BIM技術(shù)在橋隧相接部位方案設(shè)計中的應(yīng)用

黃成岑， 李洋溢， 袁通

(1.廣西交通投資集團有限公司， 廣西 南寧 530029； 2.廣西交通設(shè)計集團有限公司)

BIM技術(shù)( Building Information Modeling)是對工程項目的物理特征、功能特性和管理要素的共享數(shù)字化表達(dá)。近年來，BIM 技術(shù)以其可視化、信息化等特點在建筑行業(yè)得到了快速的發(fā)展。其在項目建設(shè)過程中具有顯著的優(yōu)勢:① 在建設(shè)過程中，運用BIM 多維度模擬功能可對施工方案提前預(yù)演，并有助于精細(xì)化管理,實現(xiàn)對項目的高效控制;② BIM模型中構(gòu)件所包含的信息可以表達(dá)構(gòu)件的屬性和行為，支持?jǐn)?shù)字化的分析工作。當(dāng)前BIM技術(shù)在中國公路建設(shè)領(lǐng)域還處于逆向設(shè)計階段，即采用傳統(tǒng)的設(shè)計手段完成后，通過BIM技術(shù)對設(shè)計成果進(jìn)行演示。該文依托某高速公路建設(shè)過程中遇到的在偏壓地形情況下橋隧相接部位局部基礎(chǔ)落空的案例，結(jié)合三維傾斜攝影技術(shù)和BIM技術(shù)實現(xiàn)三維實景建模，通過提取特殊部位的橫斷面等信息，進(jìn)而確定較為精準(zhǔn)的設(shè)計方案。

1 項目概況

某高速公路設(shè)計時速為80 km/h，橋隧占比約50%，其中橋隧相接部位較多。圖1為某隧道進(jìn)口與橋相接，隧道長約177 m，為短隧道與路基同寬，橋隧相接部位為30 m高懸崖。隧道進(jìn)口左、右洞洞口樁號分別為KD124+015、KC123+975，為端墻式洞門；橋梁左、右幅終點樁號分別為KD124+013.5、KC123+973.5，橋臺均采用柱式臺，樁基礎(chǔ)。

2 初始擬定方案

該處地質(zhì)為近水平中-強風(fēng)化砂巖，設(shè)計標(biāo)高距陡崖底部高約28 m，巖面傾角為65°～80°，陡崖底部下埋深約12 m為強風(fēng)化砂巖，其下為中風(fēng)化砂巖。原設(shè)計左、右洞偏壓明洞長度分別為5、8 m，經(jīng)清表后，右洞明洞和洞門墻的左側(cè)基礎(chǔ)落空，最大落空寬度約為5 m。

圖1 橋隧相接部位

初步確定方案如下：

(1) 取消右洞明洞，洞門樁號設(shè)置為KC123+983，將最后一片梁(① 采用預(yù)制方案；② 采用現(xiàn)澆方案)相應(yīng)加長。

(2) 隧道洞口樁號不變，明洞和洞門墻左下角采用C30混凝土擋墻基礎(chǔ)形式(① 擋墻基礎(chǔ)下采用樁基礎(chǔ)進(jìn)入中風(fēng)化砂巖；② 開挖基坑，將擋墻基礎(chǔ)落至能滿足承載力要求的持力層)。

若采用方案(1)，預(yù)制梁加長存在預(yù)制模板和架梁機難以操作問題，若采用現(xiàn)澆梁方案，受地形條件限制，施工支架難以搭設(shè)，施工存在一定的安全風(fēng)險。

若采用方案(2)，由于左幅9#樁基距C30混凝土擋墻基礎(chǔ)距離較近，開挖基坑對樁基穩(wěn)定性影響較大，需采用基坑強支護(hù)措施，總體費用較高。若采用擋墻+樁基礎(chǔ)形式，由于擋墻自重大，在傾角約65°情況下產(chǎn)生的水平推力較大，經(jīng)驗算樁基礎(chǔ)難以滿足抗水平推力要求。

