三維正向設(shè)計(jì)在山區(qū)高擋墻加固工程中的應(yīng)用研究

劉文慶

隨著現(xiàn)代科技與信息技術(shù)的發(fā)展，交通基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)正迎來翻天覆地的變革，BIM作為一種新型技術(shù)手段越來越多地應(yīng)用于道路、橋梁、隧道等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中。王文利等提出BIM 技術(shù)的三維正向設(shè)計(jì)，發(fā)揮BIM技術(shù)具有精細(xì)的幾何特征、豐富的屬性信息的特點(diǎn)，進(jìn)行風(fēng)電場升壓站全專業(yè)三維參數(shù)化模型的創(chuàng)建，從而直接生成二維的施工圖和深化設(shè)計(jì)圖，縮短風(fēng)電場設(shè)計(jì)周期和設(shè)計(jì)成本，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。王斌等根據(jù)BIM技術(shù)在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段中的應(yīng)用情況，分析了目前公路設(shè)計(jì)中的BIM技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與未來發(fā)展的方向。曹建濤闡述了正向設(shè)計(jì)是一種基于BIM模型實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)任務(wù)的流程，即在三維環(huán)境下進(jìn)行隧道項(xiàng)目的參數(shù)化設(shè)計(jì)、方案優(yōu)化設(shè)計(jì)、施工圖出圖等，甚至與計(jì)算模型結(jié)合，同步優(yōu)化的概念。焦柯等提出了適應(yīng)于BIM 正向設(shè)計(jì)的項(xiàng)目管理指引要點(diǎn)，包括優(yōu)化ISO 管理、設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)會(huì)節(jié)點(diǎn)、BIM負(fù)責(zé)人和BIM 進(jìn)階培訓(xùn)等，研發(fā)出基于Revit 平臺(tái)可以快速建模、直接計(jì)算、自動(dòng)成圖的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)GSRevit。張斌針對(duì)BIM技術(shù)應(yīng)用于市政快速路設(shè)計(jì)階段存在的問題，基于Bentley軟件集成思維和統(tǒng)一的操作環(huán)境（MicroStation平臺(tái)）適用于大體量基礎(chǔ)設(shè)施建模的特點(diǎn)，使用Bentley平臺(tái)在整體設(shè)計(jì)階段不采用二維CAD圖紙文件，在三維環(huán)境下使用BIM模型完成市政快速路正向設(shè)計(jì)。

我國滬嘉高速1984年建成通車后，全國高速公路進(jìn)入大發(fā)展時(shí)期，至今已過去30多年，高速公路路基邊坡、擋墻出現(xiàn)不同程度病害。不少學(xué)者針對(duì)既有高邊坡、高擋墻采取不同治理措施。王華俊等以浙江省某高速公路K298邊坡?lián)鯄槔鶕?jù)邊坡的地質(zhì)條件及擋墻病害情況采用鋼花管注漿加固，并確定了合理的注漿壓力、擴(kuò)散半徑及注漿孔間距。工程實(shí)踐結(jié)果表明該方法是一種經(jīng)濟(jì)適用、施工簡便的擋墻病害處治措施。呂鵬華介紹了格柵擋墻技術(shù)在高速公路邊坡加固中的應(yīng)用情況，可為以后類似的工程施工提供一定的借鑒經(jīng)驗(yàn)。牛高等對(duì)渝黔高速公路衡重式高路堤擋墻因設(shè)計(jì)參數(shù)取用不當(dāng)造成的安全隱患進(jìn)行了計(jì)算分析，并提出了加固處治措施。吳文佑采用了預(yù)應(yīng)力錨桿框架加固，徹底解決了原漿砌片石結(jié)構(gòu)已出現(xiàn)的病害，并對(duì)山體進(jìn)行了有效防護(hù)。黃燚在總結(jié)既有擋墻加固實(shí)例的基礎(chǔ)上，概括了目前既有擋墻加固的主要技術(shù)措施，并針對(duì)重慶涪陵區(qū)江東某滑坡體上高邊坡公路擋墻，提出采用普通抗滑樁與采用預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁進(jìn)行加固的兩種方案。本文首次將三維正向設(shè)計(jì)應(yīng)用于山區(qū)高擋墻加固項(xiàng)目中，闡述了三維正向設(shè)計(jì)在山區(qū)高擋墻加固應(yīng)用中的工作流程和三維正向設(shè)計(jì)的特點(diǎn)和三維正向設(shè)計(jì)相較于傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)。

