高速公路工程BIM技術示范性應用研究

陸山風，王長海

(1.廣西新發(fā)展交通集團有限公司，廣西 南寧 530029；2.廣西交通設計集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

BIM技術是隨著計算機技術和圖形技術的發(fā)展而逐漸產生的，它以構筑物、構件三維實體為基礎，附加了幾何參數(shù)、材質、工程屬性等信息數(shù)據(jù)，通過構筑物、構件的組合創(chuàng)建數(shù)字化的工程孿生模型。BIM技術最早起步于民用建筑行業(yè)，目前應用已趨于成熟。BIM技術在交通行業(yè)的應用相對滯后，但是具有較為廣闊的研究空間和應用前景，因此，開展基于BIM技術的高速公路工程三維數(shù)字化示范應用對于提升公路行業(yè)BIM技術水平、規(guī)范應用流程具有重要的指導意義。

項目采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)架構和數(shù)據(jù)格式，在項目的全生命周期內建立起數(shù)據(jù)共享與轉換的通道，從而保證數(shù)據(jù)、信息在各階段管理系統(tǒng)中能高效流轉，為交通項目各項業(yè)務的開展提供全新的三維數(shù)字化技術手段和信息數(shù)據(jù)，實現(xiàn)項目全過程、全生命周期的可視化和信息化管理。

本文以廣西賀州至巴馬高速公路都安至巴馬段為依托工程，針對高速公路項目設計、建設和運營過程中存在的難點和問題，研究基于BIM技術的高速公路三維數(shù)字化示范應用。

1 項目概述

賀州至巴馬高速公路是《廣西高速公路網規(guī)劃修編(2018—2030)》“1環(huán)12橫13縱25聯(lián)”布局方案中“橫3”線中的重要組成部分，項目全長約480 km，分為鐘山至昭平、昭平至蒙山、蒙山至象州、象州至來賓、來賓至都安、都安至巴馬6個分項目，其中都安至巴馬段主線全長119.4 km，是廣西重點推進的縣縣通高速公路項目，也是全國最大的高速公路設計施工總承包(EPC)項目之一。

項目路線穿越著名的巴馬長壽養(yǎng)生國際旅游區(qū)和紅水河風景名勝區(qū)，具有豐富的旅游資源和健康產業(yè)資源，項目的建設必將促進沿線旅游業(yè)、康養(yǎng)業(yè)的發(fā)展，實現(xiàn)交通和旅游、健康等產業(yè)的深度融合，形成交通+產業(yè)融合的示范性工程。

同時，本項目力爭通過BIM三維數(shù)字化技術的應用，促進設計質量、建設質量以及管理質量的提升，打造廣西區(qū)內第一個高速公路BIM技術應用示范項目。

2 項目難點

本項目建設難點具體表現(xiàn)為以下幾點：

(1)項目空間跨度大、建設規(guī)模大。項目路線全長119.4 km，同步建設大化、都陽等4條連接線及2條支線。全線設置澄江、都安南、大化、都陽、羌好、民安、巴馬西7處互通立式立交，服務區(qū)2處，停車區(qū)2處。橋梁總長約12.6 km，隧道總長約4.4 km，橋隧比達到48%，建設總投資167億元。

(2)總承包模式管理難度大。項目采用總承包建設模式，包含多個關鍵施工節(jié)點和多個參建方，項目綜合協(xié)調管理難度大，建設周期難以控制。

(3)建設條件復雜。項目路線穿越廣西西部山地和丘陵交錯地帶，喀斯特峰叢林立，巖溶發(fā)育，地下河眾多，造就了項目復雜的建設條件，對橋梁和隧道的高質量設計和精細化設計提出了高的要求。

(4)路線范圍生態(tài)環(huán)境影響重大。項目路線穿越多個風景區(qū)、地質公園和生態(tài)保護區(qū)域，如何降低項目建設對生態(tài)環(huán)境的影響是一個技術性的難題。

(5)打造“高速+旅游”融合設計。項目沿線旅游資源豐富而獨特，沿線分布著濕地公園、地質公園和多個風景名勝區(qū)，如何使項目的建設進一步促進區(qū)域內旅游資源的開發(fā)、協(xié)調，以及融合高速與旅游的關系，需要進一步綜合衡量。

