基于BIM技術三維實景模型的高速公路可視化設計研究

吉明、李昂

（貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司，貴州貴陽 550081）

0 引言

以黔西南州興義環城高速公路工程為依托，項目采用雙向四車道高速公路技術標準，設計速度80km/h，路基寬度24.5m。項目建成對解決興義城市對外交通及城市過境的高速公路環線，對完善貴州省高速公路網絡，促進興義市過境交通流轉換和城區間銜接更加便捷高效，具有重大意義。

隨著無人機傾斜攝影測量技術、計算機三維建模技術、BIM 技術和實景三維技術等的快速發展，為公路工程項目的可視化設計奠定堅實基礎。相比高速公路傳統二維設計，基于BIM 技術三維實景模擬的高速公路可視化設計具有以下優勢：

一是針對項目中的重要工程方案可以直觀感受建成后的效果，有利于項目與周圍環境的協調。

二是針對路線方案的比選，工程數量更加準確。

三是普通公眾無須具備公路設計相關專業知識，就能最直觀感受項目區內最熟悉的客觀景物，能夠直接看懂公路設計情況。故加快推廣BIM 技術三維實景模型的高速公路可視化設計，是高速公路勘察設計未來的發展方向。

1 建立三維實景模型

建立三維實景模型是可視化設計的基礎，建立模型需掌握項目區內地形、地貌、不良地質等情況，同時以測量數據為基礎，建立和環境完全對應的真實模型。

項目全線位于興義市，境內地勢西北高、東南低，山巒起伏、河流縱橫，喀斯特地貌發育良好。喀斯特地形地貌占71.5%，丘陵占20.5%，平壩占7.2%，村莊、河流占0.8%。水文、土壤、植被具有復雜性，內部差異明顯。

采用無人機對目標區進行測量，然后對測量數據進行分析，之后采用Context Capture 基于圖形運算單元GPU 快速創建三維場景，可運算生成基于真實影像的高密度點云，根據點云數據可以自動生成不規則三角網TIN，然后建立白模的三維實景模型，最終完成三維實景模型的建立，如圖1 所示。完成項目三維實景模型建立后，可對項目進行三維可視化設計。

圖1 峰林特大橋段實景三維模型

2 基于BIM 技術三維實景模擬的可視化設計

該項目路線方案較為復雜，針對項目典型工點采用基于BIM 技術三維實景模型的可視化設計，下面介紹幾個典型工點的可視化設計。

2.1 基于BIM 技術芭蕉塘段隧道與路塹方案的可視化設計

該段為興義環城高速公路典型工點，該段路塹方案和隧道方案均可行，工程規模差異不大，因此，傳統二維方案比選難以達到較好效果，故針對該段采用基于BIM 技術三維實景模擬可視化設計，可通過直觀感受建成后效果，從而對隧道和路塹方案（見圖2 和圖3）直觀判斷，有利于方案進一步比選。

圖2 芭蕉塘段路塹方案可視化設計

圖3 芭蕉塘段隧道方案可視化設計

路基方案需要將整個山體進行爆破開挖，施工過程中開挖、堆土、棄土等問題將造成一定程度上不可修復的環境破壞。通過三維計算土石方，挖方為26 萬m3，填方為1.3 萬m3，棄方為24.7 萬m3。

隧道方案避免了整個山體的爆破開挖，對生態環境破壞較小，棄方量小。

通過三維實景模擬，直觀感受該段路基方案和隧道方案的建成效果，同時對工程數量進行準確計算，隧道方案減少25 萬m3的土方量，極大縮短了工期，對生態環境破壞小，與環境協調性好，符合綠色公路建設要求，因此該段推薦隧道方案。

2.2 基于BIM 技術樓納互通三角區景觀效果可視化設計

該工點為樓納互通，互通服務于樓納片區，互通根據地形布設方案，互通喇叭區為一座孤山，挖除孤山或保留孤山方案均可行，傳統二維設計無法感受建成后效果，對是否挖除孤山選擇較為困難，因此對互通采用三維實景模型可視化設計，以便準確選擇更合理的方案。

通過前期采集數據，建立互通三維可視化設計，針對互通喇叭區孤山保留和挖除方案進行實景三維模擬，見圖4 和圖5。

圖4 樓納互通三維實景模型（保留孤山）

圖5 樓納互通三維實景模型（挖除孤山）

通過三維實景模型可視化設計可以得出，保留喇叭區山體景觀效果較佳，減少挖方14 萬m3，工程規模合理，同時有效保護生態環境，互通與環境協調統一，符合綠色公路建設要求，因此推薦保留喇叭區孤山的互通方案。

2.3 基于BIM 技術交通組織可視化設計

該項目磨盤山樞紐互通利用已通車G78 汕昆高速頂效東T 型樞紐互通改造成“十字”樞紐互通，故需對互通進行交通保暢，傳統交通組織保暢方案難以對項目實施各階段有直觀感受，因此對該互通交通組織采用三維實景可視化設計，對互通實施的各階段有直觀感受，以便對實施過程中可能存在的問題提前預判，確保交通組織方案合理。

根據交通量調查，互通需對廣西方向、云南方向及貴陽方向交通流進行相互轉換，總交通量為29158pcu/d，其交通組成情況為中小型車輛占比82%、大型車占比5%，特大型車占比13%，交通干線功能十分突出。改擴建需要對既有樞紐互通的2 條匝道進行拆除、2 條匝道進行改造利用，新建6 條匝道，此外，還需要對互通區3 條既有地方道路進行改移，互通區內需拆除1 處橋梁，新建13 座橋梁，挖除方近10 萬m3，填筑方近3 萬m3，外運方約7 萬m3，改造工程量巨大。

既有互通交通量大且大型車輛占比較高，施工周期長，如何在施工過程中確保互通功能得到基本保障，對整個互通區交通組織設計提出巨大挑戰。為實現復雜交通環境下的交通組織設計，需要利用高效的信息整合平臺，對不同方面影響因素進行共同分析。相較Vissim、TransCAD 等傳統交通仿真軟件，基于BIM 技術進行交通組織設計基于實景建模，可直接用于指導施工。對該項目既有互通和改造后互通建立三維實景模型（見圖6、圖7），同時對互通交通組織總體設計進行實景模擬（見圖8）。

圖6 既有互通三維實景模型

圖7 改造后互通三維實景模型

圖8 互通三維實景模型的交通組織總體設計

基于實體模型，可以進行施工全過程及細部節點模擬（見圖9），結合實際道路條件選取合理的交通轉換節點。

圖9 互通三維實景模型交通組織細部設計

在BIM 技術三維實景模型的基礎上，建立各向交通流與施工段落同步展示的平臺，最終形成局部建設保通便道、保通便道轉化為新建匝道、科學確定交通轉換點的交通組織方案，確保整個施工期內各階段施工不影響既有高速公路通行的目標，整個施工期內無交通事故，對項目的實施產生良好效果。

3 結論

第一，基于BIM 技術的三維實景模擬可視化設計針對項目中的重要工程方案可以直觀感受建成后的效果，有利于項目與周圍環境的協調；同時工程數量計算更加準確，有利于方案的選擇。

第二，基于BIM 技術的三維實景模擬可視化設計使施工人員可以直觀感受路線方案，有利于項目的對接和推進。

第三，基于BIM 技術的三維實景模擬可視化設計針對比較復雜的改建項目可直觀感受交通保暢情況，有利于項目的實施。

第四，基于BIM 技術的三維實景模擬可視化設計是未來公路設計行業的發展方向，對公路設計行業發展起到積極的推進作用。