基于BIM技術的山區高速公路正向設計應用與研究

溫 博，鄧祥明，韋瀟樹

(1.廣西南天高速公路有限公司，廣西 南寧 530022；2.廣西交通設計集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

國內公路行業發展迅速，競爭激烈，對勘察設計成果質量也提出新的要求，公路工程項目應用BIM技術進行設計逐漸形成趨勢[1]。BIM技術以信息流為核心，具有數據集成、可視化、高仿真、高協同等優勢，能更好地適用于交通領域，是傳統工程向數字化工程轉型升級的有效手段[2]。在公路工程勘察設計階段，應用BIM技術能夠體現出其獨特的技術優勢，如三維選線、專業之間數據共享及高效協同設計、工程量自動計算與統計等[3]。目前BIM技術在建筑工程領域應用廣泛且逐漸成熟，但在公路工程領域仍然缺乏深入的研究及應用[4]。大多數公路項目應用BIM技術還需要依靠傳統CAD圖紙進行三維建模，基于三維BIM正向設計的公路工程軟件仍然處于探索發展階段，尚未能做到真正的正向設計[5]。本文基于廣西某山區高速公路工程，闡述了BIM技術的應用目標、BIM+GIS三維建模、外業資料管理、三維布線、各專業三維正向設計等方面內容，同時為高速公路項目應用BIM技術進行正向設計提供技術借鑒與工程示范。

1 工程概況

本項目處于施工圖設計階段，路線全長約43.967 km，路基寬度為26 m，雙向四車道。本項目沿線地貌單元劃分為剝蝕丘陵地貌、剝蝕低山地貌、山前平原地貌，路線前期初步線位沿河谷兩岸布線，地質地貌條件復雜多變，路線范圍內存在較多的高邊坡，局部路段土質疏松。該項目業主在設計招標階段就明確要求項目提交文件中應包含BIM設計成果。因此在勘察設計階段需基于BIM技術對項目進行整體把控，應用BIM技術進行三維正向設計，為提高項目勘察設計質量提供良好的技術支撐。

2 BIM應用目標

針對傳統二維平面設計中存在的不直觀、不高效等問題，采用基于BIM技術的外業調查、BIM+GIS三維建模、三維選線、可視化分析比選、專業協同設計、成果快速輸出等手段，提高整個項目設計質量。同時將項目打造成為基于BIM技術進行三維數字化正向設計的公路示范工程，為提升廣西高速公路項目設計水平、促進公路傳統設計產業的轉型升級而服務。

3 勘察設計階段BIM技術應用

3.1 三維數字化地面模型

公路項目傳統三維建模方法是基于CAD二維地形圖開展，二維地形圖存在調繪時間長、測繪成本高、局部精度較差、設計過程不直觀等問題，設計過程要求設計人員具有較高的專業性[6]。基于此，項目地形資料采用無人機激光雷達航測數據與航拍影像相結合的方式獲取，再利用BIM技術構建三維高精度數字化地面模型，有效解決了傳統測繪耗時長、精度不足等問題。在三維數字地面模型的基礎上疊加二維平面地形圖，可以實現某點高程準確查詢。基于高精度三維數字化模型，可以進行各專業的三維設計。

3.2 BIM外業資料管理系統

在公路工程勘察設計過程中，外業調查是公路工程研究、深化設計方案必不可少的重要環節，外業調查資料的準確性關系到設計成果的質量。

本項目在勘察階段采用BIM外業資料管理系統進行外業資料管理。BIM外業資料管理系統是利用互聯網平臺將傳統紙質調查數據數字化，可以實現無紙化操作和記錄[7]。

該系統統一外業調查的作業流程和技術標準，外業工作可實現全程電子化操作，并將現場照片與調查點一一對應，調查成果自動整理，一鍵輸出。通過該技術，將外業調查數據信息化，查閱方便，不易遺失，從而可以充分發揮調查信息的價值。

3.3 公路工程設計BIM系統

通過對比分析不同BIM軟件平臺的優缺點，鑒于目前公路工程BIM三維正向設計技術應用較少，在本項目的設計階段，分別采用Autodesk和公路工程設計BIM系統進行三維正向設計及建模。

公路工程設計BIM系統軟件涵蓋路線總體、路基、橋梁、涵洞、隧道、交安等各專業子系統。在設計階段，各專業設計人員可利用基礎資料在相應子系統進行設計，各系統之間數據可以有效傳遞，專業設計成果可以導入沙盤子系統進行數據集成，實現多源數據融合，見圖1。

圖1 公路工程設計BIM系統總架構圖

4 基于BIM技術的三維設計

4.1 路線設計及方案比選

本項目地處山區，地形地物復雜，各種控制因素較多，基于高精度三維數字地面模型，應用線元法、導線法等布設路線方案，可以實現平縱斷面聯動刷新，加快設計理念的實現。設計過程中的路線平面、縱斷面、構造物、邊坡等以動態方式鏈接，可以實時看到設計過程的三維模型，使設計與三維表達有效連接，加強設計人員對項目的理解，減少重復改動的工作量，快速確定最優方案。BIM路線設計過程見圖2。

