BIM技术在公路桥梁设计阶段的优化与集成探讨

陈辅伟， 杨鸿， 徐磊如

（甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司）

1 BIM 技术在公路工程设计阶段的优化与集成探讨

1.1 建立模型

BIM技术在我国建筑工程设计行业的应用依然处于起步阶段，传统的应用方式主要以逆向设计为主，先进行二维制图，然后再去三维建模，随着技术的不断成熟，利用BIM 技术实现正向设计取得了突破性成果，在BIM软件平台的支持下，进行参数化模型设计、信息集成、碰撞检测、工程量计算、自动出图、可视化技术交底等工作。

基于数据传递易丢失的问题，必须合理选择设计软件平台，保证信息集成管理效果，能够在工程全寿命周期中发挥核心作用，现阶段，Civil 3D 软件在道路桥梁工程设计阶段应用效果良好，具有强大的设计、分析、协作、编制功能，在地形处理、场地规划、道路设计、管网设计、土方计算、图纸输出等方面体现出较强的适用性，所以可以将该软件作为BIM 建模的主要工具，结合其他软件应用，开展正向协同设计和信息集成管理。

完整的道路工程模型既包括场地环境模型，也包括道路主体工程模型，环境模型主要由地形、水文、地质、地物等部分组成，利用Civil 3D 软件中的曲面命令，将二维电子地形图进行三维创建，赋予合适的材质，贴合卫星地图，在Infraworks 中真实呈现地形效果，通过三角网体积曲面属性特征或者相关插件，能够将地质勘查报告成果转化为场地三维地质模型。

应用BIM技术，根据相关设计理论和规范标准，进行路线设计、渠化展宽与加宽设计、超高设计、纵断面设计、横断面设计，按照实际需求，使用部件编辑器创建自定义部件组合装配，并且将平纵横设计参数动态关联，完成道路工程模型创建，可以提取任意层的道路曲面。在景观工程、照明工程、交通工程的配套设计中，可以以点样式或图块插入的方式灵活创建，便于统一定义管理，利用BIM技术还可以针对管网工程、场地放坡、土方计算、挖填方平衡等方面展开设计工作，最终实现完整的BIM 建模正向设计[1]。

1.2 集成设计

BIM技术的应用改变了传统的公路工程设计方式，能够组织开展协同设计，把不同专业设计成果集成在一个平台上，将不同设计软件创建的模型和数据信息导入到数据集成交换平台，实现自由的设计数据交流共享，同时为其他阶段各参与方的共同管理奠定了基础，保证了设计信息的准确、完整、安全、统一。协同设计是以各方协同的方式指导辅助设计工作的开展，既包括设计单位内部专业协同作业，也包括其他单位提出的设计思路和设计意见，以互联网集成信息管理平台为依托，实现全寿命周期的信息集成管理，尤其是在总承包项目模式下，大大降低了沟通交流成本，实现了全要素、全过程的管理协同。基于BIM技术的公路工程设计协同主要包括建模和渲染两个阶段，对于大型复杂项目，需要多种软件协同作业，确保工程主体建模软件与相关软件实现数据交互，比如Civil 3D 软件与Revit、3DMAX、Navisworks、Infraworks 以及CAD 等软件的数据交互，有效提高建模效率，保证效果制作质量，实现集成设计。在不同设计阶段，对建模的精细化程度要求不同，必须达到相应设计阶段的设计深度，在方案设计阶段，主要满足模型外部轮廓、几何尺寸、空间位置等要求，在初步设计阶段，需要满足模型和主要节点特性信息要求，在施工图设计阶段，需要涵盖模型全部几何尺寸、空间位置、部件材质等数据信息，是对设计方案的最终确定和细节深化，必须满足现场施工要求，这是一个由浅入深的过程。

1.3 设计优化

基于BIM技术的公路工程设计阶段优化成果不但包括三维模型，而且包括各种分析报告，涵盖了场地分析、设计规范分析、行车模拟分析、净空检查分析、视距检查分析、管网碰撞检查分析、转弯半径检查分析等方面，全面系统地阐述了设计成果质量。

在工程设计之前，必须进行场地详细分析，针对原始地形曲面等高线、高程、方向、坡度、流域、视线等方面展开研究，从土方工程量、排水流向、边坡防护等方面着重考虑，降低不利场地条件对工程建设的影响，通过高程分析可以减少土方挖填量，更好地设计平纵方案，通过流域分析指导排水流向设计，通过剖面方向分析合理选择道路方位，比如，在北方寒冷地区应该尽可能选择朝阳面，这样可以有效避免长时间的结冰积水问题。利用Civil 3D 样板文件中的自定义检查集，可以根据设计规范标准，结合自定义表达式，自动检查相关参数指标，对不满足要求的呈现黄色警告，针对性的进行优化调整，同时，软件中的可见性检查模块可以更好的进行驾驶视线分析，通过点对点、视线影响区、检查视距等工具，用于不同路段、不同范围的视觉分析，更好地模拟实际驾驶情景，使公路工程设计成果能够贴合真实需求。

