道路BIM技术在设计领域的研发现状分析与发展策略初探

发布时间：2022-03-16

　　摘要：为了解决目前 BIM 在国内道路设计领域的规模化推进艰难、与国外先进水平差距有进一步扩大趋势的问题，文中通过客观的调查和研究，从 BIM 技术的特点入手，分析了道路设计行业在 BIM 系统中扮演的角色，调查研究了 BIM 在道路设计行业的发展现状和面临的发展瓶颈，进而创造性地提出从焕发自身魅力和借助体制力量两方面突围的发展思路。焕发自身魅力即基于 BIM 模型开发违规提示、常规验算及更多实用的分析预警等功能，借助体制力量即为改良项目运作模式和建立 BIM 成果的交付标准。希望能为交通行业制定 BIM 技术在行业内的推广策略提供参考。

　　关键词：BIM;道路设计;角色;现状;问题;策略

　　BIM(建筑信息模型系统)技术作为一种先进的设计工具和管理平台，正在推动整个工程建设领域工作方式和管理模式的变革。我国道路设计领域引入 BIM 技术后，各类新颖的功能令人眼前一亮，但就目前的发展现状来看，BIM 技术在公路设计领域的推广遇到了推进乏力、进展缓慢的问题。业内对这一问题的研究成果较多，但就近5年的实践效果来看，仍未突破瓶颈。本文希望通过对 BIM 技术内部问题和外部问题的剖析，寻得 BIM 技术在我国道路设计领域全面推广的策略。

　　1 道路 BIM 在设计行业的发展现状

　　1.1 BIM 技术给道路设计行业带来了什么

　　工程建设行业的发展过程，也是技术革新、材料更替和工具进化3个方面交替领跑、相互带动的过程。BIM 技术的出现可以说是当今工程领域最伟大的一次工具革命，它甚至超越了工具的范畴，给工程领域带来了一场设计理念和管理方式的革命。具体到道路设计行业，可从以下4个关键词中体会到BIM 技术带来了什么。(1)变革，道路 BIM 提供了全新的道路项目设计方案的载体，从而带来了全新的设计理念、设计工具和管理方法，进而推动了道路设计阶段各个环节工作方式的变革。(2)先进，BIM带来了全新的道路设计的方式，例如：设计者可在同一界面下综合、实时地参考道路平面、纵面、横断面、地质、土方、三维模型等要素完成选线和路线设计工作。(3)质量，带来了设计工作各个阶段质量的提高，例如：减少了错误率和返工率，提高了各专业的协调和匹配程度，增强了设计方案对地形特征的针对性。(4)协同，道路项目是系统工程，包含了诸如路线、路基路面、排水、桥涵、隧道、交通工程、环保绿化、房建及市政道路的照明、各类管线等众多的设计专业，在 BIM 系统的搭建过程中，各专业可以共同建立、使用、丰富这个平台，从而达到各尽所能、各取所需的目的，协同设计得以真正实现。

　　1.2 设计行业在道路 BIM 中的角色与职责

　　在道路行业，一个工程项目的全生命周期内先后经历了4个阶段：立项阶段、设计阶段、施工阶段、运营管理阶段。立项阶段主要包括管理团队的组建、项目调研、编制项目建议书、委托可研和可研报告的审批等工作;设计阶段主要包括可研报告的编制(或方案研究)、初步设计、施工图设计和施工期间后续服务等工作;施工阶段主要包括工程招标、施工管理、成本控制、交竣工验收等工作;运营管理阶段主要包括路政、交通、收费、养护、监控、服务区开发和资产管理等工作。

　　BIM 技术在以上提及的4个主要阶段均有特定的使命和贡献，而道路工程的各阶段的具体参与方均有各自的职能和收益。按照传统的责权划分，设计行业需完成对道路工程的设计图样的交付并提供对应的造价结果。BIM 技术的引入，使得设计过程即为建立道路参数化模型进而建立 BIM 系统的过程。以此同时，BIM 系统在设计过程中呈现的中间形态，可作为各设计专业间协同设计的平台和中心，从而加强了各专业间的配合和协调程度，提高了设计质量。因此，道路设计行业在 BIM 系统中扮演着系统的制造者和第一批受益者的角色。BIM 系统中，参与各方扮演的角色如表1所示。

　　1.3 道路设计行业 BIM 技术的发展现状

　　我国对 BIM 的应用始于建筑设计行业，在设计的带动下，施工和运营阶段也掀起了 BIM 技术应用的探索与实践热潮。例如2008年的“水立方”、2010年的上海世博会，以及后续比较著名的上海中心、广州东塔等，但也仅局限在部分工序中应用BIM 技术。

