陸山風(fēng)

(廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530029)

0 引言

隨著我國(guó)工程建設(shè)行業(yè)不斷發(fā)展,高速公路的現(xiàn)代化、信息化要求也逐步提升[1-2]。采用BIM技術(shù)對(duì)高速公路進(jìn)行輔助設(shè)計(jì),針對(duì)重點(diǎn)橋梁、隧道以及高邊坡等區(qū)域進(jìn)行精細(xì)化建模和優(yōu)化分析,是工程設(shè)計(jì)進(jìn)步的必然選擇[3]。BIM三維設(shè)計(jì)將高速公路設(shè)計(jì)從傳統(tǒng)的線條繪圖和幾何表現(xiàn)轉(zhuǎn)向構(gòu)件布置和信息模型集成,是實(shí)現(xiàn)工程數(shù)字化管理、提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量的基礎(chǔ)[4-5]。

目前,BIM技術(shù)已在國(guó)內(nèi)的公路交通行業(yè)得到了諸多研究與應(yīng)用,部分學(xué)者[6-7]將BIM精細(xì)化建模技術(shù)與GIS技術(shù)相結(jié)合,有效優(yōu)化了高速公路設(shè)計(jì)方案,改善了設(shè)計(jì)質(zhì)量與效率;此外,為高速公路設(shè)計(jì)引入附加時(shí)間維度的BIM技術(shù),實(shí)現(xiàn)了4D施工進(jìn)度可視化模擬和基于BIM的集成管理,解決了高速公路信息集成困難、管控混亂等問題[8-10]。

傳統(tǒng)的高速公路BIM應(yīng)用方案多局限在設(shè)計(jì)或施工的單個(gè)階段,不僅存在著信息傳遞的局限性,也不能發(fā)揮出BIM技術(shù)的最大價(jià)值[11]。為了進(jìn)一步發(fā)揮BIM技術(shù)應(yīng)用在建設(shè)全過程管理的價(jià)值,本研究基于BIM技術(shù)對(duì)高速公路進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì),以三維實(shí)景、環(huán)境分析等關(guān)鍵技術(shù)為主體,以BIM+GIS選線優(yōu)化為依托,實(shí)現(xiàn)了三維參數(shù)化建模和可視化表達(dá)。應(yīng)用結(jié)果表明,該方案能有效提升高速公路項(xiàng)目的設(shè)計(jì)水平,促進(jìn)公路傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。

1 基于BIM的高速公路應(yīng)用研究

為了提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量,掌握工程項(xiàng)目核心信息模型,實(shí)現(xiàn)工程數(shù)字化管理的基礎(chǔ),本節(jié)分析和總結(jié)了高速公路關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)問題的解決方案,結(jié)合高速公路工程中的推廣和應(yīng)用,進(jìn)一步驗(yàn)證BIM技術(shù)在高速公路全生命周期的適用性和先進(jìn)性。

1.1 公路三維實(shí)景環(huán)境分析

BIM模型是在工程設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)過程中逐步完善,逐步豐富的對(duì)應(yīng)工程實(shí)體的數(shù)字化成果。該成果既反映了工程全生命周期過程中的數(shù)據(jù)生產(chǎn)成果,也利用本身自帶的空間關(guān)系屬性表達(dá)了與現(xiàn)實(shí)工程實(shí)體一致的空間狀態(tài)。

為了提高項(xiàng)目前期的環(huán)境分析和地形測(cè)量質(zhì)量,獲取BIM技術(shù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),本文采用無人機(jī)傾斜攝影和三維機(jī)載激光雷達(dá)對(duì)公路進(jìn)行三維實(shí)景建模,真實(shí)還原高速公路沿線的地形地貌。

目前,主流傾斜攝影技術(shù)的數(shù)據(jù)處理方式是通過對(duì)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行分析和預(yù)處理,以排除任何可能存在的缺陷,確保將用于建模的數(shù)據(jù)和資料都是完整的,并符合正確的格式要求。利用傾斜攝影技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)真三維場(chǎng)景建模,輔助施工場(chǎng)地布置,對(duì)施工道路、駐地、加工車間、拌和站、碼頭、棧橋等臨時(shí)設(shè)施進(jìn)行規(guī)劃,優(yōu)化大型臨時(shí)設(shè)施的數(shù)量、規(guī)格和布置方式,其基本技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 三維場(chǎng)景建模流程圖

