应用总体还处于初级阶段，还需要国家层面尽快出台相关的政策体系和技术标准，需要软件商进一步完善适合我国国情的道路 BIM 软件体系。

　　关键词：道路工程;建筑信息模型;虚拟现实;三维协同;装配;部件;全寿命周期

　　计算机技术于20世纪60年代开始应用于道路勘测设计，半个世纪以来，道路设计软件从起初的主要辅助设计过程中重复计算问题，发展到代替工程设计中大量图纸绘制的绘图平台，进一步演进到更加系统化、集 成 化、商 品 化 的 自 动 化 设 计 平 台[1-2]。道路设计软件的发展进程，也伴随着我国交通建设的快速发展阶段，道路设计系统在各个道路设计单位得到广泛应用，完成了大量的道路设计任务，取得了举世瞩目的经济效益和社会效益。

　　近年来，以 BIM[3-8]、虚拟 现 实(VR)[9]等为 代表的新技术迅速发展，其中 BIM 技术被业内人士看作是继 CAD 技术 普 及 应 用 后，工程技术领域又一次技术革新。从长远看，BIM 技术必将引领建筑信息化的发展潮流，大大提高土木工程信息集成化的程度[8]。与 BIM 技术 相 比，基 于 传 统 CAD 技术 的道路设计系统在信息化水平、工作效率及协作深度等方面均表现出相对落后的状态。目前在国际上使用 较 广 泛 的 道 路 工 程 BIM 设 计 软 件 主 要 是Autodesk公 司 的 Civil3D 软 件 和 Bentley 公 司 的PowerCivil软件(已升级为 OpenRoadsDesigner)。国内的传统道路 CAD 软件商如纬地、鸿业、EICAD等也已开始在 BIM 技术应用方面都做出了具体的研发和探索工作。

　　本文重点阐述新一代道路设计软件系统的技术特点和目前应用中存在的问题，主要内容组织如下：(1)分析传 统 道 路 CAD 软件系统进入信息化时代后存在的主要弊端;(2)阐述基于 BIM+VR 技术的新一代道路设计系统主要技术特点;(3)分析我国新一代道路设计系统应用现状及存在问题。

　　1 传统道路设计系统存在的主要弊端

　　诞生于 CAD技术普及时代的道路设计软件系统，相较早期的人工绘图方式，极大地提高了道路工程设计效率。然而，随着信息化技术的飞速发展，新科技在各行各业的深度应用，相较于自动化、智能化程度更高的新型信息化技术，传统道路设计系统在应用中尚存在以下几方面相对滞后的弊端。

　　(1)设计成果的数字化、信息化程度低。

　　传统的道路设计系统一般采用基于数据文件的组织模式，设计过程即为准备数据文件的过程，设计图纸是根据设计数据文件绘制的图形实体集合。图形实体是纯粹的绘图单元，一般不带有反映设计对象特征的属性信息，纸质化的工程图纸是主要成果交付 方 式。因 此，设 计 成 果 的 数 字 化、信 息 化 程 度低，无法将设计成果直接应用于相关的项目信息管理系统，也无法将设计成果直接应用于项目后续的施工及运营维护阶段。

　　(2)设计过程、设计对象关联度差，设计变更引起的改图工作量大。

　　传统的道路设计系统为“顺序式”工作流程，即按平面设计、纵断面设计、横断面设计等各阶段依次进行，各设计阶段只存在简单的次序关系，基本无反馈关系。同时，表征设计对象的图形实体之间也不存在关联关系。这种工作方式和设计对象的组织模式存在的主要问题是，当项目发生设计变更时重复绘图和工程量统计工作量相当大，即设计人员需要花费很长时间来确保地形数据、路线平面、纵断面、横断面以及其他设计数据的任何一处修改都能够在相互之间正确传递[10]。

　　(3)软件智能化程度低，横断面设计等阶段人工作业工作量大。

　　道路设计系统虽然较纯粹的手工绘图大大提高了设计效率，但在横断面设计、工程量统计等方面人工作业工作量仍然很大。比如横断面设计方面，由于实际地形、地质条件千差万别，各种断面形式多而复杂，而道路软件提供的“横断面模板”无法考虑所有的地形变 化 情 况，实 际 工 作 中，在初步的横断面 “戴帽”后，往往需要进行大量的手工修正、完善和补充设计工作。