一、工程概況

安徽某高速該段擋墻為漿砌片石重力式路堤擋墻，地面線以上高度3.5～5.5米，墻頂以上填土高度約4米，病害段落總長度60米，沉降縫3～10米一道，共計(jì)8片擋墻，對(duì)應(yīng)段落路面出現(xiàn)通長縱向裂縫，且已呈圓弧狀，擋墻墻面勾縫脫落、墻身開裂，擋墻錐坡弧段坡面漿砌片石脫落、破碎，排水孔未見工作痕跡。

圖1 擋墻對(duì)應(yīng)段落路面圓弧狀裂縫

圖2 擋墻墻身及錐坡破碎

擋墻坡腳地勢(shì)平緩，起伏不大。坡腳外側(cè)為村道，村道距擋墻墻腳距離僅為0.5～2米。

與2018年4月9日現(xiàn)場調(diào)查的情況對(duì)比發(fā)現(xiàn)，擋墻有明顯外傾和開裂現(xiàn)象，擋墻錐坡原漿砌片石護(hù)坡已經(jīng)發(fā)生破碎，后續(xù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)漿砌片石仍在發(fā)生破碎，開裂仍在發(fā)展，擋墻的整體狀況較差。

圖3 擋墻伸縮縫錯(cuò)開及墻身外傾

二、三維正向設(shè)計(jì)

鑒于既有擋墻病害較為嚴(yán)重，在不影響已有擋墻安全使用、既有高速安全營運(yùn)和加固措施快速有效的前提下，考慮采用原擋墻外加扶壁墻支擋方式進(jìn)行加固。

本項(xiàng)目三維正向設(shè)計(jì)流程包括：無人機(jī)傾斜攝影→三維實(shí)景模型→三維地形模型→平縱橫三維設(shè)計(jì)→邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)→特殊構(gòu)造物設(shè)計(jì)→成果交付。

圖4 三維正向設(shè)計(jì)流程

1. 無人機(jī)航測系統(tǒng)

本次外業(yè)勘測采集數(shù)據(jù)方式為無人機(jī)航測系統(tǒng)，通過傾斜攝影測量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)三維立體地理信息的快速獲取。

圖5 無人機(jī)航測系統(tǒng)

較傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方法，無人機(jī)航測系統(tǒng)具備體積小，重量輕、快速獲取影像、飛行條件需求較低的優(yōu)勢(shì)。整個(gè)作業(yè)過程用時(shí)約兩個(gè)小時(shí)，取得航拍圖片600余張。

2. RTK 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)

本次項(xiàng)目中無人機(jī)航測系統(tǒng)首次采用了RTK實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)，將無人機(jī)采集數(shù)據(jù)的三維定位精度由米級(jí)提升至厘米級(jí)。

RTK（Real - time kinematic，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)）載波相位差分技術(shù)，是實(shí)時(shí)處理兩個(gè)測量站載波相位觀測量的差分方法，將基準(zhǔn)站采集的載波相位發(fā)給用戶接收機(jī)，進(jìn)行求差解算坐標(biāo)。

通過多次平面高程精度校核測試，搭載RTK實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)的無人機(jī)水平定位精度達(dá)到±5cm，垂直定位精度達(dá)到±10cm。平面和高程精度均滿是本項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求。

3. 成果交付

實(shí)現(xiàn)三維圖紙交付，較傳統(tǒng)二維圖紙清晰、美觀、易于理解。三維圖紙清晰的標(biāo)識(shí)各個(gè)部件尺寸，形象、生動(dòng)，易于理解。