本文通過分析論證，認為上述項目建設難點基本體現(xiàn)了高速公路項目建設所需要解決的基本問題，采用BIM三維數(shù)字化技術解決以上難點，完全可以形成高速公路工程BIM技術示范應用，可為其他公路建設的應用提供借鑒和參考。

3 “BIM+交通”的工程應用

基于BIM技術的三維可視化的特點，構建項目全要素對象的三維模型，結合場地、環(huán)境、效果等因素對設計方案進行分析，優(yōu)化設計方案和成果。

3.1 場地勘測應用

3.1.1 無人機實景建模

在高速公路建設中，真實可靠、高效率的可視化環(huán)境信息對于項目設計越來越重要，利用無人機的優(yōu)勢以及傾斜攝影技術，可以快速準確地對項目沿線進行正攝影像拍攝和實景建模，成為GIS(地理信息系統(tǒng))中重要的一環(huán)，也是BIM中重要的角色。

本項目通過在同一飛行平臺上搭載多角度相機，同時從垂直、傾斜等不同的角度采集影像，獲取地面物體更為完整準確的信息，由這些傾斜影像即可生成三維模型。

針對項目的重點區(qū)域(特大橋或者隧道)以及人工難以到達的區(qū)域進行了三維實景建模(見圖1)，為設計提供了準確的基礎數(shù)據(jù)和信息。

圖1 三維實景建模示例圖

3.1.2 機載激光地形航測

為解決部分區(qū)域茂密植被地形難以測繪的問題，項目引入了機載激光雷達測繪技術，激光能穿透茂密的植被直達地形表面，從而快速精準地獲得地表三維空間信息影像(見圖2)，通過激光點云分類軟件對激光點云數(shù)據(jù)進行精確分類，通過插值擬合，生成項目高精度DEM，可以直接用于項目設計。三維地形激光航測技術的應用，解決了人工現(xiàn)場測繪采樣點稀疏、周期長的問題，極大降低了測繪成本[1-2]。

圖2 三維空間信息影像圖

3.1.3 三維巖土數(shù)值模擬分析

基于地形三維曲面和鉆孔數(shù)據(jù)，對橋梁、隧道、特殊路基段等需要結合地質條件進行設計的重點部位進行三維地質建模與數(shù)值分析(見圖3)，分析和預估巖層、土體在外力作用下的變形和破壞，對力學分布、變形和破壞進行可視化的直觀表達[3-6]。在三維巖土數(shù)值分析的成果上，可以對橋梁、隧道等構筑物的結構進行精確設計，保證了設計質量。

圖3 三維地質建模與數(shù)值分析示意圖

3.1.4 三維地質成果解析

項目根據(jù)鉆探和物探數(shù)據(jù)構建了橋梁、隧道、特殊路基等重點區(qū)域的三維地質模型成果，可以準確地解析這些特殊區(qū)域三維地質構造和巖層分布關系，還可以直觀地展現(xiàn)地下溶洞的空間分布以及對構筑物的影響[7-10]。還可以對三維地質體進行動態(tài)剖切，生成地質的二維剖面圖(見圖4)，極大地減少了出圖工作量。

圖4 地質二維剖面圖

3.2 方案設計應用

3.2.1 征地拆遷分析及應用

在本項目征拆設計的過程中，以BIM技術快速構建項目方案設計模型，準確地展示項目沿線設計構筑物；以GIS技術及無人機傾斜攝影技術真實還原項目沿線周圍環(huán)境及地理信息。通過BIM技術與GIS技術的結合，有效地保證了項目征拆用地與項目設計的一致性?；贐IM模型、實物照片、實景以及地理信息數(shù)據(jù)，自主開發(fā)了公路征拆信息管理系統(tǒng)，征拆工作人員可以在系統(tǒng)上方便地進行土地、青苗、地表附著物的詳查和統(tǒng)計，核算補償，提高征拆工作的效率和準確度。該系統(tǒng)已經在項目實際征拆過程中得到應用，效果良好。

3.2.2 三維智能選線

基于項目三維地形、三維地質以及真實的GIS空間環(huán)境，采用三維智能選線軟件進行路線方案設計。在綜合考慮各種道路選線因素的基礎上，通過軟件進行多方案的計算分析和優(yōu)化，可以提供數(shù)百個路線對比方案，最后以建設投資為優(yōu)化目標選定最終的路線。經項目實踐證明，基于BIM技術的三維智能選線不但提高了路線選擇的合理性、經濟性和最優(yōu)性，還極大地提高了選線的工作效率。

