(廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,南寧 530029 )
廣西荔浦至玉林高速公路是國(guó)家高速公路網(wǎng)呼和浩特至北海(G59)和廣西高速公路網(wǎng)規(guī)劃“6縱7橫8支線”中“縱2”重要組成部分, 項(xiàng)目起自荔浦縣城東北蒙村,接在建汕頭至昆明國(guó)家高速公路陽(yáng)朔至鹿寨段,止于玉林市新橋鎮(zhèn),接已建呼和浩特至北海國(guó)家高速公路玉林至鐵山港段,如圖1所示,項(xiàng)目主線全長(zhǎng)263.1km。全線采用雙向四車(chē)道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè),其中荔浦至平南段設(shè)計(jì)時(shí)速100km/h,平南至玉林段設(shè)計(jì)時(shí)速120km/h,橋涵設(shè)計(jì)汽車(chē)荷載采用公路-Ⅰ級(jí),其他技術(shù)指標(biāo)按《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTGB01-2014)執(zhí)行?;ネㄊ搅⒔贿B接線采用二級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。
本項(xiàng)目的主要難點(diǎn)為:
(1)規(guī)模和空間距離大,綜合管理復(fù)雜。項(xiàng)目主線長(zhǎng)263.1km,涉及多個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和部門(mén)。在方案階段需要考慮的自然與人文控制因素眾多,從而給方案擬定與比選帶來(lái)了較大的困難。
圖1 項(xiàng)目位置
(2)項(xiàng)目征地拆遷量大,沿線穿越多個(gè)規(guī)劃區(qū)以及與地方道路和鐵路的交叉,溝通協(xié)調(diào)難度大。
(3)控制性工程技術(shù)條件復(fù)雜。項(xiàng)目包含多個(gè)技術(shù)復(fù)雜特大橋和特長(zhǎng)隧道,其中文圩隧道全長(zhǎng)4 705m;相思洲大橋主跨450m,是廣西在建最大跨度的斜拉橋;平南三橋主跨575m,是世界上在建最大跨度的拱橋。
(4)項(xiàng)目沿線地質(zhì)和地理環(huán)境復(fù)雜。項(xiàng)目地處廣西地區(qū),山地和丘陵交錯(cuò),多喀斯特巖溶地貌區(qū)域,有較多的不良地質(zhì)。
針對(duì)高速公路工程項(xiàng)目建設(shè)的特點(diǎn),通過(guò)應(yīng)用傾斜攝影[1-2]、交通組織仿真分析等技術(shù),并結(jié)合BIM模型的三維方案快速設(shè)計(jì)和調(diào)整、設(shè)計(jì)優(yōu)化、動(dòng)態(tài)碰撞檢測(cè)[3]等優(yōu)點(diǎn),逐一解決項(xiàng)目中存在的規(guī)模和空間距離大、征地拆遷量大、沿線地質(zhì)地理環(huán)境復(fù)雜等難點(diǎn)問(wèn)題。
在項(xiàng)目的不同階段根據(jù)工程需求采用不同BIM軟件平臺(tái)和不同的模型標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行BIM建模及交付。首先,在項(xiàng)目的方案設(shè)計(jì)階段采用LOD100的模型精度建立起道路、橋梁、隧道、服務(wù)區(qū)等建筑BIM模型,并采用Autodesk的Infraworks作為核心平臺(tái),通過(guò)將不同BIM軟件設(shè)計(jì)的模型集成到同一個(gè)平臺(tái)中,形成項(xiàng)目三維大場(chǎng)景展示,并利用BIM技術(shù)直觀地對(duì)前期多方案比選進(jìn)行把控,實(shí)現(xiàn)方案的快速調(diào)整與多方案并存展示,同時(shí)提高設(shè)計(jì)效率及準(zhǔn)確性。
根據(jù)高速公路不同要素的復(fù)雜程度以及重要性,在方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,勘測(cè)設(shè)計(jì)階段采用LOD200~LOD300的模型精度分別進(jìn)行詳細(xì)BIM設(shè)計(jì)。該階段主要是采用Bentley平臺(tái)的Micro Station、 PowerCivil、ProStructures等軟件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的三維精細(xì)化設(shè)計(jì)、常規(guī)橋梁的參數(shù)化設(shè)計(jì)、鋼結(jié)構(gòu)的二維出圖等。
設(shè)計(jì)完成后,將重要節(jié)點(diǎn)的隧道、橋梁等設(shè)計(jì)BIM模型采用LOD300~LOD400滿足施工要求的模型精度進(jìn)行施工階段的深化設(shè)計(jì),然后根據(jù)EBS編碼進(jìn)行分解,應(yīng)用到施工過(guò)程管理階段[4]。通過(guò)根據(jù)不同階段的需求,制定統(tǒng)一的BIM建模及交付標(biāo)準(zhǔn),規(guī)范各參與方的行為,確保BIM模型及信息的廣泛流傳與共享[5]。
