BIM技術在高速公路改擴建工程中的應用

朱正萍，楊 明，周鵬光，陳良斌

(1.廣東省公路建設有限公司,廣東 廣州 510623;2.中交第二公路勘察設計研究院有限公司,湖北 武漢 430058;3.云基智慧工程股份有限公司,廣東 深圳 518094)

0 引言

隨著我國經濟建設的高速發展和城市化進程的不斷推進,早期修建的高速公路以雙向4車道或雙向6車道為主,已無法滿足現代社會日益增長的交通出行需求?，F階段高速公路建設規模逐漸趨于飽和,新建項目的數量逐漸減少。因此,為了適應交通需求的持續增長和改善公路網絡,高速公路改擴建工程逐漸成為推動交通基礎設施建設的重要舉措之一[1-2]。

高速公路改擴建工程其路線長、工程種類多、控制因素繁雜。新、舊結合的改擴建結構形式較為常見,尤其涉及到橋梁、互通立交、天橋等結構工程時,常需要對已有結構進行利用和改造,以提高既有工程的利用率。然而,由于既有工程長期運營,導致路線信息與原始設計資料可能不一致,這就要求在勘察設計階段對項目進行不斷修改和優化[3]。在面對復雜的改擴建工程時,傳統的二維設計手段較難及時發現設計中的問題,這可能會導致潛在的風險和不確定性。為了更好地應對這些挑戰,引入BIM技術成為提高設計質量和降低設計成本的重要途徑之一。

BIM(建筑信息模型)技術依靠其可視化、精細化及信息化等特點,可充分還原既有工程,精細展現新、舊結構的限界細節,模擬施工改造過程,提高勘察設計的質量和效率[4]。本文以廣深高速公路改擴建工程為依托,介紹BIM技術在高速公路改擴建工程中的應用。

1 工程概況

廣深高速公路是聯系廣州、東莞、深圳、香港的重要通道,是國家高速公路網京港澳高速公路G4和沈海高速公路G15的重要組成部分。廣深高速公路改擴建工程北起于廣州市黃村立交,南止于深圳市皇崗收費站,改造里程全長118.2km?？傮w按照充分利用原道路和土地資源的原則進行擴建,主要采用整體拼接擴建成十車道(斷面寬度52.5m),設計行車速度100km/h。

本項目穿越粵港澳大灣區都市圈核心區,作為核心城區高速公路國道主干線改擴建工程的典型代表,具有鮮明的“高度城市化”特征。主要特點:

(1)沿線交叉與并行道路等控制因素眾多,建設條件復雜。

(2)南方地區首條百公里級十車道高速公路,標準體系缺乏支撐,暫無經驗可循。

(3)車道數多、橫斷面寬、互通立交密集、轉向交通量大,車流交織嚴重,運營安全管控要求高。

(4)施工期間交通量非常大,交通組織、施工組織難度大。

針對本項目的特點及難點,設計階段引入BIM技術,利用其參數化、可視化、模擬性及協調性等技術優勢,解決工程建設過程中的實際問題,形成了BIM多點賦能的技術解決方案。

圖1 BIM工作流程

2 創建高速公路改擴建BIM模型

廣深高速公路自1997年正式通車至今已超過26年,積累了超過8 000項次的養護、中修、改建、擴建等項目。大量數據資料的堆疊,形成繁雜且低正確保證度的二維檔案庫,無法支撐傳統的BIM建模體系,導致現有高速公路三維還原的數據匱乏。如僅采用常規的新建設計方案BIM模型創建技術,無法滿足如此復雜的既有高速公路改擴建設計的需求。因此,本項目打造了以環境模型、現狀地下管線、三維地質模型、現狀道路模型相融合的既有高速公路模型,結合改擴建設計道路模型、互通立交改造模型等改擴建高速公路模型,以三維可視化、參數化的形式,實現既有和新建的有效融合,為高質量改擴建高速公路設計提供數據支撐。

2.1 環境模型的創建

在高速公路改擴建工程項目中,環境模型的創建是BIM技術應用的重要起點。完整且準確的環境模型是后續設計、施工和運營等階段BIM應用的基礎[5],環境模型主要包括項目所在地的地形、地貌、建筑物、周邊路網等環境要素。高速公路一般里程長、跨越區域廣、走廊帶狹長,設計提供的基礎數據往往局限于路線走廊范圍,要更好地展示項目在地區、全省乃至全國的區間位置,以及豐富BIM數字沙盤的場景,需要補充完善大范圍的環境模型。對大范圍、精度要求不高的地形可以通過水經注、ARCGIS等軟件獲取。項目范圍內的地形采用勘察單位提供的高精度數據,并從相關部門獲取項目周邊的規劃信息、主要控制因素和路網信息。利用BIM軟件生成數字地面模型(DEM)和衛星影像(DOM),將兩者進行疊加融合,完成數字沙盤環境基座的建立。在此基礎上疊加各類GIS信息,形成完整的環境模型。廣深高速公路改擴建項目BIM環境模型如圖2所示。

