一套模型干到底——柯诸高速公路BIM正向设计协同应用研究

2023年9月，交通运输部《关于推进公路数字化转型加快智慧公路建设发展的意见》提出发展目标：到2027年，公路数字化转型取得明显进展。构建公路设计、 施工、养护、运营等“一套模型、 一套数据”，基本实现全生命期数字化。同时推出“鼓励设计单位建立基于BIM的正向设计流程和协同设计平台，实现三维协同设计”“促进BIM 设计成果向施工传递” 等相关政策建议。

全专业的BIM正向设计协同及应用逐渐成为高速公路数字化发展的主流，跨专业、跨阶段的BIM正向设计协同应用研究是促进落实数字交通建设政策的重要途径。而目前高速公路BIM协同应用大多止于设计阶段，对设计到施工的跨阶段协同应用方面的研究及项目实例较少，如何实现设计BIM模型在施工阶段的应用是当下亟待解决的问题。

柯桥至诸暨高速公路（柯诸高速）路线全长约39.272公里。设枢纽互通2处，一般互通5处，服务区1处，停车区1处，收费站6处。同步建设漓渚、店口2 条互通连接线，共长约8.7公里。按照高速公路正向设计流程，进行同一平台下的地质、道路、桥梁、隧道、隧道机电和交安专业BIM正向协同设计。基于设计成果BIM模型实现方案展示、设计出图、复杂节点深化设计、工程量校核、二三维设计成果检验与交付等工作，发挥设计引领的作用，创新实现从设计阶段到施工阶段跨阶段BIM一体化应用。

本项目基于同一平台研发的地质、道路、桥梁、隧道、隧道机电和交安专业BIM正向设计系统，通过输入设计参数，驱动内嵌算法，自动创建各专业信息模型。基于自研的“BIM协同设计云平台”进行线上协同设计工作。在进行下游专业设计时，可通过数据接口按需读取其上游专业的模型位置、尺寸、工程属性等协同设计所需信息，实现各专业间的数据互通。如隧道系统自动读取地质信息模型获取围岩等级、地质地层等信息开展洞身分段、洞口开挖等设计；加载路线信息模型自动读取路线桩号、超高等数据精准创建洞身、路面结构模型；机电系统自动识别隧道结构模型，实现机电设备自动定位，参数化布设。通过模型相互参考的方式，实现各专业数据互通、协同设计，同时避免设计资料错误导致的不必要返工，提升了设计的效率和准确性，为快速建模奠定数据基础。

本项目研发采用数据驱动生成二维图纸的方法，区别于三维模型通过切图、投影等方式生成二维图纸，在二三维联动设计的基础上，实现二维设计修改联动模型、图纸更新的动态设计效果。如图1所示，在进行隧道洞门设计时，设计人员通过二维绘制洞门正、侧视图形状，自动创建隧道洞门三维模型并实现二三维模型的更新修改，通过设计数据及二维设计图元快速生成满足相关规范的设计图纸。本项目可进行地质、道路、桥梁、隧道、隧道机电和交安专业的正向设计出图，包含平、纵、断面图等主要图纸，工点图出图比例约70%，通用图出图比例在80%以上。

图1 隧道洞门二三维联动设计

通过读取外业采集的钻孔、调查点、物探、地形等数据，内嵌算法驱动自动创建柯诸项目三维地质模型，图2为三维地表模型，图3为三维地质模型。三维地质模型包含地层信息、承载力信息、围岩级别等地质数据。基于三维地质模型，一键生成项目工程地质平、纵断面图、横断面图，同时基于三维地质模型进行高边坡开挖土石方计算，土石比认定等工作，并为道路、桥梁、隧道结构计算分析提供数据协同。

图2 三维地表模型

图3 三维地质模型

通过读取三维地质模型相关地形、地物、地质数据，绘制道路平纵，确定桥、隧、涵洞等结构物布设，形成三维路线模型为桥、隧、交安、机电等专业建模提供路线数据。自动生成路线平、纵断面图，直曲、竖曲表、超高设计图等。根据标准断面和路面结构一键生成柯诸项目全线路基段模型。根据道路周边控制点，调整边坡坡度，增设挡墙。根据地质信息增设软土地基的桩基处理。如图4所示，针对本项目多处高边坡路段地质条件差，利用地质+高边坡结构BIM模型，开展精确土石方量计算为施工阶段的施工组织方案编制和工程计量提供数据支撑，支持对地质薄弱区域的高边坡施工过程及完工后进行持续监测，以便及时采取有效措施，避免安全隐患。

图4 地质+高边坡结构BIM模型

读取路线三维信息模型数据，快速定位桥梁起、终点位置，读取宽度、超高，准确计算桥梁高程。根据主梁形式的变化可自动计算出湿接缝宽度、支座垫石位置与主梁个数，挡块长度与盖梁宽度自适应，快速生成柯诸项目全线桥梁三维信息模型。采用“积木式”方式配置下部结构功能，各构件参数自由控制、添加，极大地增强了下部结构标准库的灵活性，满足本项目中98%以上的下部结构需求。基于桥梁信息模型，一键生成桥型布置图、主梁布置图、桥墩一般构造图、盖梁钢筋构造图、桩柱钢筋构造图等。图5为湖西大桥模型。