圖2 BIM路線設計過程示例圖

本項目初步設計路線方案K112+700段與貴廣高鐵交叉，根據鐵路部門要求，公路不應上跨高鐵，故初設方案采用下穿形式，存在施工難度大、前后線形指標差等缺點。項目應用BIM技術對該段線位進行快速優化，在河谷一側設置隧道，出隧道后設置橋梁上跨高鐵隧道，減少了后期施工對高鐵運營的影響，同時改善了該路段的線形指標，見圖3。與初步設計方案對比后表明，該路段優化后減少占地218 400 m2，減少建設投資1.73億元。

圖3 路線方案比選示例圖

4.2 路基設計

路基設計子系統是針對路基專業的三維設計建模程序，能夠在三維環境下對路基、路面、防護、邊溝、支擋、排水、特殊路基、土石方調配等內容進行正向設計和建模。針對局部存在高大邊坡的特殊路基段可進行“一坡一設計”，設計成果做到“所見即所得”，提高了路基邊坡設計的準確性，見圖4。

圖4 路基三維正向設計圖

通過路基子系統軟件建立了構件標準庫，基于可視化模型，可以直接對路基邊坡、擋墻、排水溝等基本構件進行套用及調整。此外，項目基于BIM技術還做到了邊坡防護數量一鍵分類出圖，有效提高了工作效率和減少錯漏，避免了路基工程量計算繁雜、結果錯漏嚴重等傳統道路設計的問題。

4.3 橋梁設計

傳統橋梁設計過程中存在方案變更困難、出圖效率低下、質量缺乏保障等問題，基于BIM正向設計理念，本項目應用BIM技術進行常規橋梁設計，實現了模型可視化、設計參數化、信息共享化。應用“橋梁方案設計師”軟件布設橋梁方案及優化設計，結合三維GIS場景、激光雷達測繪所得的三維地形及高清影像，將橋梁BIM模型導入其中，對橋梁與周邊地形地貌的結合情況進行評估。在三維設計環境下，橋梁跨徑布置結合地形、地質、河道的自然幾何形態及其穩定性、變遷性特點，以不壓縮河道斷面、有利于排洪為原則，選用適合的橋型及跨徑。跨河橋橋孔和橋墩布設盡可能避開沖溝、橋臺和陡坡，基礎型式的選擇應以盡可能減少開挖為原則。橋梁三維設計效果圖見圖5。

圖5 橋梁三維設計效果圖

4.4 隧道設計

本項目應用隧道子系統進行隧道選址，可直觀了解隧道間距、隧道埋深、偏壓等情況。此外，在進行洞口設計時(見圖6)，利用建立的標準庫，快速套用相關構件，實現了隧道工程量自動計算、二維一鍵出圖、模型交付等，基于隧道BIM技術正向設計，有效提高了設計準確性及生產效率。

圖6 隧道洞口三維設計示例圖

4.5 路線交叉

本項目設有樞紐互通立交1處，一般互通立交2處。在施工圖設計階段，應用BIM技術輔助進行互通立交設計并優化設計成果(見圖7)。BIM技術應用內容主要包括：

圖7 互通立交三維數字化設計示例圖

(1)構建項目各個互通立交精細化三維模型，結合三維地形、地貌進行互通立交的局部設計調整和優化。

(2)基于三維模型進行交通組織分析和模擬，優化出入口形式和集散車道的布置，提高行車安全性。交通組織分析是提高道路通行效率的重要舉措，需結合交通流量和周邊相關路網，涉及對象復雜，且是多目標系統優化模型，其成果不容易表達，且改動量較大。設計圖紙費時費力，且由于交通組織是根據時間、空間不停變化的過程，很難用固定的設計圖紙表達清楚。通過基于BIM技術的交通模擬，可以實現復雜節點4D交通組織效果的動態三維展示和表達，為交通組織設計和方案決策提供依據。

(3)對于交通流存在交織的樞紐互通立交，例如白馬樞紐互通立交，通過對施工方案的三維模擬和仿真，進一步優化了施工方案和施工工序。

5 結語

本文基于廣西某山區高速公路項目，將BIM技術應用于項目的勘察設計階段。(1)將無人機航拍數據和影像相結合，利用BIM構建高精度三維數字化地面模型，在此基礎上實現路線、橋梁、隧道、路基、涵洞等多專業的三維正向設計，形成本項目的一大亮點。(2)通過BIM技術將外業調查資料數字化，能有效傳遞數據及挖掘數據的價值。經過本項目的實際應用研究表明，將BIM技術作為三維輔助設計手段應用于項目勘察設計周期全過程，能有效提高效率，降低成本。