　　政策方面，2011年住建部颁布了《2011-2015建筑业信息化发展纲要》，在总体目标中提出了“加快建筑信息模型(BIM)、基于网络的协同工作等新技术在工程中的应用，推动信息化标准建设”的目标。同时，住建部启动了中国 BIM 标准的制定工作。我国政府一系列的推动措施，对 BIM 在我国的应用产生巨大的促进作用[1]。

　　道路设计行业对 BIM 的应用尚处于研究和尝试阶段。近5年来，在国内几家主要的道路辅助设计软件公司的引导和推动下，BIM 技术在道路设计行业的应用方面已取得了长足的进展。目前，国内主要的道路辅助设计软件包括：纬地、鸿业的 Road-leader(路立得)、EICAD、CARD/1、DIcad等。这些软件在 BIM 技术应用方面都做出了具体的研发和探索，总结起来包含如下几个方面。

　　(1)建立道路信息模型，直接利用道路几何设计的基础数据和地形数据，构建准确的地面、道路以及桥隧等的三维实体模型，再利用卫星或者航空数字影像进行模型贴图处理后，营造出公路虚拟现实空间，见图1。该项技术完成了对 BIM 基本信息模型的构建，是其他应用开发的基础和平台。

　　(2)三维全景漫游，实时进行任意位置、视点、高度基于速度的道路三维全景漫游，可选择行走、行车和飞行模式。该项功能可用于路线方案的汇报展示、比选与优化，并且可用于安全性分析、道路景观设计与评价等与视觉模拟相关的诸多方面。

　　(3)空间行车视距分析，通过建立通视四棱台模型(见图2)，排查不满足停车视距的隐患点[2]。

　　(4)运行速度分析，通过对85%驾驶员习惯的模拟，综合分析在道路平、纵组合条件下全线各路段的实际行驶速度，从而找出速度差较大和与设计速度背离值过高等存在安全隐患的路段[2]。

　　(5)景观和环境分析，借助道路三维模型的任意角度视图功能，可分析道路建成后对原地形的切割、阻断等工程行为对原有环境的影响程度。通过三维漫游技术，分析道路绿化设计方案在驾驶员视角呈现的效果，从而评价设计方案的优劣。分析效果见图3。

　　此外，基于 BIM 平台还研发了其他实用的功能应用(图4～图8)，篇幅关系不再一一论述。

　　1.4 道路设计行业 BIM 技术发展遇到的问题

　　在过去的 20 年间以 AUTODASK CAD 为首的计算机辅助设计平台，极大地影响着我国的建筑设计方式，陆续涌现了很多先进的国产计算机辅助设计平台(其中的鸿业系列、纬地系列、EICAD 系列都是其中杰出的代表)。“这些国产化设计平台的产生极大地简化并标准了道路设计人员的工作，所有成果的表达达到了高度的一致与标准化”。目前，计算机的设计平台正由传统的二维模式转向更为先进的BIM 模式，但类似以往成熟的本土化技术支持体系却没有出现，可以说我国的数字信息平台正处在一个变革中的真空期[3]。

　　由于本土化支持的不足，产生了很多实际操作层面的问题。很多设计一线的设计人员，尽管已经意识到了 BIM 的重要意义，但更多依旧只是被动跟随。由于 BIM 的辅助分析能力开发不足，目前仍然无法解决“一次建模多重使用”的问题。例如目前的BIM 软件不具备路基路面专业常用的特殊路基验算、边坡稳定验算、路面结构计算、挡土墙验算、排水能力验算;桥涵专业常用的上、下部结构验算;隧道专业常用的洞身、洞门受力分析等功能。设计师需要使用这些分析类的功能时，需要在 BIM 模型之外，不断地重复建立模型，工作效率很低。使用BIM，给设计行业带来的是工作量的成倍增加，但实际回馈却极其有限。

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　　目前交通行业对 BIM 设计成果没有交付标准可依，尽管设计过程使用了参数化的三维模型，但提交阶段具有法律效力的设计文件仍为二维图表。目前大多数使用 BIM 平台的辅助设计软件不具备输出二维设计图的功能，因此，造成大面积的水土不服。在更多的情况下设计人员只是将 BIM 作为解决目前设计过程中复杂问题的表达方式，而并不是作为一种分析与设计的基础手段。道路设计还是延续旧有的设计模式：依旧从传统的三维效果图开始，然后进行二维图纸设计，最终再转回现实三维模型进行最终的设计修正和模拟。

