溫 博，鄧祥明，韋瀟樹

(1.廣西南天高速公路有限公司，廣西 南寧 530022；2.廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

國內(nèi)公路行業(yè)發(fā)展迅速，競爭激烈，對(duì)勘察設(shè)計(jì)成果質(zhì)量也提出新的要求，公路工程項(xiàng)目應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)逐漸形成趨勢[1]。BIM技術(shù)以信息流為核心，具有數(shù)據(jù)集成、可視化、高仿真、高協(xié)同等優(yōu)勢，能更好地適用于交通領(lǐng)域，是傳統(tǒng)工程向數(shù)字化工程轉(zhuǎn)型升級(jí)的有效手段[2]。在公路工程勘察設(shè)計(jì)階段，應(yīng)用BIM技術(shù)能夠體現(xiàn)出其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢，如三維選線、專業(yè)之間數(shù)據(jù)共享及高效協(xié)同設(shè)計(jì)、工程量自動(dòng)計(jì)算與統(tǒng)計(jì)等[3]。目前BIM技術(shù)在建筑工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛且逐漸成熟，但在公路工程領(lǐng)域仍然缺乏深入的研究及應(yīng)用[4]。大多數(shù)公路項(xiàng)目應(yīng)用BIM技術(shù)還需要依靠傳統(tǒng)CAD圖紙進(jìn)行三維建模，基于三維BIM正向設(shè)計(jì)的公路工程軟件仍然處于探索發(fā)展階段，尚未能做到真正的正向設(shè)計(jì)[5]。本文基于廣西某山區(qū)高速公路工程，闡述了BIM技術(shù)的應(yīng)用目標(biāo)、BIM+GIS三維建模、外業(yè)資料管理、三維布線、各專業(yè)三維正向設(shè)計(jì)等方面內(nèi)容，同時(shí)為高速公路項(xiàng)目應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行正向設(shè)計(jì)提供技術(shù)借鑒與工程示范。

1 工程概況

本項(xiàng)目處于施工圖設(shè)計(jì)階段，路線全長約43.967 km，路基寬度為26 m，雙向四車道。本項(xiàng)目沿線地貌單元?jiǎng)澐譃閯兾g丘陵地貌、剝蝕低山地貌、山前平原地貌，路線前期初步線位沿河谷兩岸布線，地質(zhì)地貌條件復(fù)雜多變，路線范圍內(nèi)存在較多的高邊坡，局部路段土質(zhì)疏松。該項(xiàng)目業(yè)主在設(shè)計(jì)招標(biāo)階段就明確要求項(xiàng)目提交文件中應(yīng)包含BIM設(shè)計(jì)成果。因此在勘察設(shè)計(jì)階段需基于BIM技術(shù)對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行整體把控，應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行三維正向設(shè)計(jì)，為提高項(xiàng)目勘察設(shè)計(jì)質(zhì)量提供良好的技術(shù)支撐。

2 BIM應(yīng)用目標(biāo)

針對(duì)傳統(tǒng)二維平面設(shè)計(jì)中存在的不直觀、不高效等問題，采用基于BIM技術(shù)的外業(yè)調(diào)查、BIM+GIS三維建模、三維選線、可視化分析比選、專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)、成果快速輸出等手段，提高整個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)質(zhì)量。同時(shí)將項(xiàng)目打造成為基于BIM技術(shù)進(jìn)行三維數(shù)字化正向設(shè)計(jì)的公路示范工程，為提升廣西高速公路項(xiàng)目設(shè)計(jì)水平、促進(jìn)公路傳統(tǒng)設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)而服務(wù)。

3 勘察設(shè)計(jì)階段BIM技術(shù)應(yīng)用

3.1 三維數(shù)字化地面模型

公路項(xiàng)目傳統(tǒng)三維建模方法是基于CAD二維地形圖開展，二維地形圖存在調(diào)繪時(shí)間長、測繪成本高、局部精度較差、設(shè)計(jì)過程不直觀等問題，設(shè)計(jì)過程要求設(shè)計(jì)人員具有較高的專業(yè)性[6]?；诖?，項(xiàng)目地形資料采用無人機(jī)激光雷達(dá)航測數(shù)據(jù)與航拍影像相結(jié)合的方式獲取，再利用BIM技術(shù)構(gòu)建三維高精度數(shù)字化地面模型，有效解決了傳統(tǒng)測繪耗時(shí)長、精度不足等問題。在三維數(shù)字地面模型的基礎(chǔ)上疊加二維平面地形圖，可以實(shí)現(xiàn)某點(diǎn)高程準(zhǔn)確查詢?；诟呔热S數(shù)字化模型，可以進(jìn)行各專業(yè)的三維設(shè)計(jì)。

3.2 BIM外業(yè)資料管理系統(tǒng)

在公路工程勘察設(shè)計(jì)過程中，外業(yè)調(diào)查是公路工程研究、深化設(shè)計(jì)方案必不可少的重要環(huán)節(jié)，外業(yè)調(diào)查資料的準(zhǔn)確性關(guān)系到設(shè)計(jì)成果的質(zhì)量。