圖6 三維圖紙交付

三、加固方案動(dòng)態(tài)優(yōu)化

1. 扶壁墻間距優(yōu)化

扶壁墻間距直接影響加固效果和整體美觀，傳統(tǒng)的二維CAD設(shè)計(jì)無法直觀表現(xiàn)扶壁墻之間的相對(duì)位置以及與老擋墻之間的關(guān)系，三維正向設(shè)計(jì)能直觀反映扶壁墻與老擋墻間相對(duì)位置關(guān)系，通過三維模型可以對(duì)扶壁墻間距進(jìn)行優(yōu)化，以提高實(shí)際加固效果和美觀性。

圖7 扶壁墻加固三維效果圖

2. 扶壁墻尺寸優(yōu)化

三維正向設(shè)計(jì)可清楚調(diào)整扶壁墻幾何尺寸以滿足實(shí)際工程需要。三維正向設(shè)計(jì)可解決以下問題：（1）扶

壁墻埋深與老擋墻埋深之間相對(duì)位置關(guān)系；（2）扶壁墻占地范圍大小調(diào)整；（3）扶壁墻高度、厚度、襟邊寬度等優(yōu)化。

圖8 扶壁墻幾何尺寸示意圖

四、對(duì)施工的精確指導(dǎo)

本項(xiàng)目三維正向設(shè)計(jì)成果有：三維施工圖設(shè)計(jì)文件、三維效果圖、三維視頻漫游。三維正向設(shè)計(jì)因設(shè)計(jì)質(zhì)量精準(zhǔn)能夠較好指導(dǎo)施工，主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面。

（1）三維正向設(shè)計(jì)成果內(nèi)容豐富，生動(dòng)形象，在進(jìn)行施工前技術(shù)交底優(yōu)勢(shì)明顯，三維視頻漫游模擬加固施工全過程，關(guān)鍵施工工序進(jìn)行突出、強(qiáng)調(diào)，較傳統(tǒng)方式更加形象，給人印象深刻。

圖9 三維正向設(shè)計(jì)效果圖

（2）三維正向設(shè)計(jì)由于其高質(zhì)量設(shè)計(jì)精度可以盡量減少設(shè)計(jì)變更。本項(xiàng)目基于現(xiàn)狀三維實(shí)景模型開展三維設(shè)計(jì)，三維實(shí)景模型等比例還原現(xiàn)狀擋墻，通過實(shí)景模型，可以適時(shí)量測現(xiàn)狀擋墻尺寸等關(guān)鍵信息。

圖10 三維實(shí)景模型

（3）三維正向設(shè)計(jì)采用參數(shù)化設(shè)計(jì)模式，施工過程中如遇現(xiàn)場與設(shè)計(jì)不符情況，可以適時(shí)調(diào)整扶壁墻尺寸，提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，加快工程進(jìn)度。

圖11 施工完成后照片

五、結(jié)語

（1）本文通過黃山某擋墻加固項(xiàng)目詳細(xì)闡述了三維正向設(shè)計(jì)在山區(qū)擋墻加固中的成功應(yīng)用，為以后類似工程的設(shè)計(jì)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和思路。

（2）山區(qū)擋墻加固項(xiàng)目三維正向設(shè)計(jì)包括：無人機(jī)傾斜攝影→三維實(shí)景模型→三維地形模型→平縱橫三維設(shè)計(jì)→邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)→特殊構(gòu)造物設(shè)計(jì)→成果交付等七個(gè)步驟。

（3）三維正向設(shè)計(jì)在山區(qū)擋墻加固中的應(yīng)用，能對(duì)扶壁墻間距和尺寸進(jìn)行優(yōu)化，具有直觀性、美觀性、便捷性等特點(diǎn)。

（4）三維正向設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)三維圖紙交付、三維效果圖展示、三維視頻漫游，增加了設(shè)計(jì)文件交付的豐富性，便于項(xiàng)目后續(xù)服務(wù)和管養(yǎng)單位后期排查。

（5）三維正向設(shè)計(jì)因設(shè)計(jì)質(zhì)量精準(zhǔn)能夠較好指導(dǎo)施工，在施工交底、減少設(shè)計(jì)變更、加快工程進(jìn)度等方面優(yōu)勢(shì)明顯。