基于BIM技術(shù)的城市道路施工保通方案設(shè)計(jì)

林 木,趙 濤,馬新穎

(1.濟(jì)南市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,山東 濟(jì)南 250101;2.天津城建設(shè)計(jì)院有限公司,天津 300122)

1 工程概況

為滿足城市道路規(guī)范化建設(shè)需求,地方政府提出了針對(duì)濟(jì)南市舜泰北路道路的改擴(kuò)建施工方案。該施工項(xiàng)目概況如表1所示。

表1 施工項(xiàng)目概況

考慮到項(xiàng)目施工期間,會(huì)對(duì)地面道路的交通組織造成一定的影響。為保證項(xiàng)目快速路施工順利實(shí)施,保障施工中道路通行車輛的安全,對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)地面道路實(shí)行封閉管理,采取分段、半幅封閉或全幅封閉的方式施工。

由于道路周邊分布著眾多大型商業(yè)設(shè)施,地下管線復(fù)雜,地下空間施工困難,加之施工工期緊、開挖范圍大、影響范圍廣、交通壓力大,因此,該工程項(xiàng)目的保通施工方案設(shè)計(jì)難度較高[1]。因此在設(shè)計(jì)方案中,應(yīng)充分考慮道路交通情況,合理組織施工方案,確保工程項(xiàng)目在預(yù)期工期內(nèi)順利完工。

2 城市道路施工保通方案

2.1 基于BIM建立城市道路施工模型

為提高城市道路施工過程中車輛的通行能力,濟(jì)南市舜泰北路道路工程項(xiàng)目在設(shè)計(jì)施工保通方案過程中,引進(jìn)了BIM技術(shù),使用BIM技術(shù)中的PowerCivil、Microstation、LumenRT與Civil 3D工具,建立城市道路施工模型。在此過程中,明確三維地模的精度將直接影響到整個(gè)道路工程BIM模型的精度,因此,可使用CAD與PowerCivil軟件,在可編輯界面中,對(duì)舜泰北路建筑物進(jìn)行三維建模。同時(shí),使用三角網(wǎng)格最大長(zhǎng)度,對(duì)道路中建筑物模型進(jìn)行裁剪處理,修正高程孤點(diǎn)(出現(xiàn)高程誤差的高值點(diǎn)),從而獲得準(zhǔn)確的三維地質(zhì)構(gòu)造模型,以便進(jìn)行下一步建模操作。為提高構(gòu)建城市道路施工模型的可靠度,根據(jù)道路中建筑物所在的空間位置,建立指標(biāo)序列,評(píng)估不同構(gòu)筑物對(duì)道路施工中車輛通行的影響[2]。此過程如公式(1)所示。

(1)

式中:xi(k)為城市道路施工段中第i個(gè)構(gòu)筑物對(duì)應(yīng)第k個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重;pi(k)為城市道路施工段中第i個(gè)構(gòu)筑物對(duì)應(yīng)第k個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的序列;m表示城市道路施工段構(gòu)筑物總數(shù),個(gè)。根據(jù)該工程的概況,城市道路施工段周圍的構(gòu)筑物較多,以其中某一路段為例,該路段共計(jì)3個(gè)構(gòu)筑物,運(yùn)用式(1)得到的權(quán)重值分別為1、1和0.5。在此基礎(chǔ)上,采用專家評(píng)分法,確定舜泰北路施工段中不同構(gòu)筑物的權(quán)重值,采用灰色序列計(jì)算法,計(jì)算得到施工段不同構(gòu)筑物的灰色關(guān)聯(lián)度。此過程如公式(2)所示。

(2)

式中:εi為城市道路施工段中第i個(gè)的灰色關(guān)聯(lián)度;s0為構(gòu)筑物空間坐標(biāo);si為坐標(biāo)偏差補(bǔ)償值。以上述3個(gè)構(gòu)筑物為例,利用式(2)計(jì)算得到的構(gòu)筑物與施工行為的灰色關(guān)聯(lián)度分別為0.743、0.802 4和0.859 7。完成上述計(jì)算后,使用BIM技術(shù)中的PowerCivil軟件,繪制道路橫向與縱向斷面曲線。橫向與縱向斷面曲線是城市道路工程施工的關(guān)鍵,此曲線直接影響道路施工建模中不同構(gòu)筑物的三維空間定位精度。橫向與縱向斷面曲線由各類線型構(gòu)成,與工程的實(shí)際工程量有密切聯(lián)系。繪制過程中,在BIM界面創(chuàng)建一個(gè)空白文檔,使用PowerCivil軟件對(duì)構(gòu)筑物進(jìn)行空間拉伸,將其與主干線路分別生成在不同文檔中,用各個(gè)平面線來(lái)繪制縱剖線。在此基礎(chǔ)上,考慮到城市道路工程施工中的路堤斷面是一種復(fù)雜、既有構(gòu)筑物的保護(hù)措施,因此,必須對(duì)其進(jìn)行空間上合理邏輯聯(lián)系的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過程中,將模板原點(diǎn)與道路、斜坡結(jié)構(gòu)控制點(diǎn)(例如道路中線點(diǎn)、路中點(diǎn)、路旁線點(diǎn)或單個(gè)構(gòu)筑物等)相對(duì)空間位置關(guān)系進(jìn)行匹配,根據(jù)構(gòu)筑物的相互依存關(guān)系構(gòu)造截面模板,設(shè)定截面各部位的屬性定義和材料信息。在此基礎(chǔ)上,建立城市道路工程整體模型,在模型中輸入超高數(shù)據(jù)和拓寬數(shù)據(jù),采用單元線性布置方式,將護(hù)欄、路燈、標(biāo)牌等輔助設(shè)備插入,并在路面上布置標(biāo)線,將其他專業(yè)(橋梁、隧道等)的單元結(jié)構(gòu)BIM模型安裝到平面曲線上,對(duì)匝道交叉時(shí)的鼻端進(jìn)行調(diào)整。按照上述方式,完成基于BIM建立城市道路施工模型構(gòu)建。

