BIM技術(shù)在提升公路勘察設計質(zhì)量中的應用研究

劉相法

(濰坊科技學院， 山東 壽光 262700)

BIM技術(shù)在提升公路勘察設計質(zhì)量中的應用研究

劉相法

(濰坊科技學院， 山東 壽光 262700)

公路勘察設計質(zhì)量是工程質(zhì)量的基礎，是公路工程建設的關(guān)鍵，對公路建設質(zhì)量會造成直接影響。采用BIM技術(shù)，對公路勘察設計質(zhì)量的提升進行了研究。通過分析公路勘察設計BIM技術(shù)的特點，建立了公路勘察BIM的3D模型，分析了勘察設計階段BIM管線綜合設計要求、BIM協(xié)同設計要求，采用衛(wèi)星測量、3D激光測量技術(shù)，對吉林省某高速公路改擴建工程建立了BIM3D模型，在Bently環(huán)境下，根據(jù)精細模型數(shù)據(jù)，進行公路3D可視化設計，在3D可視化平臺下，實現(xiàn)了施工圖協(xié)同設計，提高了公路勘察設計的質(zhì)量，使公路擴修進展順利。

BIM技術(shù)； 公路勘察； 質(zhì)量； 提升

1 概述

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，質(zhì)量越來越成為關(guān)注的焦點，公路勘察設計質(zhì)量直接關(guān)系到該工程的質(zhì)量，行駛在隧道、大橋、公路的車輛安全與公路質(zhì)量息息相關(guān)，因此公路勘察設計質(zhì)量是工程質(zhì)量的基礎，是公路工程建設的關(guān)鍵，對公路建設質(zhì)量會造成直接影響[1-4]。通過公路勘察設計質(zhì)量的提升，確保公路建設水平意義重大[5-7]。

BIM建筑信息模型實質(zhì)是指根據(jù)建筑工程相關(guān)信息數(shù)據(jù)為基礎，建立建筑模型，通過數(shù)字信息，對建筑物全部真實信息進行仿真模擬[8-10]。采用BIM模型，可實現(xiàn)建設項目的勘察設計、監(jiān)理、運營維護等各階段的工作；可提升建設項目各類任務的質(zhì)量，最終達到提升整個項目質(zhì)量的目的[11]。目前，我國高速公路勘察設計行業(yè)對BIM技術(shù)研究還需要進一步提升[12]。在項目生命周期內(nèi)，BIM模型都可應用于各類工程中[13，14]。本文采用BIM技術(shù)，對公路勘察設計質(zhì)量的提升進行了研究。

2 公路勘察

設計基礎環(huán)節(jié)是公路勘察信息管理公路，當前的公路勘察設計中，地質(zhì)信息管理大多數(shù)是通過CAD二維模型進行建構(gòu)的，形式單一，不能很好的用可視化表現(xiàn)。BIM技術(shù)通過對現(xiàn)場勘察數(shù)據(jù)的存儲與處理，可實現(xiàn)可視化，為公路勘察設計提供依據(jù)。利用BIM軟件，實現(xiàn)公路勘察成果的可視化，進而地上建設、地下信息三維融合得到實現(xiàn)。

3 公路勘察設計的BIM技術(shù)特點

① 具有可視化特點。公路BIM可視化，可實現(xiàn)公路構(gòu)件間互動與反饋可視，且整個過程均可視，可視化可展示效果圖，也展示報表，在公路勘察設計中可做到相互間很好的溝通、決策的可視化。

② 具有可協(xié)調(diào)性特點。在公路建設實施過程中，因各專業(yè)設計師溝通不充分，各專業(yè)會出現(xiàn)沖突，在問題出現(xiàn)前，BIM協(xié)調(diào)性服務就可進行協(xié)調(diào)，通過協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)，各種專業(yè)碰撞問題會得到避免。

③ 具有可模擬性特點。BIM的模擬性可模擬出的公路模型和難以在現(xiàn)實中操作的事物，在公路勘察設計時，BIM可根據(jù)施工組織設計，對實際施工進行模擬，從而確定合理施工方案，圖1為某公路的3D模型。

