盧永峰

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BIM技術(shù)在山區(qū)施工便道平縱設(shè)計中的應(yīng)用研究

盧永峰

中鐵七局集團鄭州工程有限公司，河南 鄭州 450000

建筑信息化模型（BIM）是一個完備的信息模型，能夠?qū)⒐こ添椖吭谌珘勖芷谥懈鱾€不同階段的工程信息、過程和資源集成在一個模型中，近年來在房建、市政、機電等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。以定臨高速公路工程為例，為滿足山區(qū)復(fù)雜地形條件下施工便道運輸能力需求，控制施工便道的成本，提高施工便道平縱設(shè)計質(zhì)量，對基于Civil 3D施工便道平縱設(shè)計的BIM技術(shù)應(yīng)用進行研究，在提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本和縮短工期方面發(fā)揮重要作用，且對于今后相關(guān)復(fù)雜地形進場施工便道的順利施工具有重要的參考價值。

BIM；山區(qū)便道；平縱設(shè)計

引言

近年來，隨著項目管理信息化的推廣，BIM技術(shù)目前已在地鐵、建筑、機電等行業(yè)廣泛應(yīng)用，并取得了革新性的變化，但在公路選線和平縱設(shè)計方面涉及較少，尤其是山區(qū)復(fù)雜地形進場施工便道設(shè)計。BIM技術(shù)在山區(qū)復(fù)雜地形高速公路施工便道選線方面的應(yīng)用基本沒有，同樣未涉及施工便道的平縱設(shè)計及施工。本文以定西至臨洮高速公路項目為例，該項目主體工程位于定西市臨洮縣境內(nèi)，沿線地形復(fù)雜，屬黃土梁峁溝壑區(qū)，地形起伏較大，天然橫坡較陡，無既有道路可利用，主體工程開工前須先打通進場便道。為控制山區(qū)復(fù)雜地形條件下進場便道的施工成本，提高施工便道設(shè)計質(zhì)量，對BIM技術(shù)在山區(qū)施工便道平縱設(shè)計中應(yīng)用進行研究。

1 基于Civil 3D施工便道平縱設(shè)計的BIM技術(shù)

現(xiàn)場采用GPS對施工便道路徑區(qū)域地形進行三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Civil 3D創(chuàng)建地形曲面，設(shè)置滿足現(xiàn)場施工便道運輸需求的設(shè)計最大縱坡、最小曲線半徑等參數(shù)，便道線路交點路徑布設(shè)，雙交點法調(diào)整回頭曲線和卵形曲線，編輯夾點，設(shè)置條件填挖橫斷面，添加橫斷面監(jiān)視，基于軟件工程量最優(yōu)和填挖平衡原則全自動優(yōu)化，提高便道平縱設(shè)計質(zhì)量和降低工程造價。最后生成便道的三維模型圖，進行方案綜合演示，并生成便道的直曲線要素表、工程數(shù)量表及任意點位的坐標(biāo)數(shù)據(jù)等，便于數(shù)據(jù)分析，指導(dǎo)現(xiàn)場便道施工及維護。

2 BIM技術(shù)山區(qū)施工便道平縱設(shè)計方法

2.1 地形數(shù)據(jù)采集

根據(jù)等高線地圖現(xiàn)場勘察進場施工便道附近區(qū)域地形，在既有公路上確定便道起點，計算與終點間高差，初步確定便道路徑，GPS建站，測量采集擬定便道路徑涉及區(qū)域地形三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，以及地面附屬物水井、線桿、墳等障礙物坐標(biāo)數(shù)據(jù)。整理地形坐標(biāo)數(shù)據(jù)，導(dǎo)入Civil 3D創(chuàng)建地形曲面，并明顯標(biāo)記障礙物點位信息。

2.2 平縱設(shè)計

（1）考慮施工便道物資、機械、設(shè)備的運輸要求，及施工車輛行車安全要求，設(shè)置便道設(shè)計行車速度為15?km/h，便道路面寬度為6?m，最小曲線半徑15?m，最大縱坡為10%。

（2）在原地形曲面模型中設(shè)置顯示等高線模式，手動布設(shè)便道線路交點路徑，避讓標(biāo)記出的水井、線桿、墳等障礙物。山區(qū)地形復(fù)雜，采用回頭曲線、卵形曲線克服高差沿山勢迂回盤繞至終點。根據(jù)地形雙交點法調(diào)整回頭曲線、卵形曲線的各曲線要素，編輯夾點調(diào)整夾直線長度，查看直曲線表，復(fù)核便道線路設(shè)計要求。具體如圖1所示。