通過(guò)綜合考慮不同BIM軟件平臺(tái)的優(yōu)勢(shì),針對(duì)不同的設(shè)計(jì)階段,分別采用Autodesk和Bentley的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)建模,如圖2所示[6]。在方案設(shè)計(jì)階段,通過(guò)將SketchUp、Revit、Civil3D的道路、建筑、橋梁等模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Autodesk的Infraworks平臺(tái)中,實(shí)現(xiàn)多數(shù)據(jù)融合應(yīng)用。在深化設(shè)計(jì)階段,利用Bentley平臺(tái)的一系列專(zhuān)業(yè)軟件對(duì)道路橋梁進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。在施工階段自主研發(fā)了基于設(shè)計(jì)BIM模型的施工管理系統(tǒng)。硬件方面采用了多臺(tái)大內(nèi)存和高性能圖形顯卡的工作站、專(zhuān)用儲(chǔ)存設(shè)備以及航拍使用的無(wú)人機(jī)等。
圖2 軟件使用框架
近些年來(lái),隨著無(wú)人機(jī)、傾斜攝影測(cè)量及三維自動(dòng)建模技術(shù)的快速發(fā)展,基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影的三維實(shí)景建模技術(shù)在工程領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[7]。傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是利用飛行平臺(tái)搭載多個(gè)傳感器,分別從垂直及幾個(gè)傾斜等不同的角度獲取地面同一地物的不同影像[8]。然后再通過(guò)專(zhuān)業(yè)的軟件對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,從而對(duì)地面場(chǎng)景進(jìn)行重構(gòu)。在本項(xiàng)目的勘測(cè)階段,通過(guò)采用無(wú)人機(jī)對(duì)高速公路沿線進(jìn)行航拍,獲取高分辨率正攝影像,并生成三維實(shí)景模型,作為BIM設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。在創(chuàng)建三維實(shí)景模型的同時(shí)還可以快速地創(chuàng)建三維地形曲面,能夠解決傳統(tǒng)測(cè)繪采樣點(diǎn)不足的問(wèn)題,同時(shí)減少測(cè)繪成本。
此外,對(duì)重要控制節(jié)點(diǎn)及復(fù)雜地質(zhì)路段建立三維地質(zhì)模型,通過(guò)利用三維地質(zhì)模型對(duì)橋梁基礎(chǔ)、隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),同時(shí)還可以通過(guò)對(duì)高邊坡建立三維網(wǎng)格模型,并將其導(dǎo)入到有限元分析軟件中進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析以及邊坡變形分析,為設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確、全面的基礎(chǔ)資料。
以往在前期階段由于工程項(xiàng)目的基礎(chǔ)資料缺乏和二維圖紙表達(dá)手段的局限性,經(jīng)常造成設(shè)計(jì)方案不能滿足需求、方案調(diào)整不及時(shí)以及與業(yè)主之間溝通不暢的局面。基于BIM技術(shù)的可視化優(yōu)勢(shì),則可以有效打破從業(yè)主到設(shè)計(jì)、施工運(yùn)營(yíng)之間的隔閡界限[9]。如何選定合適的路線和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),并對(duì)復(fù)雜和控制性節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化是高速公路設(shè)計(jì)方案階段的主要工作[10]。在本項(xiàng)目中,通過(guò)利用基于BIM技術(shù)和三維實(shí)景模型構(gòu)建的工程項(xiàng)目三維大場(chǎng)景進(jìn)行快速的方案設(shè)計(jì),通過(guò)可視化模型,向決策者傳達(dá)不同方案設(shè)計(jì)意圖,便于直觀地進(jìn)行方案比選。同時(shí),基于BIM技術(shù)的參數(shù)化建模功能,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)方案的快速調(diào)整與優(yōu)化。
