目前在国内，BIM技术广泛应用于工程行业，且以设计单位应用为主。公路行业相对于建筑行业的BIM应用虽然起步稍晚，但近些年也有了长足的进步，特别是新建高速公路、大型桥梁等工程，都取得了不错的应用效果。但是目前国内针对大型改扩建高速公路项目的BIM应用成功案例还不多，并没有太多可借鉴的应用经验，对于公路行业的BIM应用又是一个全新的挑战。
目前在国内，BIM技术广泛应用于工程行业，且以设计单位应用为主。公路行业相对于建筑行业的BIM应用虽然起步稍晚，但近些年也有了长足的进步，特别是新建高速公路、大型桥梁等工程，都取得了不错的应用效果。但是目前国内针对大型改扩建高速公路项目的BIM应用成功案例还不多，并没有太多可借鉴的应用经验，对于公路行业的BIM应用又是一个全新的挑战。
本项目总体呈南北走向，以两侧整体拼宽方案为主，局部路段采用单侧分离新建的扩建方式由4车道扩建为8车道，总里程157.79公里。本项目现役桥梁规模大，既有道路情况复杂，受自然条件、地方规划、路网建设等条件约束改扩建形式复杂多样，工程方案项目建设难度大。该项目工程特点具体主要有：项目地位特殊，改扩建意义重大；改扩建形式多样，施工组织难度大；保通压力大，交通组织复杂；涉铁节点多，影响因素多。
模型创建
环境模型创建
基于本项目地形测绘成果及实测横断面测量成果,建立数字高程模型(DEM)，获得三维地形曲面。将项目高分辨率卫星测量、航空摄影测量、三维激光测量等多来源多精度的影像数据进行整理,并与实际地形进行匹配,形成项目的DOM数据。将整理形成的DEM数据与DOM数据融合,形成三维真实的项目区域地面环境模型。将项目范围内的环境影像因素和主要控制因素添加到地面模型中去,形成环境信息模型。
图1 项目环境模型
地质模型创建
根据项目提供的钻探数据、物探和地质调绘数据创建地质三维模型，将等高线数据导入建模软件生成地表模型，再导入钻孔数据、纵断面图进行处理，生成并编辑层面，生成三维实体地质模型。与此同时，利用Aglosgeo软件批量快速构建地质表面模型，实现项目重要节点的BIM三维地质模型。
图2 地质建模
老路模型创建
老路采用倾斜摄影模型与BIM模型相结合的方式进行还原，即路基段采用倾斜摄影模型，桥梁利用Revit和Civil 3D根据竣工图纸进行还原。
图3 现状老路模型
道路模型创建
路基及路面模型根据设计文件和我院自主研发的路线专家系统的BIM建模模块实现；挡土墙、排水沟等附属设施模型依照设计要求，结合我院的Civil 3D参数化部件库进行参数化生成。
常规桥梁模型
常规的预制结构桥梁模型，利用自主研发的桥梁BIM设计系统、Revit结合Dynamo进行参数化创建。
图4 预制结构桥梁模型
特殊桥梁
现浇箱梁桥梁模型，上构采用Civil 3D并结合部件编辑器创建，下构采用Revit创建。钢结构及斜拉桥模型则采用Tekla创建。
图5 变截面刚构桥模型
互通模型
利用我院自主研发的路线BIM设计系统及路易软件，快速准确地完成立交互通模型。
图6 立交互通模型
BIM技术应用
BIM+GIS总体方案研究
设计人员基于自主研发的“公路与城市道路BIM云平台”,将全线157.79km的基础空间数据、现状数据、设计方案进行整合,形成内容完善、结构合理、规范高效的三维空间数字沙盘,进行方案论证、比选、优化、多方协同、设计评审等工作,BIM应用不再是两张皮。
工点设计方案
三维交互式汇报
针对枢纽互通及特殊桥梁，设计负责人采用我院自主研发的三维交互式汇报平台，全面表达设计思路和改建方案，取代传统PPT的汇报模式，开创了工程行业数字化设计方案汇报的先河。
基于BIM技术
交通仿真分析
运用PTV-Vissim软件对工点路段的交通量进行分析和预测，为方案决策和交通组织设计优化提供数据基础，将分析结果完整导入三维交互式汇报平台，实现交通仿真三维可视化成果。
不同时期的交通量仿真分析。针对重点互通，展现了现状、建成后、2030年预测流量和2042年预测流量下的主线以及进出收费站的交通拥堵情况以及评价指标。
图7 不同时期的交通量仿真分析
局部节点仿真分析。对互通主线交织区、匝道汇入区、车道转换区进行仿真分析。
交通组织分析
交通组织是交通措施的集合，是个多目标系统的优化模型，其成果不容易表达，且由于交通组织是个根据时间、空间不停变化的过程，很难用固定的设计图纸表达清楚。并且施工期间，还必须同步进行交通分析和交通流模拟，保障已建公路的通车运营。
运用BIM技术，实现基于BIM模型的4D交通组织设计成果表达。即在三维环境下，加上时间因素，动态反映在整个改扩建项目中交通流的变化过程。