圖1

（3）平面設(shè)計完成后，根據(jù)平面設(shè)計所得路線縱斷面地面線進行縱斷面設(shè)計，盡量避免高填、深挖。參考便道線路原地形縱斷面調(diào)整線路設(shè)計縱斷面，設(shè)置便道路面寬度及條件填挖，特殊點位添加斷面監(jiān)視，實時查看便道橫斷面挖方或填方高度，手動調(diào)整設(shè)計縱斷面。利用軟件工程量計算和填挖平衡，進行全自動優(yōu)化。Civil 3D中的橫斷面圖紙和路基模型動態(tài)關(guān)聯(lián)，任何對于線路平縱斷面的修改，都可以實時精確地反映到橫斷面圖紙上（見圖2）。查看便道線路工程數(shù)量表，通過對路線平縱斷面的調(diào)整，可以實時觀察到路基模型的更新和土方量的變化，進行方案經(jīng)濟性比選。

2.3 便道三維模型

施工便道線路方案優(yōu)化比選后，依據(jù)便道路面寬度及條件填挖設(shè)置，在便道模型中查看路塹開挖坡口線、填方路堤坡腳線，檢查復(fù)核與地面障礙物的位置關(guān)系，并將線路里程百米樁斷面間隔加密至20?m。軟件自動完成空間圖形和工程量，最終形成施工便道三維模型（見圖3）。施工便道三維模型不僅可以用來展示效果圖及生成信息數(shù)據(jù)報表，而且還可以在便道線路平縱設(shè)計方案優(yōu)化比選過程中可視化溝通、討論。

圖2

圖3

3 優(yōu)點

3.1 平縱設(shè)計優(yōu)化便捷

對于山區(qū)復(fù)雜地形施工便道，BIM技術(shù)能在地形曲面模型上，進行平面設(shè)計和縱斷面設(shè)計，施工便道線路設(shè)計更加直觀、全面、科學(xué)、合理。施工便道三維模型能夠依靠軟件填挖平衡，通過添加橫斷面監(jiān)視實時查看斷面填挖高度優(yōu)化方案；也能通過線路曲直表、工程數(shù)量表，把施工便道設(shè)計與投資結(jié)合起來，設(shè)計變化對投資的影響可實時計算，便于設(shè)計方案優(yōu)化和比選，并滿足施工單位對便道成本及安全管理的需求。

3.2 生成三維模型可視化

山區(qū)復(fù)雜地形施工便道僅依靠平面圖紙和人腦想象，很難實現(xiàn)施工便道的選線設(shè)計。施工便道三維模型不僅可以用來展示效果圖，而且更重要的是在線路平縱設(shè)計方案優(yōu)化比選過程中的溝通、討論、決策都在可視化的狀態(tài)下進行。BIM技術(shù)提供了可視化的思路，將以往線條式的構(gòu)件形成一種三維立體實物圖形展示在人們的面前。

3.3 信息數(shù)據(jù)準(zhǔn)確輸出

采用Civil 3D進行施工便道設(shè)計，在地形曲面模型上進行便道線路平縱設(shè)計，便道設(shè)計更加直觀、全面、科學(xué)、合理，設(shè)計方案修改及比選方便、直觀，能夠準(zhǔn)確、快速地出具詳細(xì)用地表、直曲表、平面設(shè)計圖、縱斷面設(shè)計圖及橫斷面設(shè)計圖。施工便道臨時征地有據(jù)有數(shù)；平曲線及縱斷面參數(shù)明確，以此判定是否滿足施工車輛通行要求；施工有圖可依，避免因經(jīng)驗錯估導(dǎo)致最后縱坡不能滿足通行要求而返工。BIM技術(shù)快速、精準(zhǔn)的特點，能夠如實反映現(xiàn)場實際情況，對現(xiàn)場施工具有實際指導(dǎo)意義。

4 BIM實際應(yīng)用及效果

4.1 土石方計算

山區(qū)施工便道工程的重要組成是土石方工程。傳統(tǒng)的土石方的填筑和開挖的計算方法主要有：格網(wǎng)法、截面法、圖解法。但這三種方法都需要人工進行、計算精度較差，且工作量較大，因此如何有效精確地計算土石方的量是非常重要的。根據(jù)土石方計算的基本思路，利用BIM數(shù)字信息模型，依據(jù)便道路面寬度及條件填挖設(shè)置，做出底面曲面網(wǎng)格模型與頂面曲面網(wǎng)格模型，將底面與頂面之差的絕對值作為積分高度，單位網(wǎng)格面積作為積分單元，最后累加所有網(wǎng)格的工程量即為總工程量。施工便道三維模型能隨設(shè)計方案調(diào)整，并對土石方工程量進行實時計算，快速且準(zhǔn)確。

