BIM作為一種全新的理念和技術，在交通領域被廣泛認可。尤其是在設計階段，基於BIM技術的正向設計，可大幅提高工程品質、降低工程造價、縮短設計周期，是未來交通領域勘察設計的主要手段。然而，目前交通領域BIM正向設計技術的研究應用處於探索階段，尚未形成系統的解決方案和設計流程，設計軟體工具不完善，多數項目以「先設計後建模型」為主，設計與BIM模型割裂，難以發揮BIM的最大價值。本文圍繞市政道路工程的BIM正向設計，介紹了BIM技術在市政道路領域的應用現狀與趨勢。針對市政道路工程設計的複雜性和三維BIM正向設計的必要性，探索三維設計基礎環境構建、道路BIM平縱設計、三維道路設計、出圖、出表、專業分析與數字化交付等關鍵要點，研發本地化道路設計軟體，突破BIM正向設計難點。通過實踐總結，形成了一套適合我國市政道路工程BIM正向設計解決方案，並取得了良好的實踐效果，為交通領域實現全專業BIM正向設計提供思路和參考。
正向設計現存差距 未來可期
技術現狀
近年來，交通領域BIM技術的發展勢頭迅猛，國家、行業、地方紛紛發布了指導意見和標準，旨在推動交通行業BIM技術的發展。對於複雜市政道路工程的勘察設計，項目地處城市成熟區域，普遍面臨交通繁忙、路網密度大、立體交叉多、地下管網複雜、涉及專業多等突出問題，設計難度大、任務重、周期短。目前仍以二維設計手段為主，BIM多用於可視化方案展示、工程量估算、「錯、漏、碰」檢查等應用，尚未實現真正的BIM正向設計。BIM標準體系不完善、本地化專業化設計軟體不成熟、設計流程和交付方式不明確，且無法輸出滿足規範要求的圖紙成果，導致BIM技術在交通領域設計階段發展緩慢，與BIM正向設計的目標還存在差距。
但不可否認，BIM正向設計技術開啟了自動化向信息化的轉變，提供準確的三維信息模型，自動生成二維圖紙，解決了設計工作龐雜、容易出錯的問題，推動了設計思維、工作流程、協同方式乃至建設模式的深刻變化，變革了傳統勘察設計流程與手段。因此，實現交通領域全專業BIM正向設計是勘察設計企業的終極目標。
現階段和BIM正向設計流程圖
發展趨勢
BIM正向設計技術是交通行業走向數字化的重要支撐，是設計企業進軍國際市場競爭的必備能力，有以下發展趨勢：一是全專業BIM正向設計，革新現階段二維設計手段；二是全生命周期的應用，整合規劃、勘察、設計、施工和運營養護階段BIM應用；三是多角度、集成化應用，依託雲計算、大數據等技術，實現項目管理、數據協同等。BIM最大價值在於全生命周期應用，但關鍵和源頭仍在設計階段，精準的三維BIM設計模型是信息共享和流轉的載體，實現工程信息的傳遞和共享利用，是BIM理念的核心和應用的關鍵，也是提高工程設計品質的重要手段和根本保障。
BIM發展趨勢
BIM正向設計研究路線
本文基於BIM正向設計的理念，通過對市政道路工程BIM正向設計關鍵問題的研究與探索，形成了BIM正向設計解決方案和總體思路，建立了全流程應用框架。包括構建全新三維可視化設計基礎環境，為設計提供數據支撐；研發了專業BIM正向設計軟體，實現BIM設計和出圖；構建可視化展示平台，革新設計手段和展示方式；探索了數字化交付方式等，突破了BIM正向設計難點。
為了使市政道路工程BIM正向設計解決方案真正落地，解決軟體缺乏難題，研發了全新、協同的BIM正向設計軟體系統，符合專業設計過程，且具有統一的數據格式和軟體框架，滿足我國設計規範，形成BIM正向設計軟體解決方案。
市政道路工程BIM正向設計解決方案