此外,通過(guò)BIM模型與三維實(shí)景模型結(jié)合,為項(xiàng)目的選線、優(yōu)化,耕地的占用和建筑物的征拆提供科學(xué)的依據(jù)。
在深化設(shè)計(jì)階段,利用BIM技術(shù)對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。通過(guò)建立道路橫斷面模版、快速建立起道路、高大邊坡,實(shí)現(xiàn)多級(jí)邊坡并自動(dòng)分類(lèi)統(tǒng)計(jì)工程量。對(duì)于常規(guī)橋梁,建立了上、下結(jié)構(gòu)參數(shù)化族庫(kù),可通過(guò)調(diào)整不同的參數(shù)來(lái)適用于不同的跨徑和橋位情況,從而提高設(shè)計(jì)效率。
面對(duì)構(gòu)造與功能日益復(fù)雜的特大型橋梁結(jié)構(gòu),傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)顯得愈加的力不從心,甚至連一些空間橋梁結(jié)構(gòu)的最基本信息也無(wú)法完全表達(dá)[11]。對(duì)于項(xiàng)目控制性節(jié)點(diǎn)的特大型橋梁,利用MicroStation、ProStructures建立精細(xì)化設(shè)計(jì)BIM模型,解決傳統(tǒng)二維圖紙對(duì)復(fù)雜異型結(jié)構(gòu)表達(dá)不清的問(wèn)題,并利用三維參數(shù)化單元將以往以參數(shù)化表格形式表達(dá)的斜拉橋索塔鋼錨梁進(jìn)行實(shí)體化,如圖3所示,通過(guò)BIM技術(shù)的可視化優(yōu)勢(shì)可以直觀地檢查參數(shù)是否正確,確定鋼錨梁各構(gòu)件尺寸是否存在矛盾、沖突情況,避免施工過(guò)程中的設(shè)計(jì)變更。
通過(guò)專(zhuān)業(yè)鋼結(jié)構(gòu)軟件Prosteel對(duì)斜拉橋鋼混組合梁進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì),利用軟件的自動(dòng)算量、詳圖功能實(shí)現(xiàn)快速統(tǒng)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)的工程量和二維出圖。鋼混組合梁BIM模型建成之后,通過(guò)數(shù)據(jù)導(dǎo)出還可以進(jìn)行三維數(shù)值模擬,實(shí)時(shí)查看組合梁的受力模型,指導(dǎo)設(shè)計(jì)與施工,如圖4所示。
高速公路服務(wù)區(qū)作為交通形象的窗口,展示某地區(qū)高速公路建設(shè)水平的高低,其重要作用不亞于高速公路其他任何一個(gè)組成部分[12]。高速公路服務(wù)區(qū)景觀規(guī)劃和設(shè)計(jì)必須強(qiáng)調(diào)與周邊生態(tài)、自然、人文、經(jīng)濟(jì)環(huán)境的相互協(xié)調(diào)[13]。在本項(xiàng)目中,通過(guò)BIM技術(shù)的運(yùn)用,對(duì)服務(wù)區(qū)的場(chǎng)地布置、總體方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),并基于服務(wù)區(qū)BIM模型進(jìn)行云渲染[14],分析不同時(shí)段建筑物的光照強(qiáng)度,以達(dá)到服務(wù)區(qū)與周邊自然環(huán)境和諧統(tǒng)一的目的。
圖3 參數(shù)化鋼錨梁BIM模型
圖4 鋼混組合梁數(shù)值模擬
施工企業(yè)長(zhǎng)期存在著粗放式管理、勞務(wù)密集、效率低等問(wèn)題,如何運(yùn)用先進(jìn)的技術(shù)提升工程建設(shè)管理水平顯得非常必要[15]?;贐IM設(shè)計(jì)成果,針對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu),可實(shí)現(xiàn)三維可視化技術(shù)交底,使施工人員更好的理解設(shè)計(jì)意圖,確保施工質(zhì)量,減少不必要的返工。