本項(xiàng)目在勘察階段采用BIM外業(yè)資料管理系統(tǒng)進(jìn)行外業(yè)資料管理。BIM外業(yè)資料管理系統(tǒng)是利用互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)將傳統(tǒng)紙質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)數(shù)字化，可以實(shí)現(xiàn)無紙化操作和記錄[7]。

該系統(tǒng)統(tǒng)一外業(yè)調(diào)查的作業(yè)流程和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，外業(yè)工作可實(shí)現(xiàn)全程電子化操作，并將現(xiàn)場照片與調(diào)查點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，調(diào)查成果自動(dòng)整理，一鍵輸出。通過該技術(shù)，將外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)信息化，查閱方便，不易遺失，從而可以充分發(fā)揮調(diào)查信息的價(jià)值。

3.3 公路工程設(shè)計(jì)BIM系統(tǒng)

通過對(duì)比分析不同BIM軟件平臺(tái)的優(yōu)缺點(diǎn)，鑒于目前公路工程BIM三維正向設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用較少，在本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)階段，分別采用Autodesk和公路工程設(shè)計(jì)BIM系統(tǒng)進(jìn)行三維正向設(shè)計(jì)及建模。

公路工程設(shè)計(jì)BIM系統(tǒng)軟件涵蓋路線總體、路基、橋梁、涵洞、隧道、交安等各專業(yè)子系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)階段，各專業(yè)設(shè)計(jì)人員可利用基礎(chǔ)資料在相應(yīng)子系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，各系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)可以有效傳遞，專業(yè)設(shè)計(jì)成果可以導(dǎo)入沙盤子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)集成，實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)融合，見圖1。

圖1 公路工程設(shè)計(jì)BIM系統(tǒng)總架構(gòu)圖

4 基于BIM技術(shù)的三維設(shè)計(jì)

4.1 路線設(shè)計(jì)及方案比選

本項(xiàng)目地處山區(qū)，地形地物復(fù)雜，各種控制因素較多，基于高精度三維數(shù)字地面模型，應(yīng)用線元法、導(dǎo)線法等布設(shè)路線方案，可以實(shí)現(xiàn)平縱斷面聯(lián)動(dòng)刷新，加快設(shè)計(jì)理念的實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)過程中的路線平面、縱斷面、構(gòu)造物、邊坡等以動(dòng)態(tài)方式鏈接，可以實(shí)時(shí)看到設(shè)計(jì)過程的三維模型，使設(shè)計(jì)與三維表達(dá)有效連接，加強(qiáng)設(shè)計(jì)人員對(duì)項(xiàng)目的理解，減少重復(fù)改動(dòng)的工作量，快速確定最優(yōu)方案。BIM路線設(shè)計(jì)過程見圖2。

圖2 BIM路線設(shè)計(jì)過程示例圖

本項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)路線方案K112+700段與貴廣高鐵交叉，根據(jù)鐵路部門要求，公路不應(yīng)上跨高鐵，故初設(shè)方案采用下穿形式，存在施工難度大、前后線形指標(biāo)差等缺點(diǎn)。項(xiàng)目應(yīng)用BIM技術(shù)對(duì)該段線位進(jìn)行快速優(yōu)化，在河谷一側(cè)設(shè)置隧道，出隧道后設(shè)置橋梁上跨高鐵隧道，減少了后期施工對(duì)高鐵運(yùn)營的影響，同時(shí)改善了該路段的線形指標(biāo)，見圖3。與初步設(shè)計(jì)方案對(duì)比后表明，該路段優(yōu)化后減少占地218 400 m2，減少建設(shè)投資1.73億元。

圖3 路線方案比選示例圖

4.2 路基設(shè)計(jì)

路基設(shè)計(jì)子系統(tǒng)是針對(duì)路基專業(yè)的三維設(shè)計(jì)建模程序，能夠在三維環(huán)境下對(duì)路基、路面、防護(hù)、邊溝、支擋、排水、特殊路基、土石方調(diào)配等內(nèi)容進(jìn)行正向設(shè)計(jì)和建模。針對(duì)局部存在高大邊坡的特殊路基段可進(jìn)行“一坡一設(shè)計(jì)”，設(shè)計(jì)成果做到“所見即所得”，提高了路基邊坡設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，見圖4。

圖4 路基三維正向設(shè)計(jì)圖

通過路基子系統(tǒng)軟件建立了構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)庫，基于可視化模型，可以直接對(duì)路基邊坡、擋墻、排水溝等基本構(gòu)件進(jìn)行套用及調(diào)整。此外，項(xiàng)目基于BIM技術(shù)還做到了邊坡防護(hù)數(shù)量一鍵分類出圖，有效提高了工作效率和減少錯(cuò)漏，避免了路基工程量計(jì)算繁雜、結(jié)果錯(cuò)漏嚴(yán)重等傳統(tǒng)道路設(shè)計(jì)的問題。