2.2 設(shè)置道路保通臨時(shí)隔離墩

在上述設(shè)計(jì)內(nèi)容的基礎(chǔ)上,為實(shí)現(xiàn)在城市道路施工過程中,對(duì)施工段與道路車輛通行段的合理隔離處理,應(yīng)增設(shè)道路保通臨時(shí)隔離墩。

設(shè)置道路保通臨時(shí)隔離墩,使用多條索鏈,將預(yù)留孔與隔離柵按照規(guī)范進(jìn)行連接處理。在此階段中,路基的開挖需要從土路邊沿開始,許多大型的路標(biāo)都必須拆除。為此,可以使用占地較小的臨時(shí)標(biāo)識(shí)代替大標(biāo)識(shí)與原有標(biāo)識(shí),多個(gè)標(biāo)識(shí)可以采用連續(xù)、重復(fù)布置的方式,以此起到警示與隔離的指示作用。

標(biāo)志柱可以暫時(shí)固定在防撞裝置上,也可以在中間隔板上臨時(shí)安裝,可以是柱形或是懸臂型,如果有其他結(jié)構(gòu)可以依靠,也可以用固定式或可移動(dòng)標(biāo)志柱代替。在此過程中,考慮到部分城市道路工程的施工周期較長(zhǎng),因此應(yīng)遵循動(dòng)態(tài)化設(shè)計(jì)方案,不必拘泥于固定規(guī)則,應(yīng)視具體情況而定,待工程建設(shè)到一定階段或建設(shè)環(huán)境發(fā)生改變后,再對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。按照上述方式,完成對(duì)道路保通臨時(shí)隔離墩與相關(guān)警示性隔離標(biāo)識(shí)的設(shè)計(jì)與綜合布置。

2.3 城市道路施工保通方案的動(dòng)態(tài)調(diào)整

完成上述設(shè)計(jì)后,可根據(jù)城市道路工程施工的實(shí)際需求,進(jìn)行保通方案的動(dòng)態(tài)調(diào)整。在此過程中,根據(jù)組織方案,將項(xiàng)目劃分為多個(gè)環(huán)節(jié)。在明確不同環(huán)節(jié)的施工任務(wù)后,應(yīng)在工程方完成施工段土地征用、前期施工準(zhǔn)備等工作后,施工方進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng),進(jìn)行道路施工的初步保通規(guī)劃。保通過程中,根據(jù)施工段的覆蓋范圍,封閉部分路段并有序開放其他路段。在此基礎(chǔ)上,施工方可以開始進(jìn)行路基加寬的填筑及開挖、涵洞加長(zhǎng)、橋梁基礎(chǔ)及下部施工、各種梁板預(yù)制、部分跨線橋基礎(chǔ)及下部施工。該路段在施工過程中,車輛在初期不會(huì)減速,即道路施工不會(huì)對(duì)車輛提出較多要求,但在后期拆除硬質(zhì)路基時(shí),要求行駛車輛的車速需要降到60 km/h以內(nèi)。在設(shè)計(jì)車輛行駛路段的行駛速度時(shí),可根據(jù)原道路設(shè)計(jì)速度,合理調(diào)整施工期間內(nèi)車輛的行駛速度。

在道路保通方案實(shí)施過程中,應(yīng)先按照設(shè)計(jì)的施工計(jì)劃,進(jìn)行道路工程的銑刨處理,將銑削出的廢渣按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行加工,以降低環(huán)境污染。同時(shí),將中間隔離帶的部分拆下,送到工廠進(jìn)行處理。在進(jìn)行鋪面工程施工時(shí),需要先進(jìn)行東半幅路側(cè)、中央分隔帶、標(biāo)志標(biāo)牌、車道劃線等的規(guī)范施工,對(duì)西半幅下基層鋪裝,鋪面完成后進(jìn)入下一步的工程建設(shè)。在此過程中,根據(jù)工程施工工期的需求,及時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整路段施工順序,明確所有的預(yù)設(shè)方案并不是一成不變的。按照上述方式,實(shí)現(xiàn)對(duì)保通方案的動(dòng)態(tài)調(diào)整。