BIM正向設計關鍵要點
針對市政道路工程BIM正向設計中存在的問題，採用方法創新和軟體研發相結合方式，實現以下難點突破，形成綜合解決方案。
構建設計基礎環境
基礎環境模型直觀反映項目區域地物、地形、地質等狀況，是設計的基礎。採用無人機傾斜攝影等技術，快速構建市政項目區域準確的實景、DTM、地質等模型，重構錯綜複雜的地下管網模型。通過關鍵點坐標匹配，集成融合實景、地質、DTM、管線等模型，構建精準的三維設計基礎環境模型，在真實的環境中開展BIM設計，提高工程與城市環境的協調性，為BIM正向設計提供了數據支撐。
三維設計基礎環境
研發道路BIM正向設計軟體
市政道路工程互通式立交密集，空間受限，路線線形和橫斷面複雜，設計難度極大，缺乏本地化BIM設計軟體。基於OpenRoads技術平台，研發了符合我國道路設計流程和規範的BIM正向設計軟體CNCCBIM OpenRoads，提供了道路BIM三維設計、工程圖紙、數字化交付等方面的解決方案。
協同工作空間定製
工作空間定製是開展BIM設計前期非常重要的一個環節，將設計標準、特徵庫、模板庫、風格樣式庫等，按行業級、企業級、項目級等不同工作集，存儲在工作空間或協同平台上，存儲一套適用於某類工程項目的定製化的內容。解決工程項目協同工作中標準化統一問題，從而實現BIM設計「標準統一、內容統一、風格統一」。針對市政道路制定了一套符合我國設計規範、習慣要求的工作空間。
平面設計
通常道路平面線形由直線、圓曲線、緩和曲線等組成的複雜曲線，通過交點法、單元法兩種平面設計方法，參數化控制曲線線形，最終形成符合要求的路線平面設計。結合構建的設計基礎環境模型（DTM和實景），在可視化環境下進行實時直觀設計。同時，支持拖動控制點的交互式設計，批量查看平面設計參數，實時修改新平面設計線位。在交互式參數化設計時，自動建立了幾何規則關係和特徵屬性，依賴參數和關係變更，設計成果自動聯動更新。操作簡潔，省去繁瑣的手動線形調整，可快速完成項目平面設計。
縱斷面設計
地形環境直接影響縱斷面設計，基於設計基礎環境模型（DTM）,實時提取平面線位的地面高程曲線，同時在縱斷面模型視圖中，直觀查看平曲線直線段、圓曲線段、緩和曲線段的區間範圍，輔助縱斷面設計。類似平面設計提供直線、圓曲線、拋物線等組成複雜縱斷面曲線，多種縱斷面線形的任意組合，支持捕捉關鍵點實時拖動修改和初步設計，批量化修改設計參數，進行精準設計。高效可視化互動設計變坡點位置、標高、豎曲線半徑等參數，並支持同一平面線的多個縱斷面方案，快速進行方案對比和優化。
三維路廊設計
三維路廊設計也稱路基和路面設計，通過模板技術提供全參數化構件定義功能，支持任意形式的橫斷面定製。根據規範要求定製橫斷面模板特徵點、特徵組件要素，且模板定義關聯工作空間；基於三維路線和DTM,橫斷面模板放樣生成三維道路模型自動生成填挖方邊坡，快速建立精準的道路BIM模型。同時，支持可視化超高設計和三維漫遊等，並且創建的道路BIM模型支持橫斷面「剖切」出圖、工程量計算等。
橋、隧構造物設計
道路總體圖階段，要快速、準確表達道路沿線橋樑、隧道、涵洞等構造物設置情況，如橋樑的位置、跨徑等總體信息，開發了基於路線的橋樑、隧道、涵洞構造物設計工具，通過輸入基本參數，在平、縱和三維三個視圖可視化構造物設計，同時生成三維模型和構造物工程數量統計，縱斷面、總體圖及橫斷面設計圖均通過直接「剖切」得到構造物信息。
專業BIM分析
