BIM+GIS技術在新建高速公路設計中的應用研究

劉海強,彭俊文

（四川交投設計咨詢研究院有限責任公司,四川 成都 610041）

0 引言

隨著社會經濟的發展，我國的高速公路建設管理模式也發生了很大改變，從最初的粗放型管理，到現在的信息化、數字化管理，朝著綠色、低碳、節約的方向穩步邁進，智慧工地、綠色低碳建造已成為高速公路項目建設發展的趨勢[1]。

以某新建高速公路設計項目為例。這一高速公路項目系25個重點地級城市繞城高速公路環線之一，其開工建設有助于實現四川省高速公路網的建設目標，提高城市過境交通通行能力和服務水平，實現城市出入境交通的便捷轉換，成為市區各發展組團之間的快速聯系通道。該項目所處地區山巒起伏，溝壑縱橫，植被茂密，地形復雜，導致了該區域的高速公路橋隧比高，施工難度大，工程造價高。如何高效地開展工程設計，在有限的公路走廊范圍內合理布置路橋隧構筑物，是一個項目能否順利落地的重中之重。通過在成綿擴容、久馬高速、九綿高速等項目中的不斷探索和總結，將BIM+GIS技術應用到該項目設計中來，以保障后續施工的順利開展，達到經濟、高效的目的。

1 無人機傾斜攝影的應用

隨著無人機技術的快速發展，使得無人機攝影測量技術用于大規模三維模型構建成為主流方式。傾斜攝影技術的誕生雖然只有20余年，但該技術已逐漸成熟，應用于各個專業領域。

山區高速公路因其路線長、地形復雜、植被茂密，路線復雜，設計不僅測量工作量大，還存在一定安全風險，通過采用傾斜攝影技術，創建實景三維模型，如圖1所示，有效避免了傳統徒步踏勘方式帶來的視覺局限、以點概面，導致后續便道、臨時場站建設不合理、不經濟等問題。

圖1 三維實景圖

通過無人機傾斜攝影，采用三維實景建模技術將重點工程周圍環境實景還原，使設計人員能夠站在俯視的高度，總體把握項目實際地形地貌，為后續施工組織提供直觀、科學、合理、高效的決策依據，極大地提高了生產效率。

利用模型自帶的坐標、高程數據，解決因項目區地形復雜、地勢陡峭帶來的測量定位難、丈量難、記錄難和分析難的問題，解放了雙手，降低了安全風險，提高了工作效率。

充分利用三維實景模型對地面河流、植被、田地的完整、直觀記錄，在臨建設施設置時，能準確地對上述地塊進行合理避讓，促進了對環境的保護，有利于踐行和貫徹“綠色公路、低碳環保”的設計理念[2]。

經過坐標轉換，將多種數據融合入BIM+GIS平臺上，建立三維數字地面實景模型，將項目實體與周圍環境融為一體做成電子沙盤，充分展示項目區內全景狀況，便于項目各參與方對設計方案進行直觀溝通、交流、傳達、落實。電子沙盤見圖2。

圖2 電子沙盤

2 BIM技術的仿真應用

BIM技術是Autodesk公司在2002年率先提出，通過建立虛擬的建筑工程三維模型，構建數字孿生世界，利用數字化技術，構建完整的、與實際情況一致的建筑工程信息庫。

長期以來，受成本及技術方面的限制，建筑三維實體模型基本是建立在單一平面上或是采用地形圖+高程形成的數字地面虛擬模型上，數字地面模型僅能體現地形的起伏，無地面附著物及構筑物，仿真效果差，故在地形環境對項目影響相對較小的房建領域，BIM技術發展及應用相對較快[3]。

但在高速公路建設領域，由于缺少準確的環境信息，BIM技術始終沒能得到廣泛應用。近年來，得益于無人機及傾斜攝影技術的快速發展，三維實景模型結合BIM技術得以快速應用于高速公路建設中。

3 在施工進場道路的規劃、設計、施工中的應用

在四川山區高速公路建設中，道路地形條件復雜，山勢險峻陡峭，高速公路施工進場便道通常更多地依靠技術員的經驗結合粗略的測量進行施工，施工組織設計與最終實施方案往往不能達成一致，極易導致便道方案實施困難、工程造價不可控以及指標控制隨意的問題，從而出現縱坡超標、半徑不足的情況，致使使用期間出現使用效率低、安全隱患大等問題，最終導致返工、推倒重建，在造成極大浪費的同時，也在一定程度上增加了對生態環境的破壞。