　　2 促进道路 BIM 在设计领域发展的策略

　　国际标准组织设施信息委员会对 BIM 的定义是：BIM 是在开放的工业标准下对设施的物理和功能特性及其相关的项目生命期信息以可计算、可分析的形式来表现，从而为决策提供支持，以更好地实现项目的价值。显然，从 BIM 的定义中，早已揭晓了如何让 BIM 步入辉煌的答案。将 BIM 的定义提炼成3个关键词就是：“可建立”、“可分析”、“可节约”。具体说就是可建立 BIM 模型，可通过分析模型解决众多问题，从而水到渠成地实现了节约时间和经费的最终效果。其中，可建立是投入环节，可分析是使用环节，可节约是收获环节。笔者认为，目前我国 BIM 技术的推广之所以遇到瓶颈，其主要原因有二：(1)建立 BIM 模型后，使用环节的可分析能力开发不足，导致 BIM 自身价值和魅力不足以引发工程领域的设计工具革命;(2)投入环节和收获环节是两家独立的承接单位，导致处于投入环节的设计单位积极性不高。以下就针对这两类问题，提出本文的解决思路。

　　2.1 焕发自身魅力

　　通过对 BIM 功能的深入挖掘，进而提升系统的应用范围和附加值，是 BIM 技术继续保持旺盛生命力的必由之路。BIM 技术由于其不仅仅是三维模型，还包含了模型的属性和参数。那么，利用道路BIM 系统完成大部分常规分析和判断工作从技术上说是具备基础的。下一阶段，可根据各阶段使用者的需要，建立一系列的分析判断模块，例如根据设计阶段的需要，建立道路 BIM 安全性自动预警系统，系统涵盖路线、路基、桥涵、隧道、交安设施、环保绿化等与道路安全相关的各个专业，可协助设计者对拟定的方案进行快速分析、排查。道路 BIM 安全性预警系统具体功能的初步展望如下。

　　2.1.1 违规提示功能

　　道路 BIM 安全性预警系统，从其功能定位来看，是基于参数化的道路三维模型而拓展出的一系列安全预警模块的集合体。一个项目应基于符合现行规范的前提再谈安全，因此，下阶段的研发工作中，可考虑将各专业的现行规范编入 BIM 的数据库，使得系统具备违规预警功能。系统将自动分析模型中所采用的指标、参数是否违反了现行规范的规定。例如：自动分析路线专业的平面、纵面、超高、渐变段等指标是否符合规范等。

　　2.1.2 常规验算功能

　　在目前的路基、桥涵、隧道等专业设计工作中，验算和出图要多次建立模型，若道路 BIM 系统能引入各类验算模块，那么将极大地提高桥涵设计的工作效率。

　　2.1.3 拓展功能

　　除此之外，道路 BIM 安全性预警系统还可根据各专业特点，拓展开发更多实用的功能。

　　(1)路线安全性分析模块。

　　①道路通行能力分析。基于道路运行速度分析系统的研究成果，后续研发可综合考虑平纵指标、交通量、路面状况、车道数、天气、光线、辅助设施等影响因素，生成全线通行能力曲线图，找出通行能力突变的路段或瓶颈路段，从而在设计阶段就采取有效措施解决问题，避免建成后的拥堵。

　　②结合地质资料的土方调配方案分析。道路BIM 系统是融合了三维地质模型，包含地上、地表和地下部分的完整模型。设计者在进行土方调配时，若能兼顾地质要素，那么土方调配方案将更趋合理，调配方案的可行性进一步提高。例如：调配时若利用了盐渍土、膨胀土、含水率过高的土时，系统将自动预警;选用了错误的土石比例时，系统也将预警。

　　(2)路基安全性分析模块。

　　①排水不畅路段自动识别。该项功能建议分两期实施：现阶段，可简单地通过模拟全线的路侧边沟内雨水的流向，迅速找出全线的排水不畅路段，核查边沟方案的合理性，避免因排水设施设计的不合理造成项目局部路段的积水隐患;远期随着软、硬件技术的发展，不仅考虑边沟内雨水的流向，还可根据当地气候特点指定降雨强度和历时，模拟 DTM(数字地面模型)在指定汇流区域内的降雨径流情况，分析道路全线各类排水设施的容量和极限，搜索出不利路段，采用增大断面尺寸或改变排水方案等方法优化设计方案。