在項(xiàng)目施工過(guò)程中,基于BIM技術(shù),可以對(duì)工程項(xiàng)目進(jìn)行精細(xì)化管理。在技術(shù)管理方面,可實(shí)現(xiàn)技術(shù)文件、圖紙等材料與BIM模型的關(guān)聯(lián),便于施工人員查找相關(guān)資料,實(shí)現(xiàn)施工全過(guò)程的資料記錄、查詢(xún)和追溯。在工序控制方面,在施工過(guò)程中,通過(guò)將工序控制要點(diǎn)與BIM模型進(jìn)行關(guān)聯(lián),實(shí)現(xiàn)具體工程部位卡控過(guò)程留痕,保障責(zé)任落實(shí)到個(gè)人,從而達(dá)到在施工源頭開(kāi)始控制工程質(zhì)量的目的。在安全質(zhì)量管理方面,技術(shù)人員可利用App將現(xiàn)場(chǎng)的質(zhì)量安全問(wèn)題進(jìn)行上傳并與具體工程部位關(guān)聯(lián),第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題。在進(jìn)度管理方面,我們通過(guò)將項(xiàng)目進(jìn)度計(jì)劃與BIM模型關(guān)聯(lián),可對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行施工進(jìn)度預(yù)演,能夠輔助計(jì)劃的合理編制和復(fù)核。
BIM與GIS的技術(shù)優(yōu)勢(shì)結(jié)合,可以加強(qiáng)工程管控及數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通水平,提升設(shè)計(jì)施工一體化的管控能力,為高速公路建設(shè)問(wèn)題提供了新的解決思路[16]。本項(xiàng)目通過(guò)BIM技術(shù)與三維實(shí)景及GIS的聯(lián)合應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了高速公路長(zhǎng)距離的大場(chǎng)景展示及快速展示項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案及方案優(yōu)化,并解決了高速公路因規(guī)模范圍大、沿線地質(zhì)地理復(fù)雜等條件造成的項(xiàng)目難點(diǎn)問(wèn)題。利用BIM模型的快速調(diào)整能力及三維實(shí)景真實(shí)重構(gòu)項(xiàng)目環(huán)境的優(yōu)勢(shì),對(duì)項(xiàng)目的樞紐節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化,解決項(xiàng)目征地拆遷大、協(xié)調(diào)溝通困難等問(wèn)題,如平南西互通。根據(jù)項(xiàng)目的需求,方案設(shè)計(jì)階段分別提出了半定向變形苜蓿葉互通方案(方案一,如圖5(a)所示)和全苜蓿葉互通方案(方案二,如圖5(b)所示)兩個(gè)對(duì)比方案。通過(guò)利用無(wú)人機(jī)測(cè)量,獲取真實(shí)的項(xiàng)目環(huán)境信息,利用BIM軟件分別建立起項(xiàng)目周邊的高清正攝影像和三維實(shí)景模型,并利用BIM模型的三維可視化優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行不同方案的多維比較分析。最終結(jié)合征地、拆遷和流量分析等因素綜合考慮,選擇用地和拆遷最少的半定向變形苜蓿葉互通方案,即方案一。
(a) 方案一:半定向變形苜蓿葉互通
(b) 方案二:全苜蓿葉型互通圖5 方案設(shè)計(jì)對(duì)比
通過(guò)利用無(wú)人機(jī)測(cè)量獲得的高清影像和三維實(shí)景,可快速識(shí)別地質(zhì)復(fù)雜地段是否存在不良地質(zhì)的情況,解決由沿線地質(zhì)地理環(huán)境復(fù)雜給設(shè)計(jì)帶來(lái)的困難,避免設(shè)計(jì)返工,如官塘高架橋,如圖6所示。通過(guò)高清影像、三維實(shí)景等資料,分析得出該高架橋處可能處于順層邊坡的不良地質(zhì)位置,不適合建橋。經(jīng)過(guò)實(shí)地勘測(cè)證實(shí)了該橋位處的不良地質(zhì)情況,并結(jié)合地質(zhì)情況,最終選擇隧道設(shè)計(jì)方案。
圖6 官塘高架方案優(yōu)化
本項(xiàng)目在勘測(cè)設(shè)計(jì)、施工等各階段入手,通過(guò)利用BIM技術(shù)開(kāi)展設(shè)計(jì)優(yōu)化、可視化分析、協(xié)同設(shè)計(jì)、施工管理等研究,逐一解決項(xiàng)目中存在的難點(diǎn)問(wèn)題,最終實(shí)現(xiàn)BIM技術(shù)在公路設(shè)計(jì)和施工一體化應(yīng)用,提升高速公路項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工建設(shè)水平。
本項(xiàng)目主要在以下幾個(gè)方面進(jìn)行了創(chuàng)新:
(1)公路全要素對(duì)象信息集成
本項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)了公路工程全要素對(duì)象BIM設(shè)計(jì),并將道路、橋梁、隧道、服務(wù)區(qū)等要素進(jìn)行信息集成,設(shè)計(jì)成果更加直觀,合理,工作效率得到了極大提升。
(2)三維地形航測(cè)