圖2 環境模型

2.2 現狀地下管線模型的創建

廣深高速公路位于高度城鎮化地區的核心走廊帶上,地下埋藏有大量的地下管線。根據初測初勘階段物探報告,探明地下管線類型共16種,包含給水、污水、雨水、燃氣、供電、路燈、交通信號等,包含各類節點15 229個,管線總長度338.2km。地下管線具有種類多、數量大、專業性強等特點,其建模思路與道路、橋梁和隧道有較大的差異。地下管線模型主要由管段與兩端的節點構成。節點的位置可以通過其平面位置和地面高程確定,節點構造模型可以通過其附屬物信息(如三通、雨水口等)確定;管段的空間位置可以通過連結管段的起終點節點位置信息、地面高程和埋深信息確定,管段模型尺寸可以通過管段的材質類型、管徑等信息確定?；诖嗽?根據物探成果中的地下管線類型、節點位置坐標、管材、管徑、地面高程、埋深等關鍵數據,利用國產軟件“管立得”,批量完成了全線、全專業現狀管線模型,并根據要求將物探屬性信息掛接在模型上?；诮ǔ扇S地下管線模型開展碰撞檢測,避免管線與其他結構的沖突和干擾。

圖3 地下管線模型

2.3 三維地質模型的創建

根據采集到的地質數據,如鉆孔數據、地勘報告、地質縱斷面圖和地形圖等資料,在地質建模軟件中進行地質模型的創建。通過錄入鉆孔數據、繪制地質橫剖面和縱剖面,根據地層厚度和地層邊界,快速創建三維地質鉆孔模型和三維地質地層模型,直觀地展示地質體的形狀和空間分布。

圖4 三維地質模型

2.4 現狀道路模型的創建

高速公路改擴建設計與新建高速公路設計最大的不同點在于需要滿足現行設計標準的前提下,最大限度地利用既有道路,因此老路的還原工作是極其重要的一步?，F狀道路作為改造地形的設施已成為了地形的一部分,由于現狀道路建設時期較早,經過多年的運營,中間勢必對道路進行了多次維護和改造,現狀道路與最初的設計并不是完全一致,因此不能簡單地從竣工圖紙翻模得到現狀道路的模型?，F狀道路的建模工作是一項十分費時費力的工作。目前現狀道路BIM模型的創建主要有兩種技術路線:建模還原法和實景還原法。建模還原法主要利用各種先進設備(如精密機載三維激光雷達)測繪現狀道路,獲取老路的平、縱、橫數據,對現狀道路進行擬合設計,再結合外業調查資料和竣工圖等資料,以類似新建道路的建模路線完成現狀道路模型的創建。實景還原法主要利用無人機傾斜攝影技術拍攝對象各個角度的照片并記錄空間信息,利用實景建模工具自動完成空三計算和模型重構。兩種建模方法各有優、缺點。建模還原法建模效率低、經濟效益低,但是擴展能力高,后期BIM應用方便;實景合成法建模效率高、顯示效果好,但擴展能力差,模型呈整體,存在橋下模型無法顯示、部分模型破損等問題[4]。

廣深高速公路里程長、通車時間早、建設標準不統一、改造次數多、相關圖紙缺失,采用建模還原法不僅難以實現而且工作量巨大。本項目全線采用無人機傾斜攝影三維實景建模技術,完全真實還原現狀道路和道路周邊的建筑模型。對傾斜攝影無法清晰表達的地方,通過三維建模進行代替,并對需要替換的傾斜攝影模型進行挖洞、壓平和重新映射貼圖等操作,使創建的現狀模型與傾斜攝影模型完全貼合。

圖5 現狀道路模型

2.5 改擴建道路模型的創建

高速公路改擴建工程全線涉及路基路面、橋梁拼寬等內容,現狀道路由于運營多年沉降基本穩定,原始設計圖紙標高與現狀會存在一定的差異[7]。因此,準確表達改擴建工程結構的拼寬位置、拼接形式和新、老路面標高差異,以及后期利用改擴建結構模型進行拼寬施工工藝模擬等應用,創建改擴建道路模型顯得尤為重要。

改擴建道路模型既要包含現有道路的利用部分的模型,還要包含拼寬擴建部分的模型。改擴建道路模型的創建方法有:

(1)利用上文提到的建模還原法創建完成現狀道路模型,然后根據設計提資完成拼寬新建部分的模型,將兩者進行裝配完成改擴建道路模型的創建。該方法與常規的新建道路建模一致,僅增加了建模數量以及裝配工作,但對現狀道路的擬合工作挑戰較大。