　　(4)不支持专业间、阶段间及参建方协同工作。

　　传统设计模式下各个专业的设计数据不能相互导入和导出，各个专业之间协作程度低。设计环节上基本都是各自为战，很少沟通，工作时逐层传递，这样不仅工作效率低下，也容易出现“碰撞点”等设计差错[11]。另一方 面，设 计 阶 段 与 施 工 阶 段、运 维阶段无有效的数字化衔接渠道，道路设计软件一般仅服务于设计阶段的工作。项目实施过程中，各参建方往往采用传统的点对点沟通方式，不仅增加了开销，提高了成本，而且也无法保证沟通信息内容的及时性和准确性[12]。

　　2 BIM+VR道路设计系统主要技术特点

　　基于 BIM+VR技术的新一代道路设计系统在工作流程和成果交付方式、软件组织架构、三维协同设计和可视化功能、软件智能化水平及协同工作等方面都发生了革命性的进步，其主要特点体现在以下几个方面。

　　(1)道路设计过程以信息化“建模”为中心，数字化三维道路模型成为主要的成果交付方式。

　　与传统道路设计系统“顺序式”工作流程(图1)不同，基于 BIM 技术的新一代道路设计系统则以 “建模”为核心，整个道路设计过程以构建完整的道路三维信息模型为主线，所有设计、三维、算量、出图等工作都紧密围绕这个核心进行。设计过程中，系统根据设计数据构建道路三维模型，该模型不仅包含道路的平、纵、横几何线形数据，还包含道路路面结构、边坡防护结构、桥涵构造物、隧道、沿线交通安全设施以 及 沿 线 地 质 构 造 等 信 息。随 着 交 通 领 域BIM 应用的逐渐深入，以BIM 信息为核心的道路三维模型将成为衔接规划、设计、施工、运维的整个工程全生命周期的信息载体，成为道路设计项目主要的数字化交付 成 果。图1、图2分 别 为 传 统 道 路 设计软件和基于 BIM+VR技术新一代道路设计软件系统完成市政道路工程设计的主要应用流程。

　　(2)全面采 用 面 向 对 象 的 思 想，设 计 对 象 间 建立动态关联关系。

　　基于 BIM+VR技术新一代道路设计软件系统全面采用了面向对象的软件工程思想，提供了曲面、路线、纵断面、道路、横断面等丰富的道路工程专用设计对象，道路设计过程就是构建设计对象的过程。同时，设计对象之间建立了动态关联关系，使得设计变更能够在设计对象间智能地传递，例如，如果修改一条平面路线，则基于该路线对象的纵断面对象和横断面 对 象 都 会 自 动 更 新，能 够 显 著 降 低 修 改 工作量。图3为 AutodeskCivil3D 软件中主要设计对象的层次关系图。可以看出，主要的道路设计对象分成四个层次来组织，其中点、曲面、路线、装配、道路等设计对象位于第一层级。图4为各主要设计对象间的动态关联关系。

　　(3)实现平、纵、横三维协同设计，并可通过实时三维实景模型来检验设计方案的合理性。

　　基于 BIM+VR技术新一代道路设计软件系统由于采用了面向对象的思想，道路平面、纵断面、横断面及地形曲面等设计对象间存在动态关联关系，设计人员进行道路平面设计的同时，在纵断面视口和横断面视口能实时看到道路纵断面和横断面的变化情况。因此，设计人员能够实时感知道路线形的三维空间状态，便于获得平、纵、横三维整体最优的路线设计方案。同时，新 一 代 道 路 设 计 软 件 系 统 大 都 嵌 入 了VR技术内核，使得道路三维模型的实时三维可视化漫游变得易于实现。设计人员在设计过程中，可以随时通过简易操作，查看道路三维实景模型，通过实景模型检验道路设计指标运用的合理性，检验道路设计方案与地形地貌的配合情况。

