公路设计BIM正向设计理念探讨

| 工程设计 | Engineering Design2019年第5期

公路设计BIM正向设计理念探讨

王文虎，张易辰

（宁夏公路勘察设计院有限责任公司，宁夏 银川 750004）

摘 要：随着BIM技术的发展，公路设计行业的BIM应用也越来多。相比传统设计模式BIM技术有很多优势，但在现阶段，很多设计还是先设计二维图纸，然后将二维图纸翻模成为三维模型，这不仅没有充分发挥出BIM技术的优势，反而降低了生产效率。公路设计BIM正向设计能很好地解决这一问题，从而提高工作效率，提升产品质量。关键词：BIM；正向设计；公路设计；三维化；参数化；关联化中图分类号：U412.6 文献标志码：A 文章编号：2096-2789（2019）05-0190-02 DOI:10.19537/j.cnki.2096-2789.2019.05.100

1 BIM技术优势

科学技术的进步和电子计算机的迅速发展，推动着土木设计行业发生着巨大的变革。如果说20世纪90年代计算机绘图代替手工绘图一场设计领域革命的话，那么，21世纪的一场新的变革正在进行，其影响意义甚至比第一次更为深远。

如图1所见，传统的设计中总是使用二维的图纸去描述三维的设计产品，其局限性很明显，抽象不直观，描述复杂的空间三维实体困难。传统设计过程可以描述为从真实的三维世界中采集三维信息（利用RTK踩点），通过二维手段处理成地形图（在CAD软件中进行展点，绘制地形图），设计出图（利用纬地、EICAD等公路设计软件设计），最终用二维图纸去描述一个三维设计产品，这一反复过程容易出现疏漏。利用BIM技术将有效解决这一问题，设计产品以虚拟的三维模型呈现，人们能够直观、高效地对设计方案作出决策和变更，检查、更正设计中的纰漏、错误，通过模型与周围环境的模拟分析，可以进一步优化设计。能够快速统计工程量，缩短设计周期，提高效益。模型向下游传递，施工方可以进行施工模拟、进度管理、模板加工等，业主方可以进行归档、运营维护、养护管理等，从而增加了设计的附加效益。

图1 传统设计与BIM设计流程

2 BIM正向设计理念

随着BIM技术发展，其在设计行业的应用也越来越广泛，但一些现象值得注意，许多设计仍是首先进行二

作者简介：王文虎（1986—），男，硕士，工程师，研究方向:公路立交设计；张易辰（1988—），男，本科，工程师，研究方向:公路设计，BIM应用。

维图纸设计[1]，然后翻模成为三维产品进行分析、检查，这样的设计流程不但没有缩短设计周期，反而增加了设计成本。在BIM技术发展较晚的公路设计领域，该现象尤为普遍。其主要原因是BIM技术应用还在探索阶段，相关软件还待完善。现今，公路设计行业迫切需要的是基于BIM技术的正向设计。

BIM的正向设计是在高精度的数字三维地形环境模型中，直接利用相关软件，设计三维设计产品的过程称为公路行业BIM技术的正向设计。从设计初始，道路、桥涵、隧道等构筑物就会以三维实体的形式呈现在三维地形中，直至设计结束，所有的过程都是在三维环境中进行的，最后的交付产品也将是三维模型。

设计初期，设计人员可以只关心构造物重要尺寸，如挡墙厚度、高度，排水沟位置，桥梁跨径等，模型可以相对粗糙，甚至可以用简单的立方体代表一所房子，一处挡墙，只要它能满足当前设计要求即可。随着设计的深入，模型将进一步精细化，直至达到施工图设计精度要求。随着BIM技术应用的积累，构件库的不断完善，在设计工预可阶段，模型就有可能达到施工图阶段的精度要求，只需调整模型相关参数，放到合适位置即可，后续工作只是进一步的方案优化而已。

3 BIM正向设计实现

公路设计BIM正向设计核心在于快速建模。一项技术能否推广的关键在于这项技术能否提高效率，节约成本，使人们从繁琐的重复劳动中解放出来，将更多的精力和时间放到设计的关键环节上。

公路快速建模较房建建模较难实现的主要原因是公路设计的控制中线（道路中心线）是一条三维空间曲线，这较房建的控制轴网和标高都复杂一些，公路设计的其他构造物都是受这条空间曲线控制的。还有一些部件受地形控制，如道路边坡、桥台锥坡等，都需与地面相交。地形起伏不平也使得公路建模的难度增加。根据公路设计的自身特点，快速建模可以通过以下原则去实现。

（1）三维化。设计产品应该直接进行三维化设计。如图2所示，一件产品的三维化完成后，也就意味着其正、侧、顶视图都已完成，可以将这些视图看作它自身的属性，而剖面图只需对模型剖切即可。任何方向的投影、剖面都可以通过程序快速生成，而传统设计中的每一个投影、剖面图都需要重新绘制，同时还面临着将概念三维产品抽象成为二维平面过程中出错的风险，这种风险随着模型的复杂程度迅速增长。三维产品自身的两个属性表面积和体积是工程提量的基础，设计人员只需通过

2019年第5期程序查询这两个属性即可，其精度和效率比传统的手工计算方法提高数倍，尤其是在面对带有曲面模型的状况下。三维化设计产品的优势是不言而喻的，直接进行三维化产品设计是快速建模的基本要求。

图2 产品三维化

（2）参数化。如图3所示，参数化是对构件的尺寸、形状、材料进行参数化控制。一个构件的形状一般是保持不变的，但其尺寸大小可能会随项目的不同而不同，参数化控制以后，同一个构件可以进行简单的参数改变就可以用于另一个项目，这样就避免模型的重复建立。甚至相同的构件的形状也可以进行参数化控制，圆形的支座通过参数更改可以马上变成方形，这样更提高了模型的生产效率。同类构件的材料可能随项目、使用位置、工艺的不同而变化，参数化材料后，可以方便更改材料属性，统计不同材料工程量。Revit软件中的族是典型的参数化构件模型，族的尺寸等参数可预先设置，也可以建立以后再进行更改。参数化是快速建模的核心内容。

图3 构件参数化

（3）关联化。公路的构件模型需要与道路中线相关联。路面构件的中心位置一般应该与路线中心线相关联，高程起点与路中心线高程关联，路肩墙顶面高程应与土路肩边线高程关联，边坡起始应与土路肩关联，终

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点位置与地面关联等。关联后的构件才可以随道路中心线一起联动，这样才可以实现快速建模，达到“画线成路”的效果，如图4所示。同时，这种联动的模型也为后期的变更设计提供了很大的方便。Infraworks中的道路绘制功能很好地体现关联化建模的优越性，定制好横断面样式以后，直接在三维地形上绘制道路中线后，即可生成带有路面各构件及边坡的道路模型。而桥梁快速建模只需指定跨径、起终点桩号即可，隧道亦同。

图4 “画线成路”

一般的三维产品只需要x、y、z的笛卡尔直角坐标系即可控制其在空间中的位置，而在公路设计中，应该以路中心线为一维，偏距为一维，z向或者相对于路面的高差为一维建立坐标系，这样才方便定位，实现公路三维模型之间的关联设计。关联化是快速建模的实现途径。

4 结束语

相信随着BIM技术在公路设计领域的不断实践探索，正向设计的理念将会逐步实现，并在公路设计行业发挥巨大作用，使设计人员从重复的二维图纸绘制工作中解放出来，将更多的时间、精力投入方案比选、设计优化中去，这样才能更好地提高设计效率，提升产品质量，展现BIM技术价值。

参考文献：

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