0引言

随着我国道路桥梁工程的快速发展，BIM技术逐渐被设计院、施工单位引进，各大高校也开始教授BIM课程。近年来，BIM技术被广泛关注。

国内外学者及相关单位也开始着力于路桥工程基于BIM正向设计的应用研究。中国建筑科学研究院^[1]从2010年开始尝试推动BIM正向设计应用，经历了探索阶段、试点阶段和普及阶段三个阶段；陈长俊^[2]等将桥梁设计与施工与BIM相结合，分析了BIM中协同设计与精细建模对各方交流效率和设计质量的正面影响；广东省建筑设计研究院^[3]在广州白云机场项目中应用BIM正向设计方法解决了大量技术难题，肯定了其在市政道路设计中的高应用价值；朱勇锋^[4]在论文中探讨了BIM技术在高速公路全生命周期中的应用，表明BIM技术在提高设计水平、优化施工管理、提升运维效率等方面具有积极作用；葛澄钰等^[5]针对BIM技术中协同设计、节能设计与优化设计三个主要应用方向，结合绿色建筑设计原则，探讨了其在绿色建筑数字化发展中的具体应用，表明在“双碳”战略下BIM技术在建筑行业绿色化、数字化转型中的极具发展潜力；杨耀宗^[6]在实际应用中通过BIM技术优化成桥整体计算和顶推施工过程，提升了互通立交桥梁设计质量和效率，能够为互通立交桥梁的工程设计和施工提供技术保障。温博等^[7]通过在高速公路勘察设计过程中从路线、路基、桥梁、隧道等专业进行三维正向设计，同时应用公路工程BIM外业资料管理系统将外业调查资料数字化，将BIM技术作为三维辅助设计手段应用于项目勘察设计周期全过程，有效提高效率，降低成本；陈泰中^[8]将传统的二维设计和BIM三维设计作对比，分析了三维设计对公路工程设计的优化作用；程盛等^[9]在张官高速高坪互通项目中通过无人机采集测绘数据和BIM+GIS设计环境搭建的方式实现激光点云与BIM技术结合，针对问题提出了一系列BIM解决方案，使BIM正向设计的应用发展更进一步；王兴武^[10]在谈及BIM正向设计的发展过程时，提出了BIM设计五年目标，以期在不久后的将来实现交通领域全专业BIM正向设计的终极目标，真正实现BIM技术在公路设计阶段的完全价值。

在道路行业中，现有的BIM技术出现了较为严重的“翻模”现象，又称“逆向设计”。逆向操作是通过二维施工设计图模拟出可视化模型，这大大增加了后期的工作量，也无法形成较为完善的数据集成效果，常常出现构件尺寸信息与原有图纸不对应、路线平纵横信息与原图纸无法对应、坐标不准确等问题。因此，目前BIM正向设计是解决这些问题并切实提高设计和施工效率的可行性办法之一。

1工程概况分析

本项目为镇广高速C7石桥互通段，位于四川东北部，地形地貌以低山、丘陵地貌为主，斜坡坡度较大，一般坡度在25～35°，相对高差一般大于50m，该区域内不良地质及特殊性岩土（软弱地基）不发育，工程地质条件良好。本互通的作用主要是连接石桥及周边村镇，满足交通转换需求。根据功能与道路等级，本互通采用单喇叭互通形式，互通范围内主线起点K177+040-K178+085，匝道起点桩号为K177+040，终点桩号为K178+085。

2 BIM正向设计理念及问题分析

2.1 BIM“翻模”技术分析

BIM（建筑信息模型）的“翻模”现象指的是在现有建筑模型的基础上进行逆向工程，这个过程通常用于老旧建筑、没有原始数字化模型的建筑或者在施工阶段过程中需要重新构建BIM模型。在公路工程建设领域，大量设计人员在原有的道路设计软件中完成设计并产出图纸，再由其他建模人员根据二维图纸信息建立新的三维模型。其运行步骤图如图1所示。

图1 翻模设计流程图

BIM“翻模”作为一种逆向工程技术，在某些场景下具有重要的应用价值，特别是对老旧建筑的数字化管理和维护。然而，与BIM正向设计相比，翻模在数据精度、时间成本、信息完备性等方面存在明显弊端。因此，在实际应用中，应根据项目需求和实际情况，权衡采用翻模还是正向设计的方法，以确保项目的顺利进行和高效管理。