(2)基于路線設計軟件進行二次開發,在橫斷面上標記拼寬位置,利用不同的道路板塊對現狀道路與拼寬部分進行區分,完成道路“帶帽子”設計。根據橫斷面拼寬標記位置,向下按設計規則挖臺階創建現狀道路和拼寬道路的路面結構層模型,根據現狀道路板塊和拼寬部分板塊的平縱橫信息進行現狀橋梁和拼寬橋梁的分幅建模。圖6為利用路線設計軟件二次開發功能創建的改擴建橋梁模型。

圖6 改擴建橋梁模型

2.6 互通立交改造模型的創建

互通立交改造是高速公路改擴建工程中的重點和難點工程,利用路易、OpenRoadDesigner等道路建模軟件完成全線互通立交模型的創建,并針對互通立交改造部分和利用部分賦予不同的貼圖,使互通立交改造方案更直觀。

圖7 互通立交改造模型

3 高速公路改擴建BIM應用解決方案

3.1 BIM云看線技術

2022年初,我國疫情持續高發,防控形勢嚴峻復雜。為確保項目順利推進,利用BIM+GIS三維數字沙盤推出“BIM云看線”的解決方案。

本項目在環境模型的基礎上,整合高速公路大場景和大體積容量的各專業工程模型,打造BIM+GIS三維數字匯報沙盤,集成設計方案PPT、BIM模型、圖片、視頻等資源,在設計方案匯報中充分發揮BIM技術的優勢,實現多角度、高精度的設計細節展示與匯報?；?“BIM云看線”技術,以三維的展示方式制定完備的看線路徑,從縱覽全局到細節查看,實現全方位無死角的匯報演示,為公路勘察設計項目匯報提供了新的技術手段。廣深高速公路改擴建數字沙盤如圖8所示。

圖8 BIM+GIS三維數字沙盤

3.2 輔助方案設計與比選

當前,行業內總體設計方案的比選以二維及定性比選的形式為主,存在總體方案的論證不充分、比選的角度不全面等問題。而本項目原有的互通立交密集,平均間距 5.12km,最小間距1.2km,轉向交通量很大,部分互通立交行車迂回,服務水平低;互通立交方案的選擇需充分考慮交通需求、施工保通、地方規劃和集約利用存量土地進行綜合開發等,決策因素多,極其復雜,設計方案的比選是本改擴建設計的重點和難點。

本項目融合了傾斜攝影、環境模型、控制影響因素和設計方案BIM模型,疊加交通仿真車流,可以更清楚地展示公路的布局、形態、交通組織等關鍵要素,有助于準確評估設計方案的可行性和效果。對各個互通節點,以多方案同屏對比的形式,進行設計方案多角度、多層次的比選與評審,結合道路線形、建筑凈空、周邊環境協調性等,確定最優方案。某互通的方案比選如圖9所示。

圖9 互通方案比選

3.3 設計方案BIM全景圖展示

本項目改造里程全長118.2km,百公里級的GIS信息模型、傾攝影模型、公路工程模型、既有道路模型、房建模型等多專業BIM模型,其體量巨大(超過1T)。解決大體量模型快速加載、輕量化展示、移動式查看,是BIM實施的關鍵內容之一。

基于項目三維數字沙盤平臺,將BIM結構模型、景觀設計模型、傾斜攝影實景模型在綜合渲染軟件進行融合,按總體+節點的方式輸出三維全景圖,直觀地反映控制因素與總體設計方案的關系。采用云端全景漫游技術,通過輕量化的網頁端和移動端,方便設計人員分析論證方案的可行性,提高設計質量和項目溝通效率。

圖10 設計方案全景圖

3.4 三維交互式沙盤講義

傳統的BIM+GIS三維數字沙盤以三維可視化展示為主,雖支持各類信息模型的融合展示,但其以成果展示為主,未能有效服務于設計過程,仍呈現出BIM與設計相對孤立的狀態,無法實現BIM技術的本源價值。

本項目針對空間異常復雜、平面圖難以表達設計意圖的互通,根據設計人員的匯報思路,利用BIM+Unity技術定制三維交互式沙盤講義,以更好地展示和驗證方案的可行性。將互通范圍內的環境模型、設計方案BIM模型、景觀設計模型、傾斜攝影實景模型等加載融合到Unity中,形成互通多方案匯報沙盤。沙盤可以通過虛擬現實技術實現用戶與模型的互動,全方位直觀地了解互通方案的細節和空間布局;沙盤可以將BIM模型中的各種信息進行可視化展示,包括空間布局、構件材質、交通車流等;利用Unity強大的渲染技術,可以實現多方案的流暢加載,不同方案之間的同屏對比,相比傳統的PPT匯報更加高效與便捷。