　　②边坡预警。对于路堑边坡，若设计方案选用的坡率陡于指定范围内 DTM 的自然坡率或陡于对应土层的内摩擦角时，边坡有失稳的危险，系统会根据三维地质模型与各级边坡的实际情况进行预警。此外，在道路 BIM 系统三维地质模型的协助下，系统可轻松判断任意一段的路堑边坡的岩层层理或节理是否处于顺层位置关系。此类顺层情况对边坡的稳定性不利，系统将自动识别此类路段，以便使用者改用针对性的防护方案，从而降低了路堑边坡的安全隐患。

　　③短路基预警。路基过短使工程机械的作业空间被压缩，往往带来路基、路面施工的困难。对于此类路段，路基往往需要改用易于压实的路基填料并采取补强措施，路面则根据具体施工能力，改用水泥混凝土路面代替沥青混凝土路面。预警系统可根据需要，搜索出全线的短路基，避免疏漏。

　　(3)桥涵安全性分析模块。

　　①承载力不足桥台预警。对于选用扩大基础的桥台，系统可根据各类地层的承载力情况，分析基础底面下卧层的承载力是否大于设计承载力。若不满足要求，则系统提示预警。

　　②桩长不足预警。对于端承桩，通常是按桩底持力层的承载力符合要求或进入弱风化层3倍桩径控制桩长，在地表起伏较大、地质情况复杂的山区，出现桩长过长或桩长不足的概率较高。预警系统在三维地质模型的帮助下，会自动识别桩长不合理的桥墩，提高项目的经济性和安全性。

　　③系梁埋深预警。系梁的埋深理想状态是位于地表以下0.5m，这样不会因埋深过大带来深基坑作业，也不会外露太多影响美观。对于崎岖地区的项目，设计者稍不注意就会造成系梁高度的不合理。预警系统会结合系梁与 DTM 的空间位置关系，判别出埋深不合理的系梁。

　　④桩基础外漏预警。对于地形复杂的山区，桥梁的桩基础与地形的配合程度要求非常高，设计者稍有不慎，就会造成桩基础的外漏或保护层厚度偏薄的情况(图9)。系统分析出此类情况的桥墩，反馈给设计者，可提高设计质量。

　　(4)隧道安全性分析模块。

　　①各专业碰撞分析。隧道内各类通风、通讯、照明设施较多，BIM 技术所特有的协同设计和碰撞分析技术，使得各专业统一面对相同的三维模型，可有效地避免设计方案的不匹配。

　　②衬砌级别与围岩类型不匹配预警。系统以洞身为载体，将隧道穿越的地层投影在洞身上，当出现衬砌级别与围岩类型不匹配的情况时，给予提示。

　　③安全疏散能力评价。建立疏散模拟模块，任意指定突发火灾等事故的地点，通过模拟逃生路径、救援路径、车辆分流的方法，评估隧道设计方案和设施应对突发情况的能力，协助做好预案。

　　(5)交安安全性分析模块。

　　①眩光分析。在现有炫光分析模块的研究基础上，进一步开发可适用于低等级道路的眩光分析模块。低等级道路由于自身规模所限，无法在中间带设置防眩设施，这种情况下，行车风险系数很高。在设计阶段，若能找出易发生眩光危险的路段，从线形方面多考虑此类路段的平、纵指标的连续性，从安全设施方面，根据具体条件可考虑加强此类路段的照明、使用限速措施、设置震动标线、加强道路方向和轮廓的指引等方案，在一定程度上降低安全隐患。

　　②不同光线条件下对安全设施影响分析。安全设施并不只是在晴朗通透的条件下使用，例如标志标牌的识别距离，在背光、昏暗、阴影、雨雪、雾霾等条件下是会一定程度缩短的，这样按理想状态计算的应变距离将被压缩，造成迟疑、误判、强行变道、突然减速等危险行为。后续研发过程中，计划基于现有的资源和成果，着力开发光线条件影响模块，为道路 BIM 的应用领域开拓更广泛的空间。

　　(6)环保、绿化安全性分析模块。

　　①植被遮挡隐患分析。现阶段，道路绿化等景观效果日益受到重视，路中和路侧的植被不论从品种、密度，还是层次、高度方面都推陈出新不断得到提升。有些植被在栽种初期不会造成影响，但随着其生长，高度和树冠不断增大的植被会遮挡既有的标志标牌或影响平交口等路段的停车视距，形成安全隐患。下一阶段，系统可考虑开发植被遮挡分析模块，导入各类植被在不同树龄和不同地区的最大生长高度和最大树冠半径等参数，模拟其对标志标牌、停车视距等要素的影响，为设计阶段优化绿化设计方案提供依据。