1.2 BIM+GIS選線及優(yōu)化

本研究通過建立和利用包含衛(wèi)星影像和地質(zhì)遙感數(shù)據(jù)的三維空間GIS模型,將項(xiàng)目高分辨率衛(wèi)星測(cè)量、航空攝影測(cè)量、三維激光測(cè)量等多來源多精度的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,以滿足大比例尺地圖的精度要求。通過BIM和GIS技術(shù)的融合,可以將線路周邊的信息資源進(jìn)行有效整合,從而實(shí)現(xiàn)工程范圍內(nèi)三維地理信息模型全方位、高精度的可視化呈現(xiàn),為路線選線、定線過程中的空間分析和方案決策提供幫助。

利用BIM技術(shù)進(jìn)行大面積快速選線,在短時(shí)間內(nèi)提出上百個(gè)路線方案,通過采取人機(jī)交互的方式來完成線路選線?；贐IM+GIS在三維數(shù)字地理模型以及綜合協(xié)調(diào)和考慮多種因素的基礎(chǔ)上,進(jìn)行平、縱、橫斷面自動(dòng)設(shè)計(jì),快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行工程數(shù)量的計(jì)算與統(tǒng)計(jì),并可以根據(jù)輸入的工程單價(jià)指標(biāo)進(jìn)行工程投資快速估算。

該技術(shù)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)人工選線效率低的弱點(diǎn),使工程師快速地修改各種控制條件,調(diào)整路線設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),通過測(cè)試不同的限制坡度和最小平曲線半徑,確定最佳的平曲線半徑和路線縱坡,使控制路線建設(shè)和生命周期內(nèi)運(yùn)營(yíng)成本達(dá)到最佳要求。

1.3 三維參數(shù)化建模和可視化表達(dá)

三維數(shù)據(jù)模型作為三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ),也是目前研究的難點(diǎn)之一。工程范圍內(nèi)地質(zhì)形狀通常非常復(fù)雜,包含大量形狀不規(guī)則的地層、斷層、巖溶等地質(zhì)體,區(qū)分并表達(dá)出這些三維實(shí)體是很困難的。因此,需要尋求有效的三維地質(zhì)數(shù)據(jù)模型。

本研究以BIM技術(shù)為基礎(chǔ),對(duì)長(zhǎng)距離和大范圍地質(zhì)工程進(jìn)行三維參數(shù)化建模和可視化表達(dá)。通過工程鉆探法獲取地下三維空間信息,根據(jù)地質(zhì)鉆探及地質(zhì)調(diào)查資料,確定建模范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)地層,定義標(biāo)準(zhǔn)地層的巖性、地層年代和顏色;對(duì)圖層、等高線進(jìn)行整理,結(jié)合手動(dòng)組合切割地層所需的鉆孔數(shù)據(jù),對(duì)地層界面進(jìn)行半自動(dòng)建模;將建立好的地質(zhì)體,利用地層面進(jìn)行剪切,形成不同地層屬性的地質(zhì)體,并對(duì)斷層等不良地質(zhì)進(jìn)行屬性定義,形成整個(gè)項(xiàng)目大場(chǎng)景的地質(zhì)模型。通過采集三維空間物探信息,結(jié)合鉆探成果和地形資料,生成項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)三維地質(zhì)模型,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)的三維可視化展示,如圖2所示。

圖2 地質(zhì)結(jié)構(gòu)的三維可視化示例圖

2 工程應(yīng)用

以都安至巴馬高速公路為例,該路線全長(zhǎng)119.13 km,起點(diǎn)位于河池市都安縣澄江鄉(xiāng)東謝村G210國(guó)道附近,沿途經(jīng)都安縣、大化縣以及巴馬縣,終點(diǎn)位于河池市巴馬縣縣城以西巴馬鎮(zhèn)拉塘村附近。全線共設(shè)樞紐互通式立交7處、服務(wù)區(qū)2處及停車區(qū)2處。連接線按二級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè),大化連接線設(shè)計(jì)速度為80 km/h,路基寬度為12 m;都陽(yáng)連接線設(shè)計(jì)速度為60 km/h,路基寬度為10 m。渡口、百馬支線采用三級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè),設(shè)計(jì)速度為30 km/h,路基寬度為7.5 m。