經(jīng)綜合分析，方案(1)和方案(2)施工均較難實施，方案(2)費用較高，且圬工體量太大，影響美觀，故不宜推薦。

3 最終確定方案

大致方案為：隧道明洞取消，采用1 m厚C30鋼筋混凝土貼壁式端墻洞門，洞門墻設(shè)置樁號為KC123+982，左側(cè)設(shè)置一偏壓擋墻，縱長3 m，洞門墻下設(shè)置—截面為1 m×1.5 m(寬×高)基礎(chǔ)梁，洞門墻、擋墻、基礎(chǔ)梁均采用藥卷錨桿與巖體連接牢固，如圖2所示。加長帽梁，使左側(cè)樁基偏移出峭壁位置，如圖3所示。橋臺與隧道洞門間設(shè)置加強型搭板。為保證右側(cè)邊坡穩(wěn)定，搭板右側(cè)邊坡坡率設(shè)置為1∶0.3，采用錨噴防護(hù)形式。

圖2 隧道最終變更方案(單位：cm)

圖3 橋梁最終變更方案(單位：cm)

最終變更方案是基于BIM技術(shù)進(jìn)行方案設(shè)計，具體實施如下。

3.1 三維傾斜攝影技術(shù)采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)

三維傾斜攝影技術(shù)是最近幾年發(fā)展的一項測量技術(shù)，以往航測技術(shù)只能從垂直方向進(jìn)行拍攝，三維傾斜攝影技術(shù)通過在同一無人機上安裝可旋轉(zhuǎn)式傳感器，從不同角度采集影像，同時自動記錄航高、坐標(biāo)等數(shù)據(jù)，最后通過專業(yè)技術(shù)對影像資料進(jìn)行分析，獲得真實三維影像。

此次航拍共選定3處較為空曠位置布設(shè)影像控制點，如圖4所示，標(biāo)記位置需醒目。采用無人機搭載1臺高清相機，通過地面操作界面控制，攝像頭可360°旋轉(zhuǎn)，分別獲取不同角度的影像資料，無人機控制飛行高度為150 m，航拍傾斜角度30°，每次拍攝影像控制點須清晰可辯，以便后期處理時能保證成果的精確，同時采用全站儀人工測量影像控制點三維坐標(biāo)和隧道、橋梁控制坐標(biāo)網(wǎng)。

圖4 攝影控制點

三維傾斜攝影技術(shù)測繪精度達(dá)厘米級，構(gòu)建的三維場景能真實地反映橋隧結(jié)構(gòu)物的外觀、位置和高度等屬性。利用Bentley公司的Smart 3D軟件，可將外業(yè)影像成果生成GIS模型。

3.2 橋隧BIM模型

基于達(dá)索3D EXPERIENCE R2015x平臺開發(fā)的道路交通設(shè)計系統(tǒng)SMEDI-RDBIM，通過導(dǎo)入二維CAD設(shè)計圖紙中的設(shè)計線、橋型布置圖、隧道橫斷面等信息，能快速進(jìn)行橋隧三維模型創(chuàng)建(圖5)。

圖5 橋隧三維模型創(chuàng)建

3.3 傾斜攝影與BIM模型融合

將三維傾斜攝影GIS模型重新生成為.Obj文件，然后將BIM橋隧模型導(dǎo)出.fbx格式，最后通過3ds max平臺進(jìn)行融合，生成橋隧工點地形三維曲面模型(圖6)，最終可進(jìn)行現(xiàn)場三維實景還原(圖7)。

圖6 橋隧工點地形三維曲面

圖7 BIM三維實景模型

三維曲面從本質(zhì)上看是mesh模型，即網(wǎng)格面模型，通過三維曲面模型，可隨意切取各樁號橫斷面線進(jìn)行精確分析，通過提取KC123+982隧道洞門樁號位置處的垂直切片(圖8)，分析基礎(chǔ)梁的懸臂長度再具體確定基礎(chǔ)梁的截面、位置和配筋。從圖8可看出：基礎(chǔ)梁左側(cè)端頭未落空。對于右幅8#橋臺原設(shè)計左側(cè)樁基，通過提取KC123+973樁號橋臺帽梁位置處的垂直切片(圖9)，由圖9可看出樁基中部外露于巖體，不具備施工條件，而帽梁基底處約有2 m左右懸空，還有10 m位于基巖之上，故最終采用加大帽梁的方案，使左側(cè)樁基偏移出峭壁位置。