2.2 BIM正向设计理念分析

对立体交通而言，模型所传递的的三维信息对施工人员有着举足轻重的作用。BIM在道路工程的正向设计是以三维BIM模型为出发点和数据源，完成从方案设计到施工图设计的全过程任务，是在设计阶段直接使用搭载具备道路设计和BIM技术的软件进行某一工程项目的设计工作，其在全过程设计及项目管理过程中起到了可视化沟通、三维协同、设计优化、绿色性能模拟与质量管控等重要作用。相较于传统的公路设计，具有以下优点。

1）可视化设计：设计师可在空三模型中直观地获取项目信息（坐标、高程、地理环境和山体与路线走向等），通过三维模型，设计师能够快速地表达出其设计意图，发现设计的问题所在。

2）分工合作：BIM技术可实时分享在建模型的相关信息，以此实现多专业、多团队实时协作设计，大幅提高了设计效率。

3）信息集成：BIM正向设计可将项目中的各个构件信息集成化打包处理，包括其材料属性、施工信息、结构组成等。

4）成本控制：当今工程建设是保证在安全、结构合理的基础上降低成本。BIM正向设计可在设计阶段估算工程建设的成本，有助于控制整体的项目预算。

5）施工模拟：BIM正向设计可对模型进行施工模拟，并优化施工方案，提高施工效率。

6）可持续性设计：通过BIM正向设计可直观地感受到项目与周围环境的契合度，BIM有助于施工单位的施工绿色化。

7）维护管理：将BIM模型应用于项目的后期运营和维护管理上，可为后期养护单位提供设施管理的详细信息。

3 BIM正向设计在互通设计中的实施过程

3.1软件选择

本次研究基于广联达公司主办的全国大学生毕业设计大赛，搭载以广联达研发的数维道路设计软件和鸿城Infra Fuser软件作为核心设计软件，并结合Auto CAD和EICAD作为辅助软件辅助查看施工设计图纸。

3.2创建基础设计环境

数维道路设计软件可有两种方法生成渲染的三维地形图。方法一为通过导入前期经外业测量所生成的带有Z值高程点的地形图或点高程地形图的DWG文件并生成最新曲面，再经空间三角修正得到较为准确的三维地形图。

方法二为导入经无人机测绘生成的倾斜摄影模型，并可选择将倾斜摄影模型转为OBJ格式或保留OSGB格式模型，目前可采纳的有大疆智图软件与Context Capture等软件生成环境数据。生成的模型如图2所示。

图2 Context Capture生成的倾斜摄影模型

3.3构建三维道路BIM模型

在经广联达开发的道路设计软件数维道路设计中建立工作空间环境，分别通过其地形功能板块、路线功能板块、纵断功能板块、路基功能板块以及道路功能板块进行路线设计、纵断拉坡设计、边坡排水设计、路线交叉设计以及路面结构设计，数维道路设计软件成套的设计体系可通过读取路线并建立项目本地化的标准横断面，进而设计出包含全线平纵横断面的三维道路BIM模型。数维道路平面设计平面图和三维地形图如图3所示。

通过广联达数维道路BIM设计软件可直接观察到地势走向并快速选出最佳适合布设的路线，起点至互通路段（K176+400-178+500）需要设置石桥互通立交，因此本路段进行路线选择时考虑了周边地形地貌及工程规模等。

数维道路设计软件可观察周围的三维地形，进而快速获得较为直观的设计思路。项目初步设计线位于周家湾西南侧山脚布线，周家湾大桥小桩号桥台位置现状为山坳，地势较低，且桥墩不可避免落入现状弯曲河沟，因此需进行河沟改道处理。结合石桥互通匝道布设及互通区排水情况，将路线向西侧偏移约35-50m，将桥台位移至周家湾西侧山头，既便于落台又避开了河沟弯曲段。综合比较发现，该方案虽增加了约18亩的耕地占用，但节省桥梁100m，最终石桥互通立交桥两总长75m，既避免了河沟改道工程，又具有更强的经济效益。

图3 数维道路平面设计平面图和三维地形图

最终确定，项目的整体路线走向基本位于地势相对平缓的山地区域，项目主要负责的主线全长约1300m（包含匝道交叉立交75m）、三条匝道长约813m(A匝道298m、B匝道324m、C匝道303m、D匝道309m、E匝道191m）。

通过数维道路设计软件，在设计过程中能够轻松查阅周围高程点数据。数维道路设计结合了BIM与正向设计软件的全部功能，在软件中可以使用纵断放坡功能，通过观察纵断视图中的自然断面来合理地把控纵坡数据，以便在短时间内完成放坡并做到填挖平衡。