圖1 某公路的3D模型Figure 1 The 3D model of a highway

④ 具有優(yōu)化性特點。BIM模型提供了公路勘察實際信息，包括公路規(guī)則、幾何、物理等，BIM可通過各種優(yōu)化工具，實現(xiàn)對公路復雜問題的優(yōu)化。

⑤ 具有可出圖性特點。BIM通過對公路勘察的可視化展示、模擬、協(xié)調(diào)、優(yōu)化后，在檢查碰撞、修改設計后，相應錯誤就被消除，同時提供碰撞檢查報告，及修改方案。

4 公路勘察BIM的3D模型建模

4.1 公路勘察3D模型建模要求

在公路建設全生命周期中，在公路勘察設計階段，BIM應用就開始介入。在公路勘測設計階段，BIM的3D模型要滿足施工圖設計、公路選線、公路初測的要求，在施工、養(yǎng)護、運營、管理階段，各參與方對BIM的可視化應用需求要考慮到。通過BIM的3D可視化模型，提高與項目各參與方的溝通，進而提高項目設計效率，避免反復對同一條公路3D模型進行重建。目前，由于公路BIM應用還不夠成熟，對公路全生命周期來說，要在設計階段設計出全部用途的公路3D模型還不太現(xiàn)實，一般是通過對建模方式進行分級，實現(xiàn)不同任務的要求，例如采用LOD方式，根據(jù)公路空間分布特點，建立多級別BIM模型。

4.1.1 選線設計

通過DEM/TIN模型對公路帶的生態(tài)、地質(zhì)、地貌、地形等自然環(huán)境進行展示，通過宏觀的公路3D模型，對路線總體規(guī)劃中的服務區(qū)、橋梁、道路、隧道等要突出；通過變更模型顏色滿足施工進度4D展示要求，圖2為宏觀的公路3D模型。

圖2 宏觀的公路橋梁3D模型Figure 2 The macroscopic highway bridge 3D model

4.1.2 詳細設計溝通

根據(jù)勘察路線方案，生成簡要3D模型，根據(jù)設計方案的變更，路線各部分3D模型要滿足快速重建，同時與項目地質(zhì)和地形的3D模型進行完全融合，滿足項目各參與方的交流溝通需要。

4.1.3 重要工點細節(jié)建模

對路線中重點隧道、橋梁等要建立微觀3D模型，對于構(gòu)造物重要部件要突出，通過添加隧道、橋梁等模型，對公路后期質(zhì)量、成本控制、進度、施工等管理、交流能夠充分滿足，圖3為微觀的公路橋梁3D模型。

圖3 微觀的公路橋梁3D模型Figure 3 The micro highway bridge 3D model

4.1.4 添加模型屬性信息

公路3D模型除幾何信息外，同時還對模型屬性信息進行添加，這些屬性信息包括路面護欄、鋪裝材料等基礎參數(shù)等，這樣就可實現(xiàn)公路質(zhì)量、進度、成本管理需求，從而達到對公路養(yǎng)護、溝通、運營、施工、管理階段信息支持，圖4為基于LOD的公路BIM的3D建模層次。

圖4 公路BIM基于LOD的3D建模層次Figure 4 The highway 3D of LOD based BIM modeling hierarchy

4.2 多細度BIM數(shù)據(jù)建模方法

根據(jù)公路工程點多、線長等特點，采用多細度BIM施工模型可實現(xiàn)設計質(zhì)量的提升，圖5為公路勘察BIM多細度施工設計模型，模型由3個層次組成，即橋梁、隧道路段微觀模型、工程標段中觀模型、整體線路宏觀模型。宏觀模型實現(xiàn)整個線路的過程模擬、施工管理，中觀模型實現(xiàn)各標段的過程模擬、施工管理，微觀模型實現(xiàn)橋梁、隧道路段的精細化管理。

對于各標段隧道、橋梁、路段，宏觀模型通過不同顏色線段進行表示；標段隧道、橋梁、路段的簡化3D模型結(jié)合對應工程信息、施工進度形成中觀模型。精細3D模型結(jié)合詳細工程信息、施工進度形成微觀模型。各層次的BIM施工模型是一個完整BIM子模型。各BIM子模型包含公路成本、資源、進度、安全、質(zhì)量等信息。

