交通设计行业正在经历从传统的二维到三维的转变升级，而BIM技术是这场变革的助推器。从目前的工程建管养体制来看，利用BIM技术将设计、施工、运维从各个阶段分离向工程一体化方向发展。BIM的应用，不只是单纯地针对设计过程的三维建模，而应以整个工程为对象，融合数字化、信息化、互联网、物联网等技术的综合应用。
另外，BIM相关的软件也应从现在的通用性向专业性转化，并能构建数据互联环境，让数据可以在多款软件之间互联互通。配套的BIM标准，需要从行业、地方、企业等层面上统一标准，不仅是设计标准，施工及养护应用标准也需要统一。因此，交通行业的BIM应用逐步向正向设计、数字化移交、建管应用、交通智慧化方向发展。
BIM正向设计的解决方案
全生命周期正向设计的痛点
一个工程的生命周期要经历很多个阶段，从规划开始到设计建造，再到运维。即便在设计阶段，也要经过工可、初步设计、施工图设计。因此，BIM最大的价值在于工程全生命周期应用，但关键和源头还是在设计阶段。
针对日趋复杂的工程，传统的二维设计手段已经难以满足需求。而BIM正向设计数字化方法，是提升设计质量的有效手段。
BIM正向设计需要建立完备又精准的三维BIM模型，将数字化成果移交到施工建造(数字化施工与管理)、运维资产管理等，最终建立工程的 “数字孪生” 模型，支撑数字工程、智慧交通。从目前的交通行业设计阶段BIM应用模式上分析，多数情况下先完成传统二维设计，再基于图纸 “翻模” 为三维BIM模型，在 “错、漏、碰、缺” 检查方面具备应用价值。但由于BIM设计应用的滞后性，再加之交通行业线性工程 “线长、点多、面广” 的特点，翻模工作量巨大，存在BIM模型与图纸 “两张皮” 现象，以图纸为中心的设计模式，设计过程难以实现与设计内容协同。
总结交通行业BIM正向设计的5个要点是：真实精准的三维设计基础环境；工程参数化三维BIM协同设计；BIM专业分析、模拟与仿真；BIM “剖切” 出工程图表；BIM设计成果数字化交付。
因此，针对正向设计的痛点，现在与未来的发展模式应以BIM模型为主，辅以图纸，将数字模型和图纸一起作为设计成果进行交付。
构建基础环境的解决方案
一般来讲，构建一个项目的BIM设计基础环境模型，包括地面数字模型（DTM）、实景模型、地质模型、地下现状管线管网模型、沿线各种控制因素模型等，通过三维数字化建模技术集成和融合这些模型，最终形成项目可视化、可测量的精准三维基础环境模型，为展开各专业BIM正向设计提供基础数据支撑。
道路BIM设计解决方案
道路BIM设计解决方案中路线总体部分至关重要，沿线构造物(如桥梁、隧道等)的设计直接依赖于路线总体，当然也依赖于地形地质条件等。要实现道路BIM协同设计，首先要解决与路线的协同设计，实现协同设计的关键是工程数据参数化、依赖规则以及数据共享。路线平面设计和纵断面设计根据主线和匝道选择交点法和元素法，参数化控制几何线位，单个线元依赖于控制因素点，各线元之间建立依赖规则，匝道几何线形依赖于主线，通过几何对象上附加特征来定义工程上的路线主线与匝道。再如，路线对象上固化的里程桩号等工程信息，除几何参数以外包含大量工程信息的对象构成了路线BIM。对于道路工程中的路基、路面、支挡防护等BIM设计的关键是参数化横断面设计，基于路线和地面模型横断面三维放置放样,通过参数变量控制、特征边线控制，建立任意变宽、过渡的复杂道路模型,建立的道路BIM模型具备工程量统计、土石方计算、占地界限等专业应用。对于道路工程中涉及的收费站、停靠站等采用参数化组件化设计与布设，最终形成道路工程BIM模型。一般地，三维道路设计通过参考引用方式使用路线BIM，参考对象的变更根据规则联动更新，从而实现道路工程BIM协同设计。