圖8 隧道洞門樁號位置BIM垂直切片

4 方案現(xiàn)場實施

目前，隧道和橋梁均已施工完畢，從圖10可看出：

圖9 BIM橋臺處樁基切片

圖10 橋隧相接部位現(xiàn)場施工

隧道右洞基礎(chǔ)梁左側(cè)端頭部位和左側(cè)擋墻均未落空，通過加長帽梁，樁基置于穩(wěn)定基巖上，與BIM建模切片分析結(jié)論一致。洞口外右側(cè)邊坡采用噴錨+掛網(wǎng)植草防護(hù)，由于巖層呈水平產(chǎn)狀，整體穩(wěn)定性較好。

5 技術(shù)應(yīng)用總結(jié)

在復(fù)雜地形橋隧相接部位運用BIM三維建模技術(shù)，總結(jié)其技術(shù)要點如下：

(1) 復(fù)雜地形中一般地形陡峭，測量困難，難以提供準(zhǔn)確的測量基礎(chǔ)資料，運用BIM三維建?？梢蕴峁┹^為精準(zhǔn)的地形地貌條件，為方案確定打下堅實的基礎(chǔ)。該橋隧相接處巖面高且陡峭，測量人員難以測量精準(zhǔn)，運用BIM切片技術(shù)，能獲取不同樁號、不同高程巖面吊空情況。例如：洞門墻下的基礎(chǔ)梁，其設(shè)置截面、位置、配筋均需根據(jù)左側(cè)巖面落空情況具體確定，由于左側(cè)巖面陡峭測量不準(zhǔn)確，難以根據(jù)測量資料確定該方案是否可行。傳統(tǒng)方法是挖開基礎(chǔ)后再具體確定，但由于右側(cè)邊坡陡峭且存在一定偏壓，若開挖太深或較長時間再確定方案對右側(cè)邊坡穩(wěn)定性不利。而采用BIM切片技術(shù)，提取此處的垂直切片，可較為清晰地看出結(jié)構(gòu)物處地形地貌，為方案確定提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)資料。

(2) 運用BIM三維建模技術(shù)，能準(zhǔn)確全面預(yù)先了解擬定方案的實體情況，能提前檢查該橋隧相接部位是否有互相沖突或考慮不周的情況，該案例中橋尾與隧洞洞門中有一段路基相連，但在橋梁直接與隧道相連處，BIM三維建模能發(fā)揮更大的作用，更能直觀體現(xiàn)出各結(jié)構(gòu)物之間的位置關(guān)系和聯(lián)結(jié)情況。

(3) 運用BIM三維建模技術(shù)，融合了實際地形和擬建結(jié)構(gòu)物，能直觀精準(zhǔn)地表現(xiàn)結(jié)構(gòu)物之間及與地形地貌的相互關(guān)系，對方案匯報、設(shè)計思路有較大的幫助。以往傳統(tǒng)方法是采用航拍圖片和CAD圖紙解釋方案情況及設(shè)計思路，但航拍圖片中無法準(zhǔn)確表現(xiàn)結(jié)構(gòu)物的位置，而CAD圖紙所含信息量較小，無法完整地展現(xiàn)地形地貌及鄰近其他結(jié)構(gòu)物的情況。BIM三維建模技術(shù)融合了實際地形與擬建結(jié)構(gòu)物，更具說服力,較好地解決了上述傳統(tǒng)方法的不足。

6 結(jié)語

BIM三維建模技術(shù)在橋隧相連的復(fù)雜地形處能較好地解決測量基礎(chǔ)資料失真的情況，提供完善的地形地貌及擬建結(jié)構(gòu)物信息，對設(shè)計方案的確定有較大的幫助。在今后的勘察設(shè)計中，建議在橋隧相接復(fù)雜地形處，多利用BIM三維建模技術(shù)手段，提高勘察精度，提高設(shè)計精細(xì)化水平。