該項(xiàng)目穿越環(huán)境保護(hù)區(qū)和主要經(jīng)濟(jì)區(qū),沿線旅游資源豐富,自然景觀優(yōu)美,同時(shí)項(xiàng)目里程長(zhǎng),類型眾多,沿線地形起伏大,地形地質(zhì)條件復(fù)雜,建設(shè)環(huán)境惡劣,設(shè)計(jì)周期短且技術(shù)難度大,各專業(yè)間協(xié)調(diào)存在一定的困難。

針對(duì)該項(xiàng)目的工程特點(diǎn)及難點(diǎn),項(xiàng)目組成員將BIM技術(shù)成功運(yùn)用到項(xiàng)目中,在設(shè)計(jì)方面,利用BIM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)解決和優(yōu)化了傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)所存在的不足,有效提高了設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率,解決了項(xiàng)目建設(shè)面臨的挑戰(zhàn),快速構(gòu)建項(xiàng)目全要素大場(chǎng)景模型,平衡各影響因素使路線方案最優(yōu);通過協(xié)同平臺(tái)統(tǒng)籌管理,實(shí)現(xiàn)各參建方和各專業(yè)之間的協(xié)同;借助BIM軟件準(zhǔn)確進(jìn)行復(fù)雜控制性節(jié)點(diǎn)模型的三維精細(xì)設(shè)計(jì)和仿真模擬;基于數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)交通、旅游和扶貧共贏的新格局。

針對(duì)不同設(shè)計(jì)階段的需求,BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用成果包括場(chǎng)地勘測(cè)、方案設(shè)計(jì)、深化設(shè)計(jì)和數(shù)字仿真交底四個(gè)方面。其中場(chǎng)地勘測(cè)是針對(duì)設(shè)計(jì)環(huán)境的真實(shí)還原;方案設(shè)計(jì)階段主要針對(duì)路線方案的綠色比選及模型快速構(gòu)建;深化設(shè)計(jì)階段則采用協(xié)同設(shè)計(jì)管理模式,開展精細(xì)化建模;數(shù)字仿真和交底階段將BIM模型與VISSIM、720°云及UE等系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián),利用VISSIM微觀交通仿真軟件進(jìn)行互通及服務(wù)區(qū)交通流的分析、預(yù)測(cè)及仿真模擬,為互通方案及服務(wù)區(qū)交通組織提供科學(xué)直觀的決策信息,可視化模擬遠(yuǎn)期交通流。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)廣西高速公路建設(shè)難點(diǎn)與現(xiàn)存問題,從“互聯(lián)網(wǎng)+”、BIM、大數(shù)據(jù)等技術(shù)入手,對(duì)高速公路進(jìn)行應(yīng)用研究,實(shí)現(xiàn)了BIM技術(shù)在高速公路項(xiàng)目設(shè)計(jì)中的集成應(yīng)用。主要結(jié)論如下:

(1)BIM技術(shù)在項(xiàng)目全線的集成應(yīng)用不同于以往的項(xiàng)目單階段應(yīng)用,而是在應(yīng)用過程中記錄了設(shè)計(jì)、施工各階段的各種數(shù)據(jù)資料,極大提升了數(shù)據(jù)傳輸效率。

(2)BIM與GIS相結(jié)合的方法可通過輸入GPS點(diǎn)云或者三維等高線,建立三維實(shí)體或?qū)嵕叭S模型,從而進(jìn)一步描述工程項(xiàng)目的地形地貌。

(3)利用BIM和GIS技術(shù)結(jié)合進(jìn)行三維設(shè)計(jì)方案能有效解決以往公路智能選線以及三維模型的簡(jiǎn)化和方案快速修改的難題,實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目全線信息模型的設(shè)計(jì)。

(4)基于BIM三維模型及可視化界面,結(jié)合施工模擬技術(shù),對(duì)隧道開挖、邊坡防護(hù)、橋梁搭建的可視化仿真技術(shù),動(dòng)態(tài)展示不同施工階段的工程概貌。

由工程應(yīng)用結(jié)果可知,基于BIM技術(shù)的高速公路應(yīng)用成功地提升了高速公路項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和施工建設(shè)水平,實(shí)現(xiàn)了高速公路數(shù)字化資產(chǎn)管理和養(yǎng)護(hù)決策。

此外,BIM技術(shù)不僅改變了設(shè)計(jì)手段,還對(duì)企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新、管理創(chuàng)新產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響,未來將有效促進(jìn)公路建設(shè)的行業(yè)創(chuàng)新。