　　(4)采用装配和部件技术，大大提高横断面设计工作的自动化和智能化水平。

　　新一代道路设计软件系统通过引入装配和部件技术，将道路横断面设计的自动化、智能化水平提升到了一个全新的水平。其中装配的概念可以理解为道路标准横 断 面，通 常 由 插 入 点、基 准 线 等 部 分 构成。部件指的是组成装配的基本设计元素，如车道、路肩、边坡、护栏等。新一代道路软件系统中提供的部件具有内置智能行为，它们可以自动适应某些条件，如根据道路的填/挖状态自动改变边坡坡度，根据车道加宽和超高的要求自动调整车道的标高和宽度，根据设置的逻辑目标对象自动控制边坡部件的终止条件等等。

　　如图5所示 为 AutodeskCivil3D 软件 中 制 作的典型道路装配示意图。该装配主要由条件挖方或填方部件、连接宽度或坡度部件、指向曲面的连接坡度部件、指向曲面的连接宽度部件等部件构成，能够自动判断一、二级挖方边坡，并在挖方边坡坡脚设置碎落台、挖方 边 沟 等 设 施，在 坡 顶 设 置 截 水 沟 等 设施;能够自动判断一、二级填方边坡，并在填方边坡坡脚设置护坡道、填方边沟等设施。图6为根据该装配进行横断面“戴帽”设计中几个典型断面的设计结果。

　　基于装配和部件技术构建的三维道路模型，包含有道路各组成构件丰富的属性信息，能直接用于二维图纸的输出和工程量统计，也能用于项目建设其他阶段的数字化管理，极大地提高了道路设计的信息化水平。

　　(5)具备协同工作机制和协同工作环境。

　　“协同”是 BIM 技 术的本质特征之一。基 于BIM 技术的设计软件系统，能够在协同工作环境中进行协同设计，设计成果实时共享，各专业设计界面变得模糊，各自专业可以实时看到上、下游专业最新设计成果，能将各专业间的冲突降到最低，提高设计效率和设计质量[11]。同时，协同工作环境也为项目全寿命周期中各参建方提供了一个统一的工作平台，改变了传统的分散式交流模式，实现了信息的集中存储和访问，增强了信息的准确性和及时性，进而有效提 高 项 目 的 实 施 效 率[12]。如 Bentley 公 司 的ProjectWise协同工作平台就是典型的代表，它能够让 Bentley的路 线 设 计 软 件 PowerCivil、桥梁 设 计软 件 OpenBridgeModeler、建 筑 结 构 类 软 件AECOsimBuildingDesigner等无缝协作，也 能 够 让建设单位、设计单位、监理单位及施工单位等参建方在同一环境下协同办公。

　　3 新一代道路设计系统应用现状及存在问题

　　3.1 我国新一代道路设计系统发展现状

　　近年 来，国 内 的 传 统 道 路 CAD 软件 商 在 原 先道路 CAD 软 件 基 础 上，都 相 继 升 级 推 出 了 基 于BIM 和 VR 技术 的 新 一 代 道 路 设 计 系 统。这 些 软件系统基本能实现道路平面、纵断面和横断面三维协同设计(图7)，能在设计过程中进行实时三维实景漫游(图8);横断面设计中大都采用了装配和部件技术(图9)，道路设计都能以构建道路三维信息模型为核心，根据道路模型来生成道路二维图纸和工程数量表(图10)。同时，部分软件还具备了空间行车视距分析、运行速度分析、景观和环境分析等功能[13]。相较传统CAD软件系统，我国新一代道路软件系统总体来讲具备了部分BIM 和 VR的应用功能，信息化水平和智能化水平都有本质性的提升，具备了提高设计效率和设计质量的基础。

　　3.2 新一代道路设计系统应用存在问题

　　在住建部、交通运输部大力推进 BIM 技术应用的背景下，目前国内出现了一定数量的交通 BIM 技术应用试点项目，这 些 项 目 在 BIM 软件 的 运 用 上，可以分为国内软件和国外软件两大阵营。然而实际应用过程中，都存在一些难以短期逾越的问题。