本項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了高精度三維地形航測(cè),由于傳統(tǒng)的人工測(cè)量地面線精度不夠,經(jīng)常導(dǎo)致設(shè)計(jì)方案不合理,施工過(guò)程中常常需要變更,而本項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了航空攝影和激光雷達(dá)測(cè)量相結(jié)合的方式,測(cè)量精度極大提升,而且還節(jié)約了時(shí)間和人力成本。
(3)BIM與GIS結(jié)合實(shí)現(xiàn)大場(chǎng)景方案策劃和場(chǎng)地分析
在本項(xiàng)目中,通過(guò)采用無(wú)人機(jī)航拍和三維實(shí)景建模相結(jié)合,如圖7所示,建立實(shí)景模型并集成到核心BIM平臺(tái)來(lái)進(jìn)行分析研究,對(duì)方案設(shè)計(jì)和場(chǎng)地布置提供科學(xué)的依據(jù)。
(4)跨平臺(tái)的多源數(shù)據(jù)融合和共享
基于同一個(gè)云數(shù)據(jù)庫(kù),以BIM模型為基礎(chǔ),用輕量化數(shù)據(jù)方式關(guān)聯(lián)工程結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、構(gòu)件對(duì)象屬性參數(shù)、施工組織計(jì)劃、施工現(xiàn)場(chǎng)的進(jìn)度員、設(shè)計(jì)文檔、施工日志、檢查記錄、施工工法屬性等多源數(shù)據(jù)信息,實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的融合和共享?;谙冗M(jìn)成熟的數(shù)據(jù)架構(gòu)方式,通過(guò)多個(gè)終端管理平臺(tái)直接對(duì)BIM模型關(guān)聯(lián)的所有屬性進(jìn)行管理、檢索、修改,并進(jìn)行文檔的版本控制。通過(guò)對(duì)這些結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的匯總,進(jìn)行統(tǒng)一的管理,并提供人性化、易于上手的信息查詢(xún)方式,提高施工管理能力。
(5)設(shè)計(jì)與施工一體化應(yīng)用
設(shè)計(jì)階段我們可以將BIM三維設(shè)計(jì)成果轉(zhuǎn)換成二維圖紙。同時(shí),根據(jù)項(xiàng)目EBS編碼將設(shè)計(jì)模型按照施工習(xí)慣拆分并上傳到施工管理平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中,將設(shè)計(jì)成果有效地向施工階段傳遞,實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)施工之間數(shù)據(jù)的高效轉(zhuǎn)換。從設(shè)計(jì)源頭規(guī)劃BIM總體應(yīng)用,基于“一個(gè)數(shù)據(jù)源、一個(gè)模型”進(jìn)行工程項(xiàng)目的BIM實(shí)施應(yīng)用,避免以往項(xiàng)目單個(gè)階段或者局部BIM技術(shù)實(shí)施的局限性。
(6)基于BIM的施工信息化管理
利用Bentley平臺(tái)的開(kāi)放性,基于MicroStation定制開(kāi)發(fā)項(xiàng)目電子沙盤(pán)系統(tǒng),并通過(guò)編碼關(guān)聯(lián)賦予工程屬性,進(jìn)行三維工程內(nèi)容管理;通過(guò)ContextCapture生成3D Tiles實(shí)景模型,并結(jié)合開(kāi)發(fā)的Web GIS實(shí)現(xiàn)輕量化網(wǎng)頁(yè)實(shí)景和模型信息瀏覽和共享,實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目多參與方的BIM 5D施工管理。
圖7 公路項(xiàng)目大場(chǎng)景方案策劃和場(chǎng)地分析
荔浦至玉林高速公路項(xiàng)目的BIM協(xié)同設(shè)計(jì)與施工管理應(yīng)用涵蓋了項(xiàng)目初期的方案設(shè)計(jì)、深化設(shè)計(jì)及施工階段,實(shí)現(xiàn)了公路項(xiàng)目在全要素勘測(cè)、設(shè)計(jì)、施工過(guò)程使用BIM技術(shù),形成了前期應(yīng)用、協(xié)同設(shè)計(jì)和施工管理的一套全過(guò)程應(yīng)用流程和方法。
通過(guò)BIM技術(shù)在本項(xiàng)目的成功應(yīng)用,對(duì)于提升技術(shù)欠發(fā)達(dá)地區(qū)的高速公路項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工建設(shè)水平具有重要的作用,同時(shí)為后續(xù)實(shí)現(xiàn)公路數(shù)字化資產(chǎn)管理和養(yǎng)護(hù)決策奠定基礎(chǔ)。