a 主体模型

 b 钢筋模型

图5 湖西大桥模型及图表

通过加载路线和地质地形三维信息模型数据，创建三维建模环境。加载路线模型自动读取路线桩号、超高等数据精准创建洞身、路面结构模型。读取地质信息模型获取围岩等级、地质地层等信息，展开洞身自动分段，匹配衬砌断面、施工工法、支护方法、批量创建洞身、紧急停车带模型，并快速定位车通、人通位置；通过自研剪切功能，一键处理设备洞室、横通道、主洞之间的相互剪裁；参数化支护建模，轻量化支护展示，根据设计参数创建管棚、超前小导管、径向锚杆等模型；批量钢筋建模，支持钢筋线性显示和实体化生成；基于衬砌断面信息，给定排水相关设计参数，自适应完成横向、纵向、环向排水设施设计（含暗井、检查井），结合图纸与真实三维洞口地质地形环境，多维度剪切完成参数化洞门建模，创建本项目朱家坞、黄山畈、梅里等8座隧道精细化BIM模型，图6为梅里隧道模型。基于隧道信息模型，一键生成各隧道平纵断面图、各围岩等级衬砌图、设备洞室布置图、超前支护图等，如图7所示。

图6 梅里隧道BIM模型

图7 湖西隧道平、纵、断面二维图纸

读取路线、隧道三维信息模型数据，开展隧道照明、通风、监控、预留预埋设计，进行照明计算、通风计算，隧道机电设备布设，隧道机电图纸生成以及工程数量表出具，隧道机电模型见图8。读取路线数据，结合桥梁、隧道、互通等结构信息，自动计算生成标线、标牌、防护等交安三维信息模型，一键生成标志平面布置图、标线布设图、路侧护栏设计图等，交安设施模型见图9。

图8 瓦爿顶隧道机电总装模型

图9 姚江互通交安模型

实现设计BIM模型转化成施工BIM模型，重点是如何将设计BIM模型按照施工分部分项划分规则自动切分生成并在此基础上批量自动挂接WBS编码，以适应施工阶段的BIM应用。高速公路项目的WBS编码组成复杂多变，没有统一的固定格式要求，导致模型存在多种切分形式。不同类型构件的切分形式不一致，对如何实现模型分类切分提出更高要求。基于正向设计获取的三维模型各构件间有着严格的数据等级关系，各构件之间有单独的图层并由设计数据控制。通过研究切分算法，开发模型切分工具，实现不同类型构件按种类、桩号、长度等多种方式自由组合切分。通过自研WBS编码系统，根据施工分部分项划分规则，自定义不同项目编码形式，在已切分模型的基础上读取模型层级结构信息，一键附加施工WBS编码。为本项目中的瓦爿顶隧道模型实现了按里程进行构件切分、WBS编码自动挂接及动态设计变更功能。切分后的模型用于施工平台的进度、质量、安全、计量模块及开展施工阶段的桥梁桩位坐标复核、隧道预留预埋管控等应用，实现从设计到施工的跨阶段协同应用。

施工准备阶段，在自研BIM项目建设管理系统中开展净空核查，预先发现各专业融合中出现的碰漏错缺等问题，在施工前发现问题解决问题，减少二次施工带来的资源浪费。如图10所示，基于BIM模型，对姚江枢纽17处上跨、下穿现状诸永高速节点及航道桥进行交通空间的车行道竖向净高和侧向净宽进行监测分析，提高设计质量。

图10 净空核查

为减少施工期学院路大桥、大侣互通对现状学院路、03省道交通影响，优化交通组织方案，如图11所示，预先通过BIM三维模拟多种交通组织方案并制作动画展示，预演交通运行状态，进行交通导改和交通疏解的对比分析，优化提升方案的可行性。

图11 交通组织模拟

如图12所示，本项目朱家坞隧道分两标段相向施工，基于BIM模型提前联合模拟推演两方施工方案，精准分析两个标段的施工进度耦合关键点，提前预知管控关键点，大幅提升工程建设期进度的精细化控制。通过此种方式，保证施工方案的可操作性和前沿性，实现对工程项目虚拟施工方案的全面优化。

图12 施工组织模拟

通过自研桥梁桩位坐标复核工具，读取施工BIM模型桥梁桩基编码属性信息，自动统计中桩位坐标信息，以报表形式输出，将施工数据与设计数据进行自动校核，极大提高了施工效率与质量。

通过协同BIM正向设计高效精准建模隧道机电设施设备的预留预埋管路及预埋件。核查与隧道构筑物、管道间的软、硬碰撞，错埋、漏埋的现象，避免后续开槽施工带来的资源重复投入。通过自研的隧道预留预埋平台开展机电预留预埋进度管控，有效把控施工进度。

本文结合柯诸高速项目，从多专业BIM正向设计协同、跨阶段一体化协同应用方面研究了高速公路BIM正向设计协同应用方法。基于BIM协同设计云平台实现地质、道路、桥梁、隧道、隧道机电和交安专业之间数据协同，使设计基础资料高度集成，极大提升BIM正向设计的建模及出图效率。根据项目WBS编码规则对设计BIM模型“切分-赋码”并开展施工阶段BIM应用，避免了工程不同阶段重复建模，通过三维模型辅助指导施工，实现设计向施工阶段信息传递使用。为以设计为源头的BIM技术在全寿命周期一体化应用在公路行业真正落地提供成果经验，对促进公路数字化转型升级提供重要支撑。