　　②环境污染突发事件处理。随着经济的发展，道路上的特种运输车辆比例逐步增高。若运输有毒制剂的车辆发生交通事故造成倾覆、泄露，对事故点一定区域的水质、土质将造成不同程度的污染。一旦发生中毒事件，社会影响将极其恶劣。下阶段研发，考虑开发道路三维排水模型，该模型可基于数字化地面模型，模拟沟内雨水的流向和模拟一定范围内地表水的汇流路径及流向。该模型在协助优化排水设计方案的同时，也兼具了环境污染突发事件应急处理功能。事故发生后，可迅速调取事故点一定区域的边沟流向和地表水流向信息，为及时、准确地控制污染范围提供有力的技术支持。

　　2.2 借助体制的力量

　　从本文1.2节的分析结论可见，工程项目的筹建方或投资方是 BIM 技术的最终受益者，整个工程项目任何一个环节在成本和建设周期方面的节约都是投资方的直接收益，在社会、经济、环境方面的隐性收益更是不可估量;设计行业目前在 BIM 模型的可分析技术开发尚不完善的情况下，主要扮演着BIM 系统创造者的角色，因系统建设而额外增加的工作量并未得到直接的设计费用的补偿，属于主要的投入方;对于施工方，每个工点施工组织方案的合理性，每一根钢筋的节约，每一次合理的运算统筹都会带来非常显着的经济效益，而这也正是近年来施工企业热衷于 BIM 的最主要原因。根据美国智慧建筑协会(BuildingSmartAlliance)的研究资料显示，建筑工程建设成本占项目总成本的25%，运营管理阶段占75%[4]。交通行业未做过相关统计，但相信运营管理阶段的成本仍占主流。BIM 技术在运营阶段带来的管理效率的全方位提升效果显著，可谓功在当下利在千秋。

　　“谁受益，谁主导”，是 BIM 在我国发展策略的重要指导思想。作为设计阶段的设计人员，将做出更多的付出，然而 BIM 所产生的效益却更多地为投资方和后期施工与管理阶段人员所享用。因此改变旧有的利益分配体系，或促进利益的受益各方尽早地介入，将有效推动 BIM 技术在我国的推广。我国正在积极探索工程项目承包的多种模式(BT、BOT、BOO、BOOT、EPC、EPCM、PPP和 FEED 等)，通过对投资、建设、管理体系的不同程度的优化，从优化管理体制入手，为解决“谁受益，谁主导”的问题提供了思路，为 BIM 技术的培育和成长开拓了一片实验田。

　　另外，要从根本上舍弃以二维设计图表的形式提交设计成果的旧模式，进而确立基于 BIM 技术的设计成果提交新模式，首先需要制定行业高度的BIM 设计成果交付标准。2011年，我国住建部已经启动了中国 BIM 标准的制定工作，但交通行业仍处于考察期。标准的确定意味着行业主管部门的认可和市场的规范化，是推动 BIM 技术继续深入发展所必须的原动力。

　　3 结语

　　本文从 BIM 技术的特点入手，分析了道路设计行业在 BIM 系统中扮演的角色，调查研究了 BIM在道路设计行业的发展现状和面临的发展瓶颈，进而创造性地提出从焕发自身魅力和借助体制力量两方面突围的发展思路。

　　放眼世界，BIM 已逐渐成为工程设计领域的主流工具，然而我国交通行业 BIM 的发展相对显得缓慢，我们与世界先进 BIM 的距离在加大。在我国的交通设计行业，有自身的技术现状、管理模式以及生产方式，只有从行业特有的设计需求和工程实践入手，才能找出一条真正适合我国交通行业的 BIM 发展之路，这也是见证这一变革的每一位交通建设者的使命。——论文作者：吴健，刘向阳，郭腾峰，戈普塔

　　参考文献：

　　[1] 魏亮华 .基于 BIM 技术的全寿命周期风险管理实践研究[D].南昌大学，2013.

　　[2] 郭腾峰 .道路三维集成 CAD 技术———纬地道路 CAD系列软件教程 [M].北京：人民交通出版社，2006.

　　[3] 吴吉明 .建筑信息模型系统(BIM)的本土化策略研究[J].土木建筑工程信息技术，2011，(3)：45-52.

　　[4] 卜一秋 .从 CAD到 BIM：前途是光明的，道路是曲折的[J].建筑创作，2011，(6)：154-158.