针对改扩建项目，通过构建BIM模型，结合交通分析及仿真软件，展示出重点工点的交通组织动态设计方案，从微观层面反映交通组织方案的合理性，便于项目各参与方进行沟通和交流。仿真分析流程如下：
第一步：根据交通组织方案绘制路网
第二步：根据交通量图表输入交通流量
第三步：制定信控方案
第四步：根据项目特点、交通组织方案和交通需求对驾驶行为、道路服务水平等进行仿真调整。
第五步：输出仿真结果
第六步：将仿真输出车流与BIM模型融合
第七步：在平台中添加时间轴，与模型对应。
项目要求四车道保通，BIM技术有效的辅助交叉节点保通设计方案分析与优化，加入时间轴形成动态的4D模型，实现根据交通组织阶段性变化进行动态分析的目标。
BIM软件与交通仿真软件集成应用，实现基于交通仿真分析结果数据驱动的虚拟场景展示，重点分析关键施工节点车辆通行能力的影响程度，为交通管理部门采取相关管理措施提供参考依据。
改扩建路面三维设计
为实现自动设计，我院开发了改扩建路面三维设计系统。根据新路设计线位与老路拟合线位的空间位置关系，确定平面拼宽形式，划分单侧拼宽、双侧拼宽、单双过渡等段落。针对每种工况，结合加铺抬高设计原则，通过程序自动计算各断面的加铺方案，从而实现路面结构自动设计，并生成路面结构横断面图。程序生成路面实体三维模型，并提取各结构层的体积、面积、厚度，以及既有道路沥青面层的铣刨工程量，从而实现本项目路面结构精确算量。
图8 路面结构三维模型
复杂桥梁结构精细化设计
本项目控制性节点工程主桥全长760m，跨径布置为（155+450+155）m，结构形式为双塔双索面混合-组合梁斜拉桥半漂浮体系，主塔采用H形、主梁为工字钢组合梁。运用Tekla作为结构深化设计的软件，建立主塔详细模型，计算钢筋工程量，输出施工图。
图9 参数化桥塔
采用Tekla对本项目中的桥梁钢桁架进行深化设计。按照轴网进行实体空间建模，并按构件受力性能划分主次，使次要杆件被主要杆件裁切，从而自动生成杆件端口的空间相交曲线，然后将空间模型中的每一个细部构件投影到各个视图平面上[3]，按照平面画法进行标注、整理，形成深化设计图。
图10 钢桁架模型
可视化技术交底
利用BIM技术对桥梁改扩建施工方案进行模拟，对施工过程进行虚拟建造，提前发现施工过程中可能存在的问题和风险，对施工方案进行合理的优化，确保施工过程安全可控。
互通式立体交叉改扩建是一个系统性工程，需要在最大限度保通的前提下，综合考虑拆除桥梁、新建便道、主线加宽、新建匝道等各项工作。特别是针对本项目，要重点考虑原构筑物的拆除问题，通过模型进行拆除方案模拟。
针对互通立交改建的施工难度大、交通转换复杂等情况，进行三维技术交底，通过BIM技术对施工组织进行三维可视化和4D施工管理，动态检查施工方案的可行性及存在的问题，实现施工工序和工法转换模式的可视化表达，确保施工全过程安全可控，交通组织合理可行。
图11 武汉北互通交通组织技术交底
互通立交净空核查
传统图纸一般只展示了平面或者纵面在几个关键点处的剖视图，不能全面、直观反映设计是否满足设计安全净空和间距要求。与以往基于设计图纸的核查不同，建立交叉处BIM模型，进行安全净空检查。
根据行业标准《公路路线设计规范》（JTG D20-2017）中公路建筑限界部分相关规定，采用BIM技术方法进行净空核查。按照规范建立道路模型的净空（体量）模型和构造物构建模型，以第一视角进行漫游快速检查，分析判断冲突位置，形成净空核查报告。
多模型整合后形成初步的总体道路设计规划模型，本项目涉及专业广、交叉点多，需对模型进行实时更新、校核与技术交底。进行项目的净空核查，避免专业冲突，减少设计失误，能有效避免设计事故。同时，通过施工模拟，能够直观地反映项目的施工组织，有利于把控项目施工期间的风险、成本和进度。
图12 跨线桥安全净空检查
数字化交付
基于 “公路与城市道路BIM云平台”，将设计阶段的重要信息和文件与BIM模型挂接，形成一套完整的设计阶段BIM数字资产作为后续阶段的重要参考依据，并预留与“建设管理系统”对接接口，完成本项目的数字化交付。
本项目的BIM技术应用包括了常规应用，也有一些具有突破意义的创新应用。如利用倾斜摄影与建模相结合的方式还原了老路模型，解决了改扩建工程BIM应用老路还原难的问题；采用自主知识产权的三维交互式汇报方式，最大限度发挥了BIM技术可视化的优势；打通专业交通仿真分析软件与BIM的数据通道，实现了基于BIM的交通仿真分析；自主研发BIM设计系统，实现了改扩建路面结构三维设计；完成了基于BIM技术的设计阶段数字化交付。本项目的BIM应用内容与工程设计联系紧密，具有广泛的借鉴意义，有助于提高项目的综合效益。
