信息技術在公路工程項目的應用探索

文｜龍波

（作者單位：廣西交通設計集團有限公司）

隨著經濟的發展和時代的進步，公路交通作為交通運輸系統的重要組成部分，是我國國民經濟的命脈，對經濟的發展起著重要的推動作用。推動公路建設手段的升級革新是發展現代公路交通的重要途徑。

利用信息技術解決項目難點特點

與其他工程項目相比，公路建設項目有著自己的特點與難點。一是項目跨區域大，綜合管理協調困難。項目規模通常較大，距離長，涉及較多的地區敏感點和眾多地方管理部門。在方案階段需要考慮的自然環境與地方人文控制因素眾多，從而給方案擬定與比選帶來了較大的困難。二是項目沿線地質和地貌環境復雜。三是征地拆遷量大，項目沿線常常穿越多個規劃區及與地方道路、鐵路的交叉，溝通協調難度大。四是控制性工程技術條件復雜。公路工程項目中通常包含技術復雜的特大型橋梁及特長隧道。

針對公路工程項目建設的特點，通過應用無人機傾斜攝影測量、交通組織仿真分析等技術，并結合BIM模型的可視化、三維方案快速設計與調整、設計優化、動態碰撞檢查等優點，逐一解決公路工程項目中存在的規模和空間距離大、征地拆遷量大、沿線地質地理環境復雜等難點問題。

利用BIM技術進行模型創建時，宜根據公路工程建設項目各階段的應用需求采用不同模型精度標準，避免陷入“過度建模”的誤區。隨著項目建設過程信息積累和逐步深化的角度，從宏觀到微觀、從近似到精確的創建。減少不必要的細節既能減輕設計師的工作量，同時也能提高軟件的運行速度。遵循這一原則，在項目各階段可分別采用不同的精度進行模型的創建和交付。

精準傳遞設計意圖 快速調整優化方案

圖1 三維實景模型

圖2 基于三維地質的特大型橋梁設計

圖3 基于三維實景的方案評估

近些年來，傾斜攝影技術在工程領域的應用越來越廣泛。傾斜設計測量技術是利用飛行平臺搭載多個傳感器，分別從垂直、傾斜等角度獲取地面同一地物的不同影像。然后再通過專業的軟件對影像數據進行處理，從而對地面場景進行重構。在項目的勘察階段，可通過采用無人機對高速公路沿線進行航拍，獲取高分辨率正攝影像，并通過ContextCapture軟件生成三維實景模型，如圖1所示，作為公路項目BIM設計的基礎。在創建三維實景模型的同時還可以快速地創建三維地形曲面，能夠解決傳統測繪采樣點不足的問題，同時減少測繪成本。

此外，對重要的控制節點及復雜地質路段建立起三維地質模型，通過利用三維地質模型對橋梁基礎、隧道結構進行設計，如圖2所示。同時還可以通過對高邊坡建立三維網格模型，并將其導入到有限元分析軟件中進行結構受力分析以及邊坡變形分析，為設計提供準確、全面的基礎資料。

以往在前期階段由于工程項目的基礎資料缺乏和二維圖紙表達手段的局限性，經常造成設計方案不能滿足需求、方案調整不及時以及與業主之間溝通不暢的局面。現在，可通過利用基于BIM技術和三維實景模型構建的工程項目三維大場景進行快速的方案設計，通過可視化模型，向決策者傳達不同方案設計意圖，便于直觀地進行方案比選。同時，基于BIM技術的參數化建模功能，可以實現對方案的快速調整與優化。此外，通過BIM模型與三維實景模型結合，如圖3所示，為項目的選線、優化，耕地的占用和建筑物的征拆提供科學的依據。

提高設計效率 減少設計變更

在深化設計階段，基于前期階段的成果可利用BIM技術對項目進行詳細設計。可通過建立起道路橫斷面模板快速建立起道路、高大邊坡，實現多級邊坡并自動分類統計工程量。對于常規橋梁，建立了上部與下部結構參數化族庫，可通過調整不同的參數來適應不同的跨徑和橋位情況，從而提高設計效率。

對于公路項目中技術復雜的特大型橋梁，可利用MicroStation、ProStructures建立精細化設計BIM模型，解決傳統二維圖紙對復雜異型結構表達不清的問題。同時可利用三維參數化模型單元將以往用參數化表格形式表達的斜拉橋索塔鋼錨梁、斜拉索錨拉板、錨具等結構進行實體化。通過BIM技術的三維可視化優勢可以直觀地檢查參數是否正確，確定索塔鋼錨梁、斜拉索錨拉板等構件尺寸、空間位置關系是否存在矛盾及沖突情況，減少或避免施工過程中產生的設計變更。

通過利用專業鋼結構軟件Prosteel還可對特大型橋梁的鋼混組合梁進行詳細的BIM設計。通過利用軟件的自動算量、詳圖功能實現快速統計鋼結構的工程量和二維出圖。鋼混組合梁BIM模型建成之后，通過數據導出還可以進行三維數值模擬，實時查看組合梁的受力模型，指導設計與施工。

圖4 服務區BIM模型渲染

高速公路服務區作為交通形象的窗口，展示某地區高速公路建設水平的高低，其重要性不亞于高速公路其他任何一個組成部分。高速公路服務區景觀規劃和設計必須強調與周邊生態、自然、人文、經濟環境的相互協調。在高速公路項目中，通過BIM技術的運用，對服務區的場地布置、總體方案進行優化設計，并基于服務區BIM模型進行云渲染，分析不同時段建筑物的光照強度，以達到服務區與周邊自然環境和諧統一的目的。