4.2 便道線路數(shù)據(jù)導(dǎo)出

利用施工便道三維模型生成線路曲直表及工程數(shù)量表，設(shè)置里程標(biāo)并加密間隔至20?m，導(dǎo)出施工便道中線逐樁坐標(biāo)，用于便道線路中線施工放樣。查看便道三維模型中路塹開挖放坡線和填方路堤坡腳線，導(dǎo)出便道放坡開挖邊線坐標(biāo)和路堤填方坡腳線坐標(biāo)，用于現(xiàn)場土石方施工測量；也可根據(jù)征地邊界線導(dǎo)出征地邊界坐標(biāo)，用于前期臨時用地征地測量。施工便道施工有據(jù)有數(shù)，施工有圖可依，避免因數(shù)據(jù)計算錯誤不能滿足通行要求而返工。

4.3 BIM應(yīng)用效果

4.3.1 技術(shù)效益

自國家重點實施西部大開發(fā)以來，山區(qū)復(fù)雜地形的陜甘寧等省區(qū)，高速公路建設(shè)數(shù)量不斷增加，前期勘測設(shè)計工作任務(wù)繁重，時間緊迫，因此通常會出現(xiàn)初設(shè)資料簡陋甚至不能用的問題。BIM技術(shù)的應(yīng)用，能在極短時間內(nèi)，用極少的人力、設(shè)備提供一份完整、精準(zhǔn)的便道設(shè)計資料。在山區(qū)地形復(fù)雜的地方，BIM技術(shù)的優(yōu)勢就更加突出。BIM技術(shù)具有精密、準(zhǔn)確、快捷和適用性強的特點，輸入多組參數(shù)，經(jīng)方案比較，就能提供全自動優(yōu)化方案。

4.3.2 社會效益

Civil 3D強大的參數(shù)化建模和動態(tài)更新的特性幫助施工便道選線設(shè)計人員高效率地工作。通過施工便道線路平縱設(shè)計方案優(yōu)化比選過程中的溝通、討論、決策在可視化有效進行的狀態(tài)下，及時提供進場施工便道設(shè)計方案，快速拉通施工便道，是項目主體工程全面開工的根本保障，也是保證全線節(jié)點工期的一項保障。

5 結(jié)語

目前，國內(nèi)BIM技術(shù)在公路建設(shè)中應(yīng)用較少，但隨著技術(shù)創(chuàng)新步伐的不斷加快，BIM技術(shù)將在公路設(shè)計、施工過程中廣泛推廣應(yīng)用。在山區(qū)復(fù)雜地形高速公路建設(shè)中，施工便道的選線與施工將對主體工程的施工組織、安全、進度、成本起到關(guān)鍵性作用。Civil 3D強大的參數(shù)化建模和動態(tài)更新的特性能夠高效完成選線，通過對路線平縱斷面的調(diào)整，可以實時觀察到路基模型的更新和土方量的變化，設(shè)計與投資相結(jié)合，施工便道方案優(yōu)化比選過程中的溝通、討論、決策都在可視化的狀態(tài)下進行，高效設(shè)計最安全、最經(jīng)濟、最便捷的施工便道。施工便道平縱設(shè)計方法、實際應(yīng)用及效果均體現(xiàn)了BIM技術(shù)可視化、模擬性、精準(zhǔn)性、優(yōu)化性的特點，因此其必將對公路的建設(shè)起到很大的積極作用，成為設(shè)計、施工過程中必備的技術(shù)手段。

[1]公路路基設(shè)計規(guī)范：JTG D30—2015[S].

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[4]楊志峰，辜晗光，敖志凡，等. BIM技術(shù)在道路設(shè)計中的應(yīng)用探究[J]. 北方交通，2017（9）：37-39.

[5]潘嘉泉，許文峰. 山區(qū)高速公路施工便道規(guī)劃與優(yōu)化[J]. 建筑工程技術(shù)與設(shè)計，2014（20）.

Research on the Application of BIM Technology in the Horizontal and Vertical Design of Construction Access Road in Mountainous Areas

Lu Yongfeng

Zhengzhou Engineering Co., Ltd., of China Railway Seventh Group, Henan Zhengzhou 450000

The Building Information Model (BIM) is a complete information model that integrates the engineering information, processes, and resources of the engineering project at various stages of its life cycle into one model. In recent years, the building construction, municipal, and electromechanical other industries have been widely used. Taking the Dinglin expressway project as an example, in order to meet the demand of construction road transportation capacity under complex terrain conditions in mountainous areas, the cost of construction access roads will be controlled, and the horizontal and vertical design quality of construction access roads will be improved. The application of the BIM technology based on the Civil 3D construction access roadway longitudinal design will be carried out. The study will play an important role in improving production efficiency, saving costs, and shortening the construction period, and will be of important reference value for the smooth construction of access roads with complex terrain.

BIM; mountain road; flat and vertical design

TP311.5；U412

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