基于BIM+GIS的高速公路集成設(shè)計(jì)

陸山風(fēng)

(廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530029)

0 引言

隨著我國工程建設(shè)行業(yè)不斷發(fā)展,高速公路的現(xiàn)代化、信息化要求也逐步提升[1-2]。采用BIM技術(shù)對高速公路進(jìn)行輔助設(shè)計(jì),針對重點(diǎn)橋梁、隧道以及高邊坡等區(qū)域進(jìn)行精細(xì)化建模和優(yōu)化分析,是工程設(shè)計(jì)進(jìn)步的必然選擇[3]。BIM三維設(shè)計(jì)將高速公路設(shè)計(jì)從傳統(tǒng)的線條繪圖和幾何表現(xiàn)轉(zhuǎn)向構(gòu)件布置和信息模型集成,是實(shí)現(xiàn)工程數(shù)字化管理、提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量的基礎(chǔ)[4-5]。

目前,BIM技術(shù)已在國內(nèi)的公路交通行業(yè)得到了諸多研究與應(yīng)用,部分學(xué)者[6-7]將BIM精細(xì)化建模技術(shù)與GIS技術(shù)相結(jié)合,有效優(yōu)化了高速公路設(shè)計(jì)方案,改善了設(shè)計(jì)質(zhì)量與效率;此外,為高速公路設(shè)計(jì)引入附加時間維度的BIM技術(shù),實(shí)現(xiàn)了4D施工進(jìn)度可視化模擬和基于BIM的集成管理,解決了高速公路信息集成困難、管控混亂等問題[8-10]。

傳統(tǒng)的高速公路BIM應(yīng)用方案多局限在設(shè)計(jì)或施工的單個階段,不僅存在著信息傳遞的局限性,也不能發(fā)揮出BIM技術(shù)的最大價值[11]。為了進(jìn)一步發(fā)揮BIM技術(shù)應(yīng)用在建設(shè)全過程管理的價值,本研究基于BIM技術(shù)對高速公路進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì),以三維實(shí)景、環(huán)境分析等關(guān)鍵技術(shù)為主體,以BIM+GIS選線優(yōu)化為依托,實(shí)現(xiàn)了三維參數(shù)化建模和可視化表達(dá)。應(yīng)用結(jié)果表明,該方案能有效提升高速公路項(xiàng)目的設(shè)計(jì)水平,促進(jìn)公路傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。

1 基于BIM的高速公路應(yīng)用研究

為了提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量,掌握工程項(xiàng)目核心信息模型,實(shí)現(xiàn)工程數(shù)字化管理的基礎(chǔ),本節(jié)分析和總結(jié)了高速公路關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)問題的解決方案,結(jié)合高速公路工程中的推廣和應(yīng)用,進(jìn)一步驗(yàn)證BIM技術(shù)在高速公路全生命周期的適用性和先進(jìn)性。

1.1 公路三維實(shí)景環(huán)境分析

BIM模型是在工程設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營過程中逐步完善,逐步豐富的對應(yīng)工程實(shí)體的數(shù)字化成果。該成果既反映了工程全生命周期過程中的數(shù)據(jù)生產(chǎn)成果,也利用本身自帶的空間關(guān)系屬性表達(dá)了與現(xiàn)實(shí)工程實(shí)體一致的空間狀態(tài)。

為了提高項(xiàng)目前期的環(huán)境分析和地形測量質(zhì)量,獲取BIM技術(shù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),本文采用無人機(jī)傾斜攝影和三維機(jī)載激光雷達(dá)對公路進(jìn)行三維實(shí)景建模,真實(shí)還原高速公路沿線的地形地貌。

目前,主流傾斜攝影技術(shù)的數(shù)據(jù)處理方式是通過對數(shù)據(jù)資料進(jìn)行分析和預(yù)處理,以排除任何可能存在的缺陷,確保將用于建模的數(shù)據(jù)和資料都是完整的,并符合正確的格式要求。利用傾斜攝影技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)真三維場景建模,輔助施工場地布置,對施工道路、駐地、加工車間、拌和站、碼頭、棧橋等臨時設(shè)施進(jìn)行規(guī)劃,優(yōu)化大型臨時設(shè)施的數(shù)量、規(guī)格和布置方式,其基本技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 三維場景建模流程圖