3.2.3 方案比選分析與匯報

基于道路BIM模型與真實場景，以行車視角對全線進行視距分析和視角盲區(qū)分析，準確地判定視距不足以及事故易發(fā)地段，對分析結果以圖片的方式進行直觀的表達。通過三維設計前后對比分析，直觀地呈現(xiàn)方案設計效果和對周邊環(huán)境的影響，輔助政府部門、項目業(yè)主以及評審專家對設計方案進行決策。

3.2.4 交旅融合重要方案設計

大化服務區(qū)是本項目的重要建設節(jié)點之一，是交旅融合設計的重要表現(xiàn)對象，在服務區(qū)的選址和場地規(guī)劃過程中采用BIM技術和GIS技術進行融合設計?；诜諈^(qū)BIM模型對服務區(qū)整體的功能分區(qū)和設施設備進行優(yōu)化布置，確保服務區(qū)功能分區(qū)的合理性，與自然風景的協(xié)調性，服務設施的便利性。如圖5所示。

圖5 服務區(qū)BIM模型圖

通過增強虛擬現(xiàn)實(AR)的方式進行方案成果的匯報和評審，不但提高匯報、評審的質量和效率，也給整個匯報評審提供了直觀真實的匯報效果。

3.3 詳細設計應用

3.3.1 復雜節(jié)點三維精細化設計

公路工程橋梁、隧道、高大邊坡以及互通等復雜節(jié)點往往結構復雜，傳統(tǒng)二維設計難以表達，施工難度大。項目采用BIM技術對上述復雜設計節(jié)點進行精細化的三維設計成果表達，建立了特大型橋梁鋼筋預應力模型、特長隧道結構及鋼筋精細化模型，對復核設計成果和指導施工提供了幫助。

3.3.2 三維參數(shù)化設計及出圖

對于結構變化有規(guī)律而且可復用性比較高的構件，例如樁基基礎、橋梁梁段、隧道襯砌、涵洞通道等，采用參數(shù)化的理念進行設計，通過參數(shù)控制構件結構尺寸變化以適應不同的設計條件并能夠根據(jù)設計條件輸入的變化實現(xiàn)方案的自適應調整和更新?；诰毣娜S模型可以進行動態(tài)的剖切和多視角的投影，生成設計所需的施工圖紙，實現(xiàn)圖模聯(lián)動，保證設計圖紙的準確性。

3.3.3 碰撞檢測分析

通過利用模型構件的空間關系以及計算機的計算能力可以進行三維化碰撞檢測分析，與傳統(tǒng)的二維人工檢查相比，可以極大提高碰撞檢測的效率。通過檢測碰撞提前發(fā)現(xiàn)設計中存在的構件碰撞和間距不足等問題，將問題前置化，避免了不必要的施工浪費，達到綠色設計和施工減排的目的。

3.3.4 BIM與三維數(shù)值分析

為提高設計的準確度，本項目將BIM模型與數(shù)值分析軟件進行了有機的結合，解決了BIM模型與數(shù)值分析軟件之間的數(shù)據(jù)接口問題，實現(xiàn)了建模-分析-修改一體化設計分析流程(見圖6)。重點分析了特大型橋梁的受力、高大邊坡地質等穩(wěn)定性等情況，給設計與施工提供數(shù)據(jù)支撐。

圖6 BIM與三維數(shù)值分析云圖

3.3.5 BIM協(xié)同設計

BIM技術在設計過程中的應用核心在于能夠實時協(xié)同。本項目在設計過程中搭建了三維協(xié)同設計平臺，基于同一組數(shù)據(jù)源，通過服務器加局域網、因特網的方式，各專業(yè)之間、各設計人員之間以及異地設計人員之間能實時共享和交流設計信息，有效減少各專業(yè)之間的設計沖突，提高了設計效率。

3.4 數(shù)字仿真和三維技術交底

3.4.1 三維交通仿真模擬

傳統(tǒng)的交通仿真多基于二維視圖，其仿真成果大多扁平化，不易被項目決策者理解和接受。本項目針對人流和車流比較密集且交通組織關系復雜的互通和服務區(qū)進行三維可視化的交通仿真模擬，將二維仿真結果與三維場景有機結合，把仿真計算數(shù)據(jù)導入到三維渲染軟件中，在三維場景中動態(tài)、直觀地表達互通及服務區(qū)的人流和車流，為優(yōu)化交通組織提供可行的解決方案。如圖7所示。