道路横断面与三维道路设计
桥梁BIM设计解决方案
桥梁工程按桥型、施工方法不同，桥梁BIM设计解决方案略有不同，以梁式桥为例，通常结构分为上部、下部、桥面系及附属结构。下部及附属结构适合建立参数化BIM构件库，比如盖梁、墩柱、基础等常见部件进行参数化，通过自由组合部件以及放置自适应设计达到构件快速复用。上部结构设计与曲线、变宽、变高、超高密切相关，一般不适合采用类似下部结构构件库方法来实现。如预制装配式小箱梁/T梁/板梁、节段预制箱梁、钢箱梁、钢板梁等难以采用一种通用的建模方法。如何精准三维设计与定位是难点，根据工程模型颗粒度要求，采用分解到最小工程构件之后进行参数化，最小构件之间建立依赖规则形成组合构件，基于路线桩号精准定位，最终形成参数化的上部结构。目前在预制装配式梁、节段预制箱梁、钢箱梁、钢板梁结构中实现了BIM设计，桥梁模型符合工程分解结构（EBS）要求。
钢箱梁桥案例
隧道BIM设计解决方案
隧道工程常见的有公路山岭隧道和城市地下隧道，不同的工法如盾构、明挖、沉管等对BIM模型的要求有很大的不同，尤其是城市地下隧道断面形式变化多样，对隧道BIM设计要求高，定义一套灵活的参数化断面模板，是实现隧道BIM参数化设计的关键，包括建筑限界、内轮廓、衬砌结构、围护、路面结构、排水设施等工程构件的参数化。隧道BIM设计依赖于路线和地质模型，实现隧道与路线、地质BIM协同设计。隧道模型符合工程分解结构（EBS）要求。
公路山岭隧道
城市地下隧道
道路BIM出图解决方案
基于BIM模型“剖切”出图出表，是正向设计一个关键环节，与传统的绘图不同，图纸是从模型上“视图剖切”和信息抽取，图纸与模型关联且一致，最终与模型一起数字化交付。由于BIM模型包含设计所有特征信息，可以实现一键式快速出图，在标注方面也可实现自动化，通过定义出图样式模板，基本可以满足行业交付要求。
道路剖切出图演示
数字化交付解决方案
数字化交付的核心是交付内容、方式与平台。数字交付的内容可以是图纸、模型、信息。而这些都可以从桌面端、移动端和Web端获取。
改扩建工程中的正向设计思路
以深圳梅观高速公路市政化改扩建工程中的BIM技术应用为例。该项目全长8km，单公里的造价达到1.6亿元。但路网密度大、立体交叉多、地下管网复杂、交通繁忙、拆迁困难、专业多协调难度大。正因如此，我们全面采用BIM正向设计技术开展设计工作。
对基础环境进行构建，将DTM、地质、管线、实景模型集成，最终形成三维基础环境信息模型，为BIM正向设计提供精准数据支持。在这个项目里涉及多种专业，道路、桥梁、综合管廊、景观绿化等全部体现在同一个BIM设计模型中，通过立体化、可视化的方式达到多专业沟通协调的目的。对改扩建前后的模型进行融合叠加，用动态可视化的方式将整个拆迁的情况展示给业主和其他参与方，直观地看到整个设计方案。
BIM技术涉及工程生命周期的各个阶段，在将某一阶段的数据交付给下一个阶段时，往往因为使用的BIM软件不同或标准不统一，造成在各阶段传递数据严重丢失，甚至无法正确地传递到下一阶段。因此，我们也一直在研究如何能保证正向设计的过程是顺畅的。尝试将正向设计的数据进行抽象化处理，完善工程的参数化、标准化建模，并覆盖到全专业，至少这样可以确保在设计阶段应用BIM的价值更大。
本文刊载 /《桥梁 · BIM视界》杂志 2020年 第3期 总第14期
作者 / 祝兴虎
作者单位 / 中交第一公路勘察设计研究院有限公司
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