数维道路设计软件也可进行参数化横断面设计，其在传统的横断面设计中引入了装配构建的概念，通过创建道路横断面参数以建立道路构件，随后可直接将道路布设于所属的路线区域。

3.4构建三维桥梁BIM模型

本项目含有长75米的匝道立交桥梁，广联达数维道路设计软件可建立参数化的桥梁上下部结构（桩基、墩柱、系梁、桥台、盖梁、支座垫石以及上部结构梁），如需补充细节，还可在构件库中创建桥梁细部构件来为桥梁BIM设计提供基础工具。道路模型的建立可方便工程师读取路线平纵横数据（道路宽度、纵坡、横坡以及地面高程等数据），根据上部信息进入桥梁功能板块输入桥梁设计参数，将桥梁上、下部结构以及附属设施参数化，从而批量构建出所需要的桥梁模型。

3.5构建路线交叉BIM模型

数维道路设计软件具有同纬地、EICAD相似的操作方式，在进行平面布线时工程师可根据交通流量选取匝道模板，并直接指定匝道的关键参数，随后在曲线参数中选取符合规范的参数，如圆曲线半径、缓和曲线参数和长度即可。

在互通设计中，加减速车道时必须关注的重点，规范对不同设计速度下的变速车道长度有具体要求。数维道路设计软件的立交功能板块设计将匝道的几何信息参数化，通过分析，可以通过创建立体交叉连接部设计的功能，输入分/合流匝道的参数信息，如匝道类型、变速车道形式、主线与匝道对向、鼻端位置和尺寸、变速车道长度、硬路肩宽度渐变的起始位置以及渐变段长度等参数，BIM正向设计输出的可视化模型可以让线形更加直观地体现在工程师眼前，在经过不断的优化和调试后，工程师可快速获得既符合规范要求，又美观合理的互通匝道线形。根据交通量预测结果，各匝道均采用单车道出入口，其中B和C匝道（减速车道）采用直接式，D和E匝道（加速车道）采用平行式。

立体交叉的高程要求也是重难点，尤其需要重点关注主匝道（所有出入车辆必定经过的匝道），各分匝道在衔接主线时应做到高程和纵坡与主线保持一致，在满足规范区间内的纵坡值的同时，也需要满足主匝道与主线交叉区域的净空要求，以数维道路设计软件为例，BIM正向设计可以直观地测算出设计匝道的所有控制参数，这样便可以降低设计出错的概率，同时也为建设单位提供了更加直观便捷的可视化模型。匝道参数设计如图4所示。

图4 匝道参数设计图

3.6调整并交付文件

经过上述步骤得到完整的道路BIM模型后，便可通过BIM正向设计的参数化、可视化与信息集成化的优势分别导出道路施工图并完成数字化交付。最终将整个工程文件导入到鸿城Infra Fuser软件中进行模型的VR渲染，通过三维模型可视化浏览，对BIM模型进行方案论证，如交通量分析、净空分析、路况分析等，从中得到最优方案。完成交付并在鸿城Infra Fuser显示的石桥互通可视化模型如图5所示。

图5 完成交付并在鸿城Infra Fuser显示的石桥互通可视化模型

4鸿城Infra Fuser数据可视化

鸿城Infra Fuser软件是一款提供各专业、各种格式的数据集成融合、三维可视化汇报展示、具有完善二次开发接口和开发示例、方便用户进行业务拓展应用的基础设施多专业综合设计系统。将经数维道路设计软件设计完成的模型导入到鸿城Infra Fuser软件中进行模型的综合设计，通过三维模型可视化浏览，对BIM模型进行各项方案论证，如碰撞分析、净空分析、量方计算以及车辆模拟等，从中得到最优方案。

碰撞检测是BIM模型应用最多的功能之一，同样是二维时代转向三维时代的重要标志。通过全面的“三维校审”，在此过程中可发现大量隐藏在设计中的问题。在真实建造施工之前理论上能100%消除各类碰撞，减少返工，缩短工期，节约成本。以本项目为例，通过鸿城方案设计对全线进行碰撞检测，图6所示可发现道路全线通信管线与中央分隔带的路缘石在施工环节会发生交切碰撞，此信息的提出会为后期机电系统工程施工方带来更大的调整空间；图7显示出该构件与桥墩（灰色部分）存在碰撞，可能是管道、梁或其他桥梁下部结构的组成部分，如果管道或梁的设计位置与桥墩发生碰撞，可以通过重新布置这些构件来避免冲突。利用BIM软件的碰撞检测功能，工程师可以在虚拟环境中模拟和解决这些问题，从而减少现场施工中的风险和返工。