圖5 公路勘察BIM多細度施工設計模型Figure 5 The highway survey BIM multi fineness construction design model

4.3 公路勘察道路信息采集方式

4.3.1 使用衛(wèi)星測量

地形3D建?？赏ㄟ^衛(wèi)星圖像進行立體測圖建立，地表紋理制作通過衛(wèi)星影像完成；通過衛(wèi)星影像遙感技術(shù)，解譯地質(zhì)災害，建立公路災害的3D模型。使用衛(wèi)星測量獲取DEM地表范圍比較廣，信息豐富直觀，對公路地形和地質(zhì)等比較適宜。

4.3.2 使用3D激光測量

3D激光測量技術(shù)實質(zhì)是一種帶3D坐標的激光點測試技術(shù)，其特點是對植被的穿透力較強，能快速準確的對間距小的物體進行采集，并且其具有較短的處理數(shù)據(jù)周期，對公路3D建模比較適宜。表1為不同施測平臺的3D激光測量信息采集內(nèi)容。

表1 不同施測平臺的3D激光測量信息采集內(nèi)容Table1 Thecontentof3Dlasermeasurementinformationofdifferentmeasurementplatform測量平臺的類型采集的對象數(shù)據(jù)小型運輸機橋梁、地形、路面、立交、路基3D激光點云、DOM車輛標志牌、標線、路面等3D激光點云、彩色數(shù)字影像地面隧道、特殊地物、橋址3D激光點云、彩色數(shù)字影像

小型運輸機屬于一種低空對地測量設備，對DEM、DOM的采集比較適宜，可實現(xiàn)對路面地表信息的采集；采用車載3D激光測量，可實現(xiàn)路面附屬設施信息的采集；采用地面3D激光測量，可實現(xiàn)任意角度地物信息的采集。利用衛(wèi)星測量、激光測量技術(shù)，可對地物表面的3D信息進行獲取，通過對地物彩色影像的采集，使模型屬性信息得到擴充與豐富。

4.4 勘察設計階段BIM管線綜合設計要求

通過BIM技術(shù)，達到管線的綜合，通過對各專業(yè)信息進行整合，建立公路管道，橋梁管線協(xié)調(diào)統(tǒng)一的平臺，采用3D模型實現(xiàn)管線綜合的可視化。BIM管線綜合主要用于公路施工圖的設計階段，通過BIM管線綜合，可縮短工期、提高施工質(zhì)量、節(jié)約成本。

4.5 勘察設計階段BIM協(xié)同設計要求

通過BIM技術(shù)，實現(xiàn)了公路模型共享、轉(zhuǎn)換，將公路設計、工程造價、結(jié)構(gòu)設計等的集合，使得協(xié)同設計技術(shù)得到大幅提高。在公路全生命周期中，公路勘察設計由交通工程、隧道、橋梁、路線等專業(yè)BIM子模型組成，因而公路設計從2D的CAD圖形轉(zhuǎn)變?yōu)?D模型，實現(xiàn)了各個專業(yè)協(xié)同設計，協(xié)作基礎為模型可視化表達、語言標準化傳遞，圖6為公路勘察設計協(xié)同設計管理流程圖。

圖6 BIM公路勘察設計協(xié)同設計流程圖Figure 6 The flow chart of collaborative design for BIM highway survey and design

4.5.1 模型空間坐標統(tǒng)一

在進行設計時，公路3D模型、DEM、交通附屬設施3D模型在空間坐標上要進行統(tǒng)一，公路勘測使用平面坐標系、高程坐標系，這樣在進行模型碰撞檢測、分析、運營管理上比較方便。

4.5.2 模型建模精度

為滿足公路建設的測量精度、公路養(yǎng)護、公路施工需求，公路勘測3D模型精度必須達到施工圖要求的精度。

4.5.3 模型可視化

BIM模型具有豐富的屬性信息和幾何信息，開采用Revit軟件，對BIM應用進行深入開發(fā)，通過LOD分級模型，采用3D模型，可豐富、便捷對不同任務進行信息可視化展示。