3 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

為檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的保通方案在實(shí)際應(yīng)用中的效果,下面將通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方式展開測(cè)試研究。

實(shí)驗(yàn)過程中,根據(jù)舜泰北路交通現(xiàn)狀及交通流量情況,結(jié)合設(shè)計(jì)的施工方案確定對(duì)應(yīng)的工程施工節(jié)點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,清理舜泰北路施工段路基范圍內(nèi)的土方,對(duì)部分路段進(jìn)行開挖處理。同時(shí)設(shè)計(jì)保通方案,提高施工時(shí)段內(nèi)道路的交通能力,減少道路施工安全事故的發(fā)生。設(shè)計(jì)施工保通方案前,根據(jù)舜泰北路道路工程項(xiàng)目施工方的人力投入,建立施工保通組織機(jī)構(gòu)。

完成上述設(shè)計(jì)后,使用本次設(shè)計(jì)的方案,進(jìn)行施工保通方案的設(shè)計(jì)與規(guī)劃。完成施工保通設(shè)計(jì)后,引進(jìn)基于三維可視化技術(shù)的施工保通方案設(shè)計(jì)方法和基于遙感技術(shù)的施工保通方案設(shè)計(jì)方法,將提出的兩種方法作為傳統(tǒng)方法1與傳統(tǒng)方法2。根據(jù)舜泰北路車輛出行的實(shí)際情況與城市道路設(shè)計(jì)的施工方案,使用本方法與兩種傳統(tǒng)方法進(jìn)行施工保通方案的開發(fā)與設(shè)計(jì)。

將三種施工保通方案錄入計(jì)算機(jī),使用CAD與PowerCivil軟件進(jìn)行可視化處理,對(duì)給定施工天數(shù)內(nèi)的車輛通行數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì),對(duì)三種方案投入使用后的道路車輛通信能力進(jìn)行預(yù)測(cè)與分析。數(shù)據(jù)對(duì)比如圖1所示。

圖1 三種施工保通方案使用后的道路車輛通行能力對(duì)比

由圖1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,三種施工保通方案在實(shí)際應(yīng)用中,都可以起到提高城市道路車輛通行能力的效果,但相比傳統(tǒng)的保通方案設(shè)計(jì)方法,提出的基于BIM技術(shù)的保通方案設(shè)計(jì)方法在應(yīng)用后,道路可通行車輛數(shù)量最多。

完成上述實(shí)驗(yàn)后,使用計(jì)算機(jī)模擬三種方案在投入使用后,不同區(qū)域內(nèi)道路施工與道路車輛通行的安全沖突行為發(fā)生次數(shù)。以此為依據(jù),對(duì)三種施工保通方案在實(shí)際應(yīng)用中的效果進(jìn)行綜合評(píng)估,由此檢驗(yàn)本設(shè)計(jì)保通方案在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì),隨機(jī)選取10處城市道路施工區(qū)域,按照規(guī)范統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,如表2所示。

表2 模擬三種方案中道路施工與車輛通行的安全沖突行為發(fā)生次數(shù) 單位:次

由表2可知,三種施工保通方案中,只有本文方法可以將安全沖突行為發(fā)生次數(shù)控制在一個(gè)相對(duì)較低的水平。因此,在完成上述實(shí)驗(yàn)后,綜合圖1與表2所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,得到如下最終結(jié)論:相比傳統(tǒng)方法,本文設(shè)計(jì)的基于BIM技術(shù)的施工保通方案可以在提高施工中車輛通行能力的基礎(chǔ)上,降低道路施工與道路車輛通行的安全沖突行為發(fā)生次數(shù),提高施工中車輛行駛的安全性。

4 結(jié)束語(yǔ)

為避免道路施工對(duì)城市交通造成負(fù)面影響,基于BIM建立城市道路施工模型,設(shè)置道路保通臨時(shí)隔離墩,進(jìn)行保通方案的動(dòng)態(tài)調(diào)整,完成了城市道路施工保通方案的設(shè)計(jì)研究。結(jié)合交通影響分析與交通流量預(yù)測(cè)結(jié)果得出BIM技術(shù)在保通中實(shí)際使用效果良好,該方案可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效、環(huán)境友好、資源共享等目標(biāo),保證所建設(shè)的施工方案與社會(huì)發(fā)展需求相適應(yīng)。但要將此方案在工程領(lǐng)域內(nèi)推廣使用,還需要在現(xiàn)有工作的基礎(chǔ)上,結(jié)合道路發(fā)展的實(shí)際需求與工程項(xiàng)目所在地的具體情況,對(duì)設(shè)計(jì)的保通方案進(jìn)行優(yōu)化。因此,在后續(xù)的工程項(xiàng)目建設(shè)中,可嘗試將設(shè)計(jì)的保通方案代替?zhèn)鹘y(tǒng)的保通方案在道路建設(shè)項(xiàng)目中推廣使用。