公路模型完成后，还可以通过虚拟驾驶功能以第一视角的方式检查设计方案，并对不合理之处进行优化修改，在Civil 3D软件的基础上，以及相关软件的辅助下，可以实现不同类型车辆的行车轨迹模拟，可视化分析不同设计速度条件的行车轨迹，评价三维空间因素产生的影响，对平面渠化组织、纵断面竖向标高、超高加宽设置等方面进行调整。另外，利用BIM 技术，可以针对公路工程不同专业之间以及车辆与工程之间进行碰撞检测，分析车辆行驶轨迹与公路平面设施的冲突，检查平面设计转弯半径是否满足真实行车要求，除此之外，还可以实现三维净空碰撞检查，分析车辆行驶轨迹与三维立体设施之间的关系，在指定行驶范围内不得存在障碍物侵入的情况。管线工程设计具有一定的复杂性，很容易出现碰撞情况，利用碰撞检测功能，可以发现管线之间存在的硬碰撞问题，也可以分析管线之间的距离，解决软碰撞的问题，结构碰撞检测需要通过Navis-Works 软件来完成，能够获得更为专业全面的检测结果。

1.4 可视化成果

可视化成果表达是基于BIM技术的公路工程设计优势之一，用于与外部的沟通交流工作，能够以直观的方式查看设计方案，进行深入地探讨和创新。移动端浏览模型主要以便携式移动设备为载体，即时查看设计模型，摆脱了电脑端查看的限制，可以通过制作三维全景图链接和基于云端数据链接的软件平台来实现，其中，三维全景图链接是以网页链接的形式在移动端呈现，而BIM 移动端操作平台可以在移动设备安装，并查看管理云端模型。在某些重要节点制作效果图能够更好地展示设计方案特点，可以通过3DMAX 等专业渲染软件进行制作效果图，这是一种静态的可视化成果展现，漫游视频则是动态的可视化成果展现，使用相关软件制作漫游视频，能够在较短时间内全面介绍项目设计情况，提高交流质量和效率。

2 BIM 技术在桥梁工程设计阶段的优化与集成探讨

2.1 方案设计阶段

桥梁工程的设计同样是一个逐步深入的过程，在可行性分析论证的基础上，做好方案设计，利用BIM技术，可以有效减少方案生成和比选的时间，为相关各方提供顺畅的交流协作平台，保证设计方案质量。传统的桥梁方案设计会使用一定比例的地形图来获取相关信息，存在位置关系不精确、信息表达不清晰等问题，利用OpenBridge Modeler 软件，可以更好地收集工程数据、地理信息，结合现场采集到的其他信息，建立环境模型，通过交通路线、通行要求、河床断面等参数指标，评估现场施工条件，优化桥梁总体布置。方案设计阶段对模型精度要求不高，根据桥梁主体结构，分别建立简易参数化模型，快速生成各种桥梁方案，同时，BIM模型的可视化展示可以直观展现设计意图，降低方案理解难度，方便快速组织设计方案比选评估，并且为方案优化调整提供了便利[2]。

2.2 施工图设计阶段

施工图设计阶段对模型精度要求更高，需要在可操作性和具体化方面表现得更为细致。利用BIM技术进行桥梁工程参数化建模，将各种参数集成管理，通过修改一个参数就可以调整与之关联的其他参数，有利于规范设计流程，提高设计效率，减少了反复优化调整导致的繁重工作量，利用桥梁标准图，构建桥梁参数化设计模板库，在参数化设计的基础上，可以实现桥梁工程自动化设计的效果。主体结构设计与分析是施工图设计的关键所在，基于预制钢箱梁桥梁的突出优点，广泛应用于公路工程建设中，但由于钢箱梁内部构造复杂，由多种功能不同、尺寸不一的构件组成，很容易出现设计错误。应用ProStructure软件，可以实现钢箱梁精细化设计，直观展现不同构件之间的位置关系，模拟预拼装过程，提前发现设计方案中的不合理之处，减少预制加工、拼装施工过程产生的问题，结合桥梁结构分析软件的应用，对整体及局部的强度、刚度、稳定性进行受力验算，确保桥梁结构安全。钢筋布设对桥梁主体结构设计尤为重要，传统的二维平面施工图很容易出现配筋错误、碰撞冲突等问题，依托主体结构建模，利用BIM 技术进行钢筋布设，可以通过多种钢筋模板开展配筋工作，同时利用软件的可视化性能和碰撞检测功能，可以及时检查钢筋碰撞问题。除此之外，利用碰错漏检查功能还可以针对不同构件进行检测，实现可视化集成分析，根据碰撞点信息提示进行设计核对与优化调整。

3 结语

综上所述，传统二维理念的设计方式存在大量重复的无效劳动，难以保证设计质量，而且不同专业之间的协同设计断裂，容易产生信息孤岛问题，在后续的施工环境会演变成更为复杂的现场变更。基于BIM技术的公路桥梁设计优化是一种数字化设计方式，能够从建筑工程全生命周期的角度出发，集成所有数据信息，保证设计、施工、运维管理的持续性，更好的发挥源头控制作用。