建立完成BIM設計模型後，直接提供基於BIM模型的專業分析，針對道路工程包括水膜厚度分析、路面水流分析、土方量統計、視距分析等功能，自動輸出分析計算結果。
BIM出圖
現階段，對於市政道路工程設計成果，仍然要求交付二維圖紙，經過研究探索，基於全信息專業BIM設計模型，可實現自動化「剖切」形成編制辦法要求的圖表成果。歸納總結實現「剖切」「標註」「分圖」「報表」等四大功能，基本可以滿足圖紙要求。通過開發標註、剖切、分圖、報表等子系統，基本實現了自動化BIM出圖。針對標註實現了路線、十字坐標、示坡線、占地線等八種標註，包含豐富的標註要素，實現一鍵式標註。基於道路BIM模型動態「剖切」輸出平面、縱斷面、橫斷面等六類圖紙，並提供圖紙索引和管理功能。基於工程特徵對象分類，實現了直線轉角表、逐樁坐標表、用地表等道路專業報表的自動生成與輸出。
動態可視化展示
市政項目設計是一項系統工程，覆蓋專業多。通過BIM軟體平台，將各專業設計成果進行集成，融合實景、地下管線、道路、橋樑、綜合管廊、景觀綠化等模型，利用LumenRT展示平台，對項目進行全線漫遊與動態可視化展示，呈現設計效果，實現全方位、多立體的方案比選與設計優化，並可在征地拆遷、交通疏解等方面發揮積極作用，提高溝通協調效率，為業主決策提供科學依據。
數字化交付
隨著BIM正向設計技術應用的不斷深入，數字化交付將成為主要的交付方式。數字化交付是通過信息化的數字交付平台，將設計的信息模型、文檔資料等集成交付，提高信息存儲和共享效率。將項目的設計資料、BIM模型、圖紙、表格、工作文檔等數字化成果文件，集成後發布為iModel數據格式，利用iModelJS開發數字化交付平台，在桌面端、移動設備和Web端查看和管理，初步探索了數字化交付的內容和方式。
通過實踐總結，形成了一套適合我國市政道路工程BIM正向設計解決方案，突破BIM設計關鍵難點，並取得了良好的實踐效果。
項目案例
深圳梅觀高速公路市政化改擴建工程，位於深圳市中部，是龍華區「一中軸九片區」中部發展軸上的重要交通幹線，具有南北通廊作用，是「深港脊樑」（皇崗路-梅觀路-莞深高速）的重要組成部分，其提升改造對粵港澳大灣區基礎設施的互聯互通，具有積極的推進作用。項目全長約8公里，原高速公路改造為雙向8車道快速路主路，兩側新建雙向6車道城市快速路輔路，標準斷面寬度達90m。共設互通式立交7處、橋樑31座、景觀天橋10座，綜合管廊總長約16.5公里，總投資約77億元。
通過本文提出的思路和方法，構建了項目區域三維基礎環境模型，採用CNCCBIM OpenRoads軟體實現了道路工程的BIM設計，通過軟體自動輸出圖紙、報表，集成各專業設計成果，藉助LumenRT進行動態可視化展示和方案優化，初步實現數字化交付，成功完成本項目的正向設計工作，得到業內的廣泛好評。
在當前中國交通領域已進入「BIM時代」的背景下，本文系統介紹了市政道路工程BIM正向設計思路和方法；研發了道路工程本地化設計軟體，實現了三維環境下市政道路工程參數化BIM設計，建立了軟體解決方案；形成了基於信息模型出圖的新思路，革新傳統製圖手段，解決了市政道路BIM正向設計關鍵技術難題，大幅度提升了設計水平和工程品質。本文為市政道路工程BIM正向設計提供可借鑑和參考的思路，積極促進成果在後續項目的推廣應用。
本文刊載 /《橋樑 · BIM視界》雜誌 2019年 第3期 總第10期
作者 / 戈普塔 祝興虎 姚書奎
作者單位 / 中交第一公路勘察設計研究院有限公司