圖7 三維交通仿真模擬示例圖

3.4.2 脫平臺輕量化技術交底

項目通過輕量化引擎打造脫BIM軟件平臺的移動端應用，可以在網頁端或者手持移動端實現(xiàn)項目模型的三維瀏覽和信息的共享、查詢。同時還可以將BIM模型制作成為VR或則AR進行虛擬現(xiàn)實展示，或者轉為三維PDF文件進行多方技術交底，提高了技術交底的質量和效率。

3.4.3 施工場地布置及仿真

應用BIM技術進行施工場地三維布置，對施工場地內的設備、建筑物進行合理規(guī)劃，對場內運輸路線進行動態(tài)模擬，優(yōu)化運輸路線，通過仿真保證施工場地布局合理、緊湊，同時保證施工場地內交通運輸通暢，減少對土地的占用。

3.4.4 全景漫游導覽和VR展示

大化百里畫廊服務區(qū)是本項目交旅融合的特色工程，為了最真實地展現(xiàn)服務區(qū)布局和景觀設計，項目基于服務區(qū)三維模型建立全景漫游模型，可以實時、交互、動態(tài)地瀏覽和審查景觀方案，輔助方案匯報和決策。基于BIM設計成果，還可以通過網頁端進行項目全景漫游導覽和方案技術交底，使項目業(yè)主和各參與方能深刻、方便、直觀地了解設計意圖。如圖8所示。

圖8 大化百里畫廊服務區(qū)三維模型圖

4 應用效果及其創(chuàng)新

項目創(chuàng)新性地以BIM參數(shù)化模型為信息的存儲載體，打通設計與施工之間的信息傳輸渠道，創(chuàng)造了項目設計和施工融合應用的示范性和創(chuàng)新性。項目的BIM應用示范點及其創(chuàng)新點如下：

4.1 交旅融合BIM示范應用

項目穿越巴馬長壽之鄉(xiāng)、紅水河百里畫廊等多個旅游風景區(qū)，對打造交旅融合示范具有重要的意義。項目通過BIM技術對路線規(guī)劃以及服務區(qū)規(guī)劃進行充分論證和設計，使得路線方案與地方旅游產業(yè)發(fā)展深度融合，進一步加深旅游景區(qū)與周邊省份、城市群的聯(lián)系，使得旅游交通服務更加便捷，同時項目設計方案與自然、人文景觀更加協(xié)調融合，初步達到了交旅融合示范的作用。

4.2 推動項目綠色及品質工程建設

項目基于BIM+GIS技術進行三維選線和各設計方案三維布置，提高資源利用率、減少土地占用率?；跀?shù)字模型的精準下料減少了施工材料的浪費并還能對其進行再利用，同時也減少了施工排污量，避免了項目建設對自然環(huán)境、生態(tài)環(huán)境以及人文景觀的破壞，達到了推動綠色和品質工程建設的目的。

4.3 助力“交通+扶貧”

項目途經都安、大化、巴馬三個國家級貧困縣，路線選擇上綜合考慮貧困區(qū)建設發(fā)展。基于BIM的三維可視化技術降低了技術門檻，使得更多當?shù)剞r民工能本地就業(yè)，提高農民收入，助力脫貧?；贐IM技術的項目合理規(guī)劃對當?shù)匚磥懋a業(yè)的發(fā)展帶來了促進作用，有效降低運輸成本，外部資源走進來和內部資源走出去都更加便捷，商品的流通速度加快，實現(xiàn)產業(yè)脫貧。

4.4 公路全要素BIM集成示范應用

本項目構建了高速公路工程全要素、全專業(yè)的三維數(shù)字化精細模型，模型和信息方案設計和施工建設中都充分發(fā)揮了價值和作用，達到了高速公路全要素對象BIM集成應用示范的目的。

5 結語

在都安至巴馬高速公路工程建設過程中，通過BIM技術的應用，提升了設計質量和建設品質，同時有力地助推了產業(yè)的融合發(fā)展，形成了示范效應。

以BIM技術為代表的三維數(shù)字化技術是未來工程建設的方向，它為工程建設帶來全新的技術視角和信息化手段，使得工程全生命周期的管控更加科學和高效，積極推動著企業(yè)進行技術升級和轉型。未來，無論是在數(shù)字中國、交通強國還是新基建建設中，BIM技術始終是技術的主力軍。