1.2 BIM+GIS選線及優(yōu)化

本研究通過建立和利用包含衛(wèi)星影像和地質(zhì)遙感數(shù)據(jù)的三維空間GIS模型,將項(xiàng)目高分辨率衛(wèi)星測量、航空攝影測量、三維激光測量等多來源多精度的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,以滿足大比例尺地圖的精度要求。通過BIM和GIS技術(shù)的融合,可以將線路周邊的信息資源進(jìn)行有效整合,從而實(shí)現(xiàn)工程范圍內(nèi)三維地理信息模型全方位、高精度的可視化呈現(xiàn),為路線選線、定線過程中的空間分析和方案決策提供幫助。

利用BIM技術(shù)進(jìn)行大面積快速選線,在短時間內(nèi)提出上百個路線方案,通過采取人機(jī)交互的方式來完成線路選線。基于BIM+GIS在三維數(shù)字地理模型以及綜合協(xié)調(diào)和考慮多種因素的基礎(chǔ)上,進(jìn)行平、縱、橫斷面自動設(shè)計(jì),快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行工程數(shù)量的計(jì)算與統(tǒng)計(jì),并可以根據(jù)輸入的工程單價指標(biāo)進(jìn)行工程投資快速估算。

該技術(shù)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)人工選線效率低的弱點(diǎn),使工程師快速地修改各種控制條件,調(diào)整路線設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),通過測試不同的限制坡度和最小平曲線半徑,確定最佳的平曲線半徑和路線縱坡,使控制路線建設(shè)和生命周期內(nèi)運(yùn)營成本達(dá)到最佳要求。

1.3 三維參數(shù)化建模和可視化表達(dá)

三維數(shù)據(jù)模型作為三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ),也是目前研究的難點(diǎn)之一。工程范圍內(nèi)地質(zhì)形狀通常非常復(fù)雜,包含大量形狀不規(guī)則的地層、斷層、巖溶等地質(zhì)體,區(qū)分并表達(dá)出這些三維實(shí)體是很困難的。因此,需要尋求有效的三維地質(zhì)數(shù)據(jù)模型。

本研究以BIM技術(shù)為基礎(chǔ),對長距離和大范圍地質(zhì)工程進(jìn)行三維參數(shù)化建模和可視化表達(dá)。通過工程鉆探法獲取地下三維空間信息,根據(jù)地質(zhì)鉆探及地質(zhì)調(diào)查資料,確定建模范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)地層,定義標(biāo)準(zhǔn)地層的巖性、地層年代和顏色;對圖層、等高線進(jìn)行整理,結(jié)合手動組合切割地層所需的鉆孔數(shù)據(jù),對地層界面進(jìn)行半自動建模;將建立好的地質(zhì)體,利用地層面進(jìn)行剪切,形成不同地層屬性的地質(zhì)體,并對斷層等不良地質(zhì)進(jìn)行屬性定義,形成整個項(xiàng)目大場景的地質(zhì)模型。通過采集三維空間物探信息,結(jié)合鉆探成果和地形資料,生成項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)三維地質(zhì)模型,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)的三維可視化展示,如圖2所示。

圖2 地質(zhì)結(jié)構(gòu)的三維可視化示例圖

2 工程應(yīng)用

以都安至巴馬高速公路為例,該路線全長119.13 km,起點(diǎn)位于河池市都安縣澄江鄉(xiāng)東謝村G210國道附近,沿途經(jīng)都安縣、大化縣以及巴馬縣,終點(diǎn)位于河池市巴馬縣縣城以西巴馬鎮(zhèn)拉塘村附近。全線共設(shè)樞紐互通式立交7處、服務(wù)區(qū)2處及停車區(qū)2處。連接線按二級公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè),大化連接線設(shè)計(jì)速度為80 km/h,路基寬度為12 m;都陽連接線設(shè)計(jì)速度為60 km/h,路基寬度為10 m。渡口、百馬支線采用三級公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè),設(shè)計(jì)速度為30 km/h,路基寬度為7.5 m。