5 BIM勘察設計應用實例

吉林省某高速公路改擴建工程，路線里程約201 km，沿線共有互通15座，該公路的特點是交通量較大、建設形式較多、縱向和橫向分期修建、路況較復雜、實施難度高。對于道路地表信息的獲取，項目采用車載激光3D測量技術(shù)，獲取了道路基礎設施信息、道路構(gòu)造物等信息，同時對公路BIM可視化進行了應用，圖7為激光點云測量數(shù)據(jù)采集，表2為公路BIM應用地表數(shù)據(jù)采集信息。

圖7 激光點云測量數(shù)據(jù)采集Figure 7 The laser point cloud measurement data collection

表2 公路BIM應用地表數(shù)據(jù)采集信息Table2 ThesurfacedataacquisitioninformationofhighwayBIM參數(shù)低空路面數(shù)據(jù)采集高空大范圍數(shù)據(jù)采集地面激光點密度/(個·m-2)215沿線位單側(cè)采集帶寬/m112293DOM影像分辨率/m015路面激光點云平面中誤差/m0041路面激光點云高程中誤差/m0019橫斷面地面高程中誤差/m0044

在測量過程中，DOM數(shù)據(jù)和激光點云采用平面坐標系是相同的，通過對數(shù)字正射影像、地表激光點云進行數(shù)據(jù)處理和使用，建立DEM模型，進行設計路線的對比和選擇；精細模型有橋梁3D模型、路面3D模型。生成分辨率為0.3 m的彩色DOM。在Bently平臺下，將DEM模型進行導入，實現(xiàn)公路的3D可視化展示；設計人員根據(jù)樁號，對相應地形數(shù)據(jù)進行下載，得到路面信息，最后生成路面3D地面線，進行路面設計，設計結(jié)果導入CAD軟件。在Bently環(huán)境下，根據(jù)精細模型數(shù)據(jù)，進行公路3D可視化設計，在3D可視化平臺下，實現(xiàn)了施工圖協(xié)同設計，提高了公路勘察設計的質(zhì)量，使公路擴修進展順利。

6 結(jié)語

本文采用BIM技術(shù)，對公路勘察設計質(zhì)量的提升進行了研究。通過分析公路勘察設計BIM技術(shù)的特點，建立了公路勘察BIM的3D模型，分析了勘察設計階段BIM管線綜合設計要求、BIM協(xié)同設計要求，采用衛(wèi)星測量、3D激光測量技術(shù)，對吉林省某高速公路改擴建工程建立了BIM3D模型，在Bently環(huán)境下，根據(jù)精細模型數(shù)據(jù)，進行公路3D可視化設計，在3D可視化平臺下，實現(xiàn)了施工圖協(xié)同設計，提高了公路勘察設計的質(zhì)量，使公路擴修進展順利。

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The Application Research of BIM Technology in Improving the Quality of Highway Survey and Design

LIU Xiangfa

(Weifang University of Science and Technology， Shouguang， Shandong 262700， China)

Highway Survey and design quality is the foundation of engineering quality，is the key of highway engineering construction，the quality of highway construction will cause a direct impact.In this paper，the quality of Highway Survey and design is studied by using BIM technology.By analyzing the characteristics of Highway Survey and design of BIM technology，established a 3D model of BIM highway survey，analyzes the survey and design phase，the integrated design of BIM pipeline BIM collaborative design requirements，using satellite measurements，3D laser measurement technology of Jilin province freeway expansion project BIM3D model is established in the Bently environment，according to the the fine model data，the design of 3D visualization in 3D highway，the visualization platform，realizes the construction of collaborative design，improve the quality of Highway Survey and design，make the highway expansion and repair progress.

BIM technology； highway survey； quality； upgrade

2016 — 09 — 22

國家自然科學基金研究項目(61074140)

劉相法(1971 — )，男，山東壽光人，副教授，研究方向：土木工程施工、精密工程測量方面。

U 412

A

1674 — 0610(2016)06 — 0164 — 05