確保施工質量 實現精細化管理

基于BIM的設計成果，針對復雜結構，如特大型橋梁、隧道、服務區等，可實現三維可視化技術交底，使施工人員更好的理解設計意圖，確保施工質量，減少不必要的返工。

基于BIM的項目施工管理系統，如圖5所示，將BIM技術與施工過程進行系統性結合，可對公路工程項目進行精細化管理。在數字資料管理方面，可實現技術文檔、設計圖紙、技術方案等材料與BIM模型的關聯，便于施工人員查找相關資料，實現施工全過程的資料記錄、查詢和追溯。在工序控制方面，在施工過程中通過將工序控制要點與BIM模型進行關聯，實現具體工程部位卡控過程留痕，保障責任落實到個人，從而實現在施工源頭開始控制工程質量。在安全質量管理方面，通過手機終端將現場的質量、安全問題以圖片、視頻、文字等數據信息形式利用云技術與BIM模型相關聯，并推送給相關責任人進行整改，并以標簽圖片的形式在BIM模型端展現實際的現場處理情況，協助管理人員對質量、安全問題進行直觀管理，實現工程項目的安全、質量問題過程留痕。在進度管理方面，通過將項目進度計劃與BIM模型關聯，可對項目進行施工進度預演，能夠輔助計劃的合理編制和復核。

圖5 基于BIM的項目施工管理系統

一體化應用 提升項目設計和施工建設水平

在公路工程項目中通過BIM技術、三維實景及GIS的聯合應用，可實現高速公路長距離的大場景展示以及項目設計方案的快速展示及優化，解決了高速公路因規模范圍大、沿線地質地理復雜等條件造成的項目難點問題。利用BIM模型的快速調整能力及三維實景真實重構項目環境的優勢，對項目的樞紐節點進行設計優化，解決項目征地拆遷大、協調溝通困難等問題。如廣西荔玉高速中的平南西互通項目，根據該項目的需求，方案設計階段分別提出了半定向變形苜蓿葉互通和全苜蓿葉互通兩個對比方案，如圖6所示。通過利用無人機測量，獲取真實的項目環境信息，利用BIM軟件分別建立起項目周邊的高清正攝影像和三維實景模型，并利用BIM模型的三維可視化特點進行不同方案的多維比較分析。最終結合征地、拆遷和流量分析等因素綜合考慮，選擇用地和拆遷最少的半定向變形苜蓿葉互通方案，即方案一。

圖6 互通方案比選

對于公路工程中的特大型橋梁，由于技術復雜，涉及的施工工藝繁多而且復雜，危險系數高、施工難度大。傳統的施工方案及技術交底方式存在著較大的局限性，施工人員對工藝的控制要點、危險源等存在盲區，稍不注意就會發生重大的安全事故，造成工期的延誤及生命財產的損失。平南相思洲大橋為廣西在建最大跨徑斜拉橋，主跨450m，橋梁全長1668米，在該項目中通過利用無人機傾斜攝影技術生成施工現場的三維實景模型，通過在三維實景真實重構的現場施工環境中對特大型橋梁的施工工藝進行三維動態仿真模擬，并考慮各種不利的因素，對施工方案進行前置分析并進行優化，解決特大型橋梁施工難度大、危險系數高等問題，如圖7所示。同時通過利用BIM模型的可視化優勢，對現場施工人員進行多維度的技術交底，加速各方對施工工藝的理解，規避不必要的風險，提高施工質量和效率。

通過在公路工程項目的勘察設計、施工等階段利用BIM技術開展設計優化、可視化分析、協同設計、施工管理等研究，逐一解決公路項目中存在的難點問題，實現BIM技術在公路項目設計施工中的一體化應用，提升公路項目設計和施工建設水平。

數據共享 融合應用

BIM與GIS結合實現大場景方案策劃和場地分析。通過采用無人機航拍和三維實景建模相結合，如圖8所示，建立實景模型并集成到核心BIM平臺來進行分析研究，為公路項目的方案設計和場地布置提供科學的依據。

圖7 平南相思洲大橋主橋施工BIM模型

圖8 公路項目大場景方案策劃和場地分析

跨平臺與終端的多源數據融合和共享。基于同一個云數據庫，以BIM模型為基礎，用輕量化數據方式關聯工程結構數據、構件對象屬性參數、施工組織計劃、施工現場的進度員、設計文檔、施工日志、檢查記錄、施工工法屬性等多源數據信息，實現多源數據的融合和共享。基于先進成熟的數據架構方式，通過多個終端管理平臺直接對BIM模型關聯的所有屬性進行管理、檢索、修改，并進行文檔的版本控制。通過對這些結構化數據和非結構化數據的匯總，進行統一的管理，并提供人性化、易于上手的信息查詢方式，提高施工管理能力。

設計施工一體化融合應用。設計階段可將BIM三維設計成果轉換成二維圖紙，同時，根據項目EBS編碼將設計BIM模型按照施工習慣拆分并上傳到施工管理平臺數據庫中，將設計成果有效地向施工階段傳遞，實現設計施工之間數據的高效轉換。從設計源頭規劃BIM總體應用，基于“一個數據源、一個模型”進行工程項目的BIM實施應用，避免以往項目單個階段或者局部BIM技術實施的局限性。

基于BIM的施工信息化管理。利用Bentley平臺的開放性，基于MicroStation定制開發項目電子沙盤系統，并通過編碼關聯賦予工程屬性，進行三維工程內容管理；通過ContextCapture生成3D Tiles實景模型，并結合開發的Web GIS實現輕量化網頁實景和模型信息瀏覽和共享，實現項目多參與方的BIM 5D施工管理。

通過BIM技術在公路項目的成功應用，對于提升的公路項目設計、施工建設水平具有重要的作用，同時為后續實現公路數字化資產管理和養護決策奠定基礎。