通過采用BIM仿真技術，利用三維實景數據，合理避讓不利地形，規劃設計進場道路，并實現準確算量，有效降低工程造價，節約施工成本。同時，將設計方案三維模型原坐標融入三維實景模型中，完整模擬成品環境，使方案效果一目了然，確保設計方案經濟、合理、可行。隧道進場道路規劃如圖3所示。

圖3 隧道進場道路規劃

4 在項目部、拌和站、鋼筋加工場、預制場等臨建設施工程中的應用

一個項目的建設是否成功，施工成本是否可控，項目部、拌和站、鋼筋加工場、梁場等臨建工程的規劃設計是否合理是重中之重，其規模控制除了與材料需求計劃關聯以外，還與現場地形條件和場地利用率息息相關，因此，一個經濟、合理的規劃設計方案就顯得尤其重要。

利用BIM技術，實景模擬項目場地狀況，并創建臨建實體模型，如圖4所示充分利用每一寸土地，進行多方案布置，最終確定最優方案。避免了傳統施工方式中的邊挖、邊建、邊調問題，既提高了方案的可實施性，又降低了設計反復調整、現場反復測量的人力成本。

圖4 施工場站虛擬布設

5 在施工方案三級技術交底中的應用

高速公路項目施工作為一項勞動密集型產業，除了部分專業技術人員以外，更多的施工人員專業水平相對較低。技術交底是控制施工質量的一項核心工作，傳統的技術交底通常以文字描述加二維圖紙作為載體，交底效果往往受制于相關人員的工程經驗及領悟能力，因此具有一定局限性。通過利用BIM技術，針對重難點施工項目按照施工規范標準，對施工工藝進行分解，制作施工動畫，完整再現施工全過程[4]。采用施工動畫進行技術交底，打通了溝通壁壘，降低了技術門檻，提高了施工質量，如圖5所示。

圖5 三維施工交底

6 在設計圖紙復核中的應用

山區高速公路因地形起伏大，部分段落橫坡較大，在進場施工前，對原地面進行復測是一項非常重要的工作。通過復測數據與設計數據的對比、核實，實時找出設計圖紙中存在的錯漏，以便及時修訂。采用傳統的GPS復測方式，除了繁瑣的逐樁斷面測量以外，還需對照設計圖一一核查，外業、內業工作量巨大，費時費力，人力成本較高，如圖6。

圖6 實景數據

通過采用GIS+BIM技術，充分利用三維實景模型的GIS數據，依托公路BIM設計系統，將二維設計圖紙制作成三維數據模型，如圖7標準隧道模板，將項目實體模型原坐標還原于三維實景模型中，能直觀、有效地發現設計圖紙中的錯漏，如路段擋土墻設置合理性、隧道進出口開挖過大等問題。

圖7 隧道模板

7 在方案比選中的應用

隨著高速公路建設管理向精細化不斷發展，環保、經濟、美觀等建設要求已深入人心，踐行綠色公路理念，動態設計、動態施工已被越來越多的項目采用，根據現場實際情況及時修正、優化設計方案，在涉及設計方案與環境的匹配性及美觀性時，在二維設計圖紙上很難得到一個肯定的結論[5]。通過利用BIM技術，將比選方案進行三維模型還原，將控制性因素（水源保護地、鐵路、燃氣、引水管道等）分別放置于實景地形圖上，能直觀地展示其美觀性及與周圍環境的匹配性，有利于方案的抉擇及綠色公路的打造，如圖8。

圖8 多方案比選

8 結語

隨著測繪技術特別是無人機傾斜攝影技術的快速發展，促進了GIS技術在高速公路建設行業中的應用，結合BIM技術，有效改善了設計過程中普遍存在的難點，受到了公路建設者的普遍肯定。在項目管理過程中，再引入項目算量系統、項目安全管理系統、項目進度管理系統等子系統，可使其在高速公路建設中發揮更加積極的作用。