該項(xiàng)目穿越環(huán)境保護(hù)區(qū)和主要經(jīng)濟(jì)區(qū),沿線旅游資源豐富,自然景觀優(yōu)美,同時項(xiàng)目里程長,類型眾多,沿線地形起伏大,地形地質(zhì)條件復(fù)雜,建設(shè)環(huán)境惡劣,設(shè)計(jì)周期短且技術(shù)難度大,各專業(yè)間協(xié)調(diào)存在一定的困難。

針對該項(xiàng)目的工程特點(diǎn)及難點(diǎn),項(xiàng)目組成員將BIM技術(shù)成功運(yùn)用到項(xiàng)目中,在設(shè)計(jì)方面,利用BIM技術(shù)的優(yōu)勢解決和優(yōu)化了傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)所存在的不足,有效提高了設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率,解決了項(xiàng)目建設(shè)面臨的挑戰(zhàn),快速構(gòu)建項(xiàng)目全要素大場景模型,平衡各影響因素使路線方案最優(yōu);通過協(xié)同平臺統(tǒng)籌管理,實(shí)現(xiàn)各參建方和各專業(yè)之間的協(xié)同;借助BIM軟件準(zhǔn)確進(jìn)行復(fù)雜控制性節(jié)點(diǎn)模型的三維精細(xì)設(shè)計(jì)和仿真模擬;基于數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)交通、旅游和扶貧共贏的新格局。

針對不同設(shè)計(jì)階段的需求,BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用成果包括場地勘測、方案設(shè)計(jì)、深化設(shè)計(jì)和數(shù)字仿真交底四個方面。其中場地勘測是針對設(shè)計(jì)環(huán)境的真實(shí)還原;方案設(shè)計(jì)階段主要針對路線方案的綠色比選及模型快速構(gòu)建;深化設(shè)計(jì)階段則采用協(xié)同設(shè)計(jì)管理模式,開展精細(xì)化建模;數(shù)字仿真和交底階段將BIM模型與VISSIM、720°云及UE等系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián),利用VISSIM微觀交通仿真軟件進(jìn)行互通及服務(wù)區(qū)交通流的分析、預(yù)測及仿真模擬,為互通方案及服務(wù)區(qū)交通組織提供科學(xué)直觀的決策信息,可視化模擬遠(yuǎn)期交通流。

3 結(jié)語

本文針對廣西高速公路建設(shè)難點(diǎn)與現(xiàn)存問題,從“互聯(lián)網(wǎng)+”、BIM、大數(shù)據(jù)等技術(shù)入手,對高速公路進(jìn)行應(yīng)用研究,實(shí)現(xiàn)了BIM技術(shù)在高速公路項(xiàng)目設(shè)計(jì)中的集成應(yīng)用。主要結(jié)論如下:

(1)BIM技術(shù)在項(xiàng)目全線的集成應(yīng)用不同于以往的項(xiàng)目單階段應(yīng)用,而是在應(yīng)用過程中記錄了設(shè)計(jì)、施工各階段的各種數(shù)據(jù)資料,極大提升了數(shù)據(jù)傳輸效率。

(2)BIM與GIS相結(jié)合的方法可通過輸入GPS點(diǎn)云或者三維等高線,建立三維實(shí)體或?qū)嵕叭S模型,從而進(jìn)一步描述工程項(xiàng)目的地形地貌。

(3)利用BIM和GIS技術(shù)結(jié)合進(jìn)行三維設(shè)計(jì)方案能有效解決以往公路智能選線以及三維模型的簡化和方案快速修改的難題,實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目全線信息模型的設(shè)計(jì)。

(4)基于BIM三維模型及可視化界面,結(jié)合施工模擬技術(shù),對隧道開挖、邊坡防護(hù)、橋梁搭建的可視化仿真技術(shù),動態(tài)展示不同施工階段的工程概貌。

由工程應(yīng)用結(jié)果可知,基于BIM技術(shù)的高速公路應(yīng)用成功地提升了高速公路項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和施工建設(shè)水平,實(shí)現(xiàn)了高速公路數(shù)字化資產(chǎn)管理和養(yǎng)護(hù)決策。

此外,BIM技術(shù)不僅改變了設(shè)計(jì)手段,還對企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新、管理創(chuàng)新產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響,未來將有效促進(jìn)公路建設(shè)的行業(yè)創(chuàng)新。