　　(1)国内新一代道路设计系统尚无法独立实现全过程的 BIM 应用。

　　一方面，虽然国内新一代道路设计系统具备了部分 BIM 和 VR 功能，但 本 质 上 还 是 路 线 设 计 软件，其主要功能仍然局限于常规路线设计，对桥涵、隧道等结构物分精度等级的建模功能仍然缺失。另一方面，作为 BIM 技术本质特征 的“协 同”功 能，国内设计软 件 还 无 法 有 效 支 持。专业间的协同因桥涵、隧道等专业 BIM 软件 发 展 缓 慢 而 无 法 实 现;建设阶段间、参建方间的协同因缺乏有效的协同平台而无法实现。

　　(2)国外 BIM 软件系统尚不适合中国设计习惯和出图规范。

　　国外道路 BIM 软件虽然号称能解决工程项目全寿命周期的 BIM 应用，但也不符合我国的实际情况。一方面，我国道路建设经过多年的积累，已经形成完整 的 规 范 体 系，涵 盖 路 线、路 基 路 面、桥 梁、涵洞、隧道、交通工程等专业，但国外 BIM 软件内置的规范基本是 ASSHTO 标准。虽然软件也提供了中国本地化包，但也仅仅只是对部分路线规范的支持。另一方面，目 前 我 国 还 处 于 BIM 技术初步推广阶段，尽管设计过程使用了数字化的三维道路模型，但提交阶段具有法律效力的设计文件仍为二维图表。而目前国外 BIM 设计软件并不具备输出符合我国出图规范二维设计图的功能，因此，造成大面积的水土不服[13]。

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　　国内软件与国外软件各自的局限性，导致了目前 BIM 应用中普遍出现工程设计与 BIM 应用“两张皮”的现象[14]。即一拨人运用国内软件完成常规的道路设计，输出满足要求的二维设计图纸;另一拨人根据设计数据文 件，运 用 国 外 BIM 软件，建 立 道路三维 BIM 模型。这 种 “翻 模”式 的 BIM 应 用 模式，不仅 BIM 建模效率低下，也无法发挥 BIM 模型对道路设计的辅助决策功能。

　　(3)软件数字化设计成果缺乏统一标准。

　　国内新一代道路设计软件由于采用了装配和部件技术，能够构建具备 BIM 性质的道路三维信息模型。但由于国内尚未 出 台 道 路 BIM 模型 设 计 交 付标准，各个软件商在模型单元划分、模型精度等级界定、几何表达精度等级划分、信息深度等级划分等方面并没有统一的标准，因此构建的道路设计模型并没有很好的通用性，这限制了模型的可移植性和适用范围。另一方面，模型的深度、精度、模型划分以及属性信息等是否满足不同施工工法和施工组织方式等的需要也有待商榷。

　　4 结语

　　计算机技术在道路工程的应用阶段可大致分成CAD阶段和 BIM 阶段。进入 BIM 阶段以后，基于BIM+VR技术的新一代道路设计软件系统将道路设计带入了一个全新的发展时代。本文系统分析了新一代道路设计软件系统在工作流程和成果交付方式、软件组织架构、三维协同设计和可视化功能、软件智能化水平及协同工作等5个方面的革命性技术特点，分析表明，与传统的道路设计软件系统相比，基于 BIM+VR技术的新一代道路设计软件系统使得工程设计自动化程度更加增强，设计成果的可视化展示手段更加丰富，专业之间协同化工作效率得到显著提高。

　　由于 BIM 技术在我国的推行才5年左右，相关的政策体系、标准体系尚未完全建立起来，我国道路BIM 应用中还存在一定的问题，这些问题也影响了BIM 技术在 工 程 建 设 中 优 势 作 用 的 发 挥。但 随 着国家相关配套政策的逐渐出台，国内软件商的不断努力，进一步完善适用于我国国情的新一代道路设计软件体系，真正为工程建设项目全寿命周期服务，提高工程建设效率和工程建设质量。——论文作者:涂圣文1，杨 柳2，姚常伟1

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