4.3 橋梁設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)橋梁設(shè)計(jì)過程中存在方案變更困難、出圖效率低下、質(zhì)量缺乏保障等問題，基于BIM正向設(shè)計(jì)理念，本項(xiàng)目應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行常規(guī)橋梁設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了模型可視化、設(shè)計(jì)參數(shù)化、信息共享化。應(yīng)用“橋梁方案設(shè)計(jì)師”軟件布設(shè)橋梁方案及優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)合三維GIS場景、激光雷達(dá)測繪所得的三維地形及高清影像，將橋梁BIM模型導(dǎo)入其中，對(duì)橋梁與周邊地形地貌的結(jié)合情況進(jìn)行評(píng)估。在三維設(shè)計(jì)環(huán)境下，橋梁跨徑布置結(jié)合地形、地質(zhì)、河道的自然幾何形態(tài)及其穩(wěn)定性、變遷性特點(diǎn)，以不壓縮河道斷面、有利于排洪為原則，選用適合的橋型及跨徑?？绾訕驑蚩缀蜆蚨詹荚O(shè)盡可能避開沖溝、橋臺(tái)和陡坡，基礎(chǔ)型式的選擇應(yīng)以盡可能減少開挖為原則。橋梁三維設(shè)計(jì)效果圖見圖5。

圖5 橋梁三維設(shè)計(jì)效果圖

4.4 隧道設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目應(yīng)用隧道子系統(tǒng)進(jìn)行隧道選址，可直觀了解隧道間距、隧道埋深、偏壓等情況。此外，在進(jìn)行洞口設(shè)計(jì)時(shí)(見圖6)，利用建立的標(biāo)準(zhǔn)庫，快速套用相關(guān)構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)了隧道工程量自動(dòng)計(jì)算、二維一鍵出圖、模型交付等，基于隧道BIM技術(shù)正向設(shè)計(jì)，有效提高了設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性及生產(chǎn)效率。

圖6 隧道洞口三維設(shè)計(jì)示例圖

4.5 路線交叉

本項(xiàng)目設(shè)有樞紐互通立交1處，一般互通立交2處。在施工圖設(shè)計(jì)階段，應(yīng)用BIM技術(shù)輔助進(jìn)行互通立交設(shè)計(jì)并優(yōu)化設(shè)計(jì)成果(見圖7)。BIM技術(shù)應(yīng)用內(nèi)容主要包括：

圖7 互通立交三維數(shù)字化設(shè)計(jì)示例圖

(1)構(gòu)建項(xiàng)目各個(gè)互通立交精細(xì)化三維模型，結(jié)合三維地形、地貌進(jìn)行互通立交的局部設(shè)計(jì)調(diào)整和優(yōu)化。

(2)基于三維模型進(jìn)行交通組織分析和模擬，優(yōu)化出入口形式和集散車道的布置，提高行車安全性。交通組織分析是提高道路通行效率的重要舉措，需結(jié)合交通流量和周邊相關(guān)路網(wǎng)，涉及對(duì)象復(fù)雜，且是多目標(biāo)系統(tǒng)優(yōu)化模型，其成果不容易表達(dá)，且改動(dòng)量較大。設(shè)計(jì)圖紙費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且由于交通組織是根據(jù)時(shí)間、空間不停變化的過程，很難用固定的設(shè)計(jì)圖紙表達(dá)清楚。通過基于BIM技術(shù)的交通模擬，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)4D交通組織效果的動(dòng)態(tài)三維展示和表達(dá)，為交通組織設(shè)計(jì)和方案決策提供依據(jù)。

(3)對(duì)于交通流存在交織的樞紐互通立交，例如白馬樞紐互通立交，通過對(duì)施工方案的三維模擬和仿真，進(jìn)一步優(yōu)化了施工方案和施工工序。

5 結(jié)語

本文基于廣西某山區(qū)高速公路項(xiàng)目，將BIM技術(shù)應(yīng)用于項(xiàng)目的勘察設(shè)計(jì)階段。(1)將無人機(jī)航拍數(shù)據(jù)和影像相結(jié)合，利用BIM構(gòu)建高精度三維數(shù)字化地面模型，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)路線、橋梁、隧道、路基、涵洞等多專業(yè)的三維正向設(shè)計(jì)，形成本項(xiàng)目的一大亮點(diǎn)。(2)通過BIM技術(shù)將外業(yè)調(diào)查資料數(shù)字化，能有效傳遞數(shù)據(jù)及挖掘數(shù)據(jù)的價(jià)值。經(jīng)過本項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用研究表明，將BIM技術(shù)作為三維輔助設(shè)計(jì)手段應(yīng)用于項(xiàng)目勘察設(shè)計(jì)周期全過程，能有效提高效率，降低成本。