公路工程论文(论文分享∣公路工程数智化设计生产系统的研究)

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■ 本文刊载于《中国勘察设计》2021年2月总第341期

前言
以CAD、CAE、BIM等研发设计类工业软件为代表的数智化技术，在公路工程设计行业的转型升级中扮演了无可替代的角色，但这类工业软件面临的“卡脖子”困局早有端倪。因此，笔者所在的交通运输部建筑信息模型（BIM）技术应用交通运输行业研发中心（云南）自2016年起，充分利用以CAD、CAE、BIM为代表的数智化技术，针对公路工程设计做全面的数智化改造，倾力打造了一款公路BIM“中国芯”——“公路工程设计BIM系统”，以期促进公路工程设计行业能早日实现“积极应用自主可控的BIM技术，加快构建数字设计基础平台和集成系统，实现工程设计、工艺、制造的协同”，推动公路工程设计行业的数智化转型升级。
内容节选

工程物参数分析
工程物参数的数量往往很巨大，并且受困于一系列的影响参数，如控制参数、环境参数和必要的性能参数等等。工程物参数按取值方式可以分成三类：可标准化的参数，可智能化的参数，创新设计的参数。
（1）可标准化的参数。指设计生产工作中经过多年工程实践经验积累，已经被标准图、通用图等形式规定取值的参数，这类参数占比大约占70%。
（2）可智能化的参数。指通过设计原则、经验规则等能够智能化自动确定的参数，这类参数大约占20%。
（3）创新设计的参数。指需要设计工程师根据工程具体情况来现场决定的参数，这类参数大约占10%。
其中，70%、20%、10%这个比例是以施工图设计的标准来划定的。在初步设计阶段，可智能化的参数可能上升到25%，创新设计的参数也就下降到只有5%；在工可、方案设计阶段，可智能化的参数甚至可能达到29%，创新性参数只剩下1%。这个比例其实反映了一个国家的工程设计水平，如果可标准化的参数和可智能化的参数的整体比例很高，那就说明这个国家的工程设计水平非常高。在数智化转型升级过程中，以BIM技术为代表的这些数智化技术及应用手段是否考虑了这三类参数的分布规律，直接关系到这些技术手段的落地效果情况。

工程设计过程分析
通过进一步调研和分析，当前公路工程设计工作在设计资料、关联信息、设计信息量、图纸成果、协商沟通、过程管理等方面存在着诸多问题，结合各类数智化技术的特点，我们提出了解决这些问题的技术思路，以期指导“公路工程设计BIM系统”这款数智化设计生产系统的研发工作，如下表所示。
△公路工程设计现状及数智化的技术思路

数智化设计生产系统的技术路线
“公路工程设计BIM系统”的研发正是系统性地面对工程物参数的完整性及设计过程的复杂性，充分利用BIM、互联网等数智化技术从三个维度对上述工程设计过程进行数智化改造。
△技术路线

数智化设计生产系统的功能概述
（1）公路工程设计BIM系统总体设计子系统。系统能完成从路线方案研究到施工图设计阶段的设计工作，完全实现了平、纵、横联动设计；在进行平面线形设计、纵断面设计及超高加宽设计时，系统会自动结合最新规范并辅以智能的分析计算，实时地提醒用户进行合理性控制。实现了桥梁、隧道、边坡等构造物的三维模型快速生成、工程数量实时提取，同时支持多路线间的方案比选。在不同设计阶段，均能以BIM模型为基础快速生成相关图表成果，出图和算量的精准程度得到有效保障。
（2）公路工程设计BIM系统路基设计子系统。以可视化的三维设计环境、先进的设计理念、丰富便捷的交互设计功能，给设计人员带来了一把专业利器。使用该系统，可实现单个设计人员一天内轻松完成超过100KM的各等级公路的路基路面设计建模工作，并且一键生成所需的图纸和表格成果，系统建模功能强大，能够满足包括边坡、支挡、排水、路面、取弃土场、路基处治、土石方调配等在内的几乎所有路基路面专业方向的设计需求，并且实时生成了精细的三维模型，使得设计人员不再为了手工工作量繁重的“生产”任务而发愁，可以把更多的精力投入到方案的比选优化中去，真正回归到“设计”本质上来，显著提高了设计效率和设计质量。
（3）公路工程设计BIM系统电子沙盘子系统。作为整个系统的协同共享平台，电子沙盘子系统能够即时集成总体、路基、桥梁、涵洞、隧道、交安、资料等子系统协同工作的最新成果，团队成员可以基于最新集成成果进行交流、沟通。
（4）公路工程设计BIM系统涵洞设计子系统。涵洞子系统是满足公路、市政、铁路等工程涵洞设计的通用软件，能帮助设计师实现涵洞的自动布设，输出涵洞图纸、图表并计算工程量，极大地简化了以往涵洞设计的各种繁琐过程，让涵洞设计变得更简单、直观。
（5）公路工程设计BIM系统隧道设计子系统。隧道子系统融合了BIM技术，重点解决了隧道设计过程中比较繁琐的隧道内轮廓、洞门、平纵等设计问题和非通用图部分的图纸绘制问题，大大降低了隧道设计的难度，同时提高了设计效率。
（6）公路工程设计BIM系统交安设计子系统。交安子系统以智能设计为主、交互设计为补充，借助于强大的设计经验库思想，实现了交安设计的标准化、自动化和智能化；基于实景三维设计环境，使得交安设施的设计过程形象生动，方案核查简单直观，设计效率得到极大地提升；设计方案完成后可一键提交交安工程的三维模型及二维图纸。
（7）公路工程设计BIM系统资料管理子系统。资料管理子系统是基于互联网、物联网、云计算等技术的“互联网+”云数据管理平台，为公路勘察设计行业提供专业、易用的云服务平台，本次推出的“外业调查”模块旨在提高外业调查现场编录及后续数据管理的工作效率和质量，同时还可以与其他设计子系统无缝对接，为设计阶段提供精准的基础资料，提高协同工作效率。

总结与展望
“公路工程设计BIM系统”已成功运用于云南江川至召夸高速公路、广西桂林至钦州港高速公路（鹿寨-鱼峰段）、湖北宜都至来凤高速公路宜昌段等数十个项目的工可、初设或施工图设计中。经过实际项目应用，充分证明了数智化设计生产系统可让设计人员更直观清晰地了解项目沿线情况，高效地形成设计方案，有效降低设计难度，进而提高了设计的整体性能和准确性；让业主对项目建设的判断更加直接、高效、明确，从而做出更为客观的决策，提高了决策效率，降低了决策成本；高效便捷的协同工作压缩了管理层次，提高了沟通效率，还能化串行为并行；同时避免了公路设计各专业沟通不及时而造成不必要的设计错误，也大幅减少了由于局部修改导致的大量重复设计，避免了不同设计阶段不同成果间的信息冲突，使得设计和审核工作量大大减少，缩短了设计周期，提高了设计质量和效率并降低了设计成本。
“公路工程设计BIM系统”的研发及实践应用，初步实现了公路工程各专业的数智化设计生产。随着物联网、移动互联网、大数据、人工智能等各种新兴的数智化技术的蓬勃发展以及工程设计企业数智化转型升级的更高层次要求，数智化技术深度融合应用于工程设计技术有着更加广阔的发展空间，笔者团队也将就此做更进一步研究开发，推动公路工程设计行业的数智化转型升级。

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