图6 道路碰撞检测图

图7 桥梁碰撞检测图

利用鸿城Infra Fuser对直径不大于1km的范围进行量方计算可以计算出该工程的填挖方数据，该项功能操作方便，仅需绘制所选区域并固定好采样区域和基面高程等参数便可对所属范围的工程进行有效计算。该互通多为挖方段，且挖方量较大，所选黄点布设区域内的挖方量超过60立方米，该项信息可为施工方提供填挖方的施工信息，为清表工程信息提供预算值，同时根据该挖方梁数据，可考虑在互通周围建立弃土场，控制整体运距。

交通仿真模拟与车辆模拟功能可帮助规划者和工程师在实际建设之前对交通基础设施进行可视化展示和评估，通过模拟交通流量预测交通拥堵点并评估道路容量，为后期交通管理和规划提供数据支持。该功能亦可用于测试和优化自动驾驶车辆在复杂交通环境中的性能。在鸿城Infra Fuser中对各匝道进行交通仿真和车辆模拟，检查各匝道的安全视距是否充分、加减速车道长度是否满足要求，若不满足，需及时调整匝道参数，尽可能地减少后期施工的损失。

鸿城Infra Fuser的“故事汇”交互式汇报可将三维场景中的多样化数据进行组合搭配，模型汇报一体化沉浸式展示，使汇报方案立体化、专业化，可显著提高汇报质量。鸿城Infra Fuser的“故事汇”功能可提供多种项目汇报模板，同类型项目可快速进行复用，为项目汇报提供快速、高效的交互式汇报方案。图8为通过“故事汇”展示出的石桥互通VR场景与交互信息交叉组成的汇报展示，在汇报时，项目管理人员和设计、施工参与者能够对互通各分项工程有更为细致的了解。

图8 石桥互通“故事汇”展示图

5施工设计图成果比对

BIM正向设计的特点是以三维BIM模型为出发点和数据源，完成从方案设计到施工图设计的全过程任务，甚至到技术成熟之时可直接忽略掉二维施工设计图设计这一步骤。在经过方案论证和优化后，即可利用数维道路设计软件的方案设计板块进行施工图设计并导出为dwg格式。经数维道路设计软件导出的施工图设计包含了平面设计图、纵断面设计图、标准横断面设计图、一般路基设计图、直曲表、纵坡竖曲线表和路基设计表等。

经数维道路设计软件导出的交叉路线平面设计图显示了填挖方信息、立交桥位布设、车道横断面、交叉合流、平曲线半径、缓和曲线长度以及大小鼻端设计等较为详细的信息；经数维道路设计软件导出的纵断面设计图清晰地显示出了自然地面线、桥梁纵断面与高程信息、设计线位以及传统施工设计图所拥有的所有信息。较为方便的是，数维道路2.5版本可兼容Auto CAD软件查看并调整道路施工设计图，该项功能的发布可为数维道路设计软件提供更多的辅助软件（本项目采用了Auto CAD和EICAD作为辅助设计软件），以帮助其设计出更为合理的施工图纸。

6总结

BIM正向设计通过在项目的各个阶段使用和维护统一的数字模型，实现了设计、施工和运营的无缝衔接，提高了设计质量、施工效率和管理水平。这种方法不仅有助于减少设计冲突和施工变更，还为后期运营和维护提供了宝贵的数据支持。然而BIM正向设计依然面临着各种各样的挑战，一是专业人才的匮乏，在BIM正向设计概念未提出之前，全国各设计院、施工单位已开始引进BIM“翻模”技术，各大高校均以“翻模”技术作为课程教学方向，将全新的设计理念从源头到实践的彻底转变将会是一个全新且漫长的过程；二是软件开发具有较大挑战，BIM正向设计软件将为土建、机电、装饰等施工方提供服务，而前端开发人员需为客户建立完善的BIM标准体系、设计流程和交付方式，如果无法输出满足规范的图纸成果，将会造成不必要的损失和工期延误。

BIM正向设计的最终目的是提供准确的三维信息模型，自动生成二维图纸，推动设计思维、工作流程、协同方式乃至建设模式的深刻改变，是传统的勘察和设计流程发生质的变革，推动BIM正向设计技术可以实现BIM技术在交通领域的应用价值。