圖11 三維交互式沙盤講義

3.5 基于BIM技術的互通立交改造交通仿真分析

改擴建項目與新建項目存在較大的差異性。廣深高速公路是粵港澳大灣區的“主動脈”、珠三角地區的“黃金通道”,保證現有高速公路的正常通行是改擴建工程實施的基本前提。在高速公路改擴建設計中,交通組織設計的合理性至關重要[6],它直接影響到項目的順利實施、交通運行的安全與效率以及用戶的出行體驗。

圖12 立交互通改造交通組織仿真模擬

為了直觀地展示互通立交改造的交通組織設計方案以及驗證方案的可行性,本項目采用BIM+Unity技術,將現狀互通模型、臨時便道模型和改造后互通模型等BIM模型導入到Unity場景中,通過Unity強大的動畫渲染功能,制作互通立交改造的路基拼寬、主線橋的拆除重建和進出口匝道的改造等施工工序,并加載不同階段的交通車流,制作成交互式匯報沙盤。設定仿真模型的初始條件,包括交通流量、車輛類型、信號控制策略等,運行交通仿真模型,模擬現實交通場景下的車輛行為和交通流動。通過沙盤展示不同階段的車流運行情況,直觀地展示交通擁堵情況、交通流暢度、車輛停滯時間、行車速度等信息,為優化施工組織流程提供可視化的依據。

3.6 基于BIM技術的“2+3”模式下交通轉換仿真模擬

本項目是我國南方地區首條超百公里級、多車道超寬斷面的高速公路改擴建工程,交通組織異常復雜,設計團隊創新性地提出采用標線分隔的“2+3”交通組織模式。綜合超寬斷面、多車道、密集互通、“2+3”交通模式等特點,傳統二維平面圖難以準確、直觀地表達建成后車輛的交通行為。

圖13 廣深高速公路“2+3”交通組織模式

本項目利用BIM+Unity技術進行交通轉換模擬,將項目范圍的傾斜攝影、互通模型導入到Unity中,并根據設計圖紙創建交通標線模型與道路進行貼合,結合Unity強大的3D渲染和物理模擬能力,構建了一個交互式三維沙盤,直觀地展現建成后車輛的運行情況和車輛進出高速公路的行為。

圖14 交通仿真模擬

3.7 基于BIM技術的重要工點的交通組織和施工組織模擬驗證

川槎大橋跨越倒運海水道,由于通航凈空不夠,需進行拆除重建。

利用BIM技術創建川槎大橋現狀橋梁模型、過程模型以及成橋模型,將設計提供的交通組織方案和施工組織方案進行逐步分解。根據施工組織方案,凸顯每個階段的施工區域以及制作主要工序的施工動畫,同時導入交通組織方案,包括車流量、道路交通標志標線和臨時交安設施等,對交通組織和施工組織方案進行綜合模擬,科學地驗證方案的可行性和合理性。

圖15 交通組織和施工組織模擬

3.8 數字化交付

在廣深高速公路改擴建項目中,設計參與方使用不同的BIM建模軟件,且實施路線差異較大,導致了BIM模型格式的多樣性。同時,項目的交付平臺為第三方,這增加了多源數據格式交付和傳遞的難度。這些問題影響了設計信息的傳遞和交流,也阻礙了BIM在全生命周期中的應用。

為了解決多樣性和復雜性的問題,本項目首先制定了統一的BIM模型建模精度標準和屬性掛載標準。通過統一標準,確保不同參與單位建模的一致性和可協作性,提高BIM模型在設計階段的可用性。通過采用數模同源和數模分離兩種技術路線,完成各種格式的BIM模型與屬性信息的掛接,成功解決了廣深高速公路改擴建項目中BIM模型跨平臺交付的難題。統一的BIM建模標準和屬性掛載標準,確保了BIM模型的一致性和可協作性。同時,數模同源和數模分離的技術路線,實現了各種格式的BIM模型與屬性信息的掛接和傳遞。這些措施使得多源數據格式跨平臺交付成為可能,最終形成了一套完整的設計階段BIM數字資產,為BIM的全生命周期應用奠定了基礎。

圖16 數字化交付

4 結語

本文以廣深高速公路改擴建工程項目為依托,實踐了高速公路改擴建工程設計期的BIM建模和BIM應用?？偨Y介紹了高速公路改擴建BIM模型的創建方法以及環境、地質、地下管線、道路、橋梁、互通等全專業BIM模型的建模技術路線。項目以BIM模型為基礎,進行了“云看線”、方案比選、交互式匯報、全景圖展示、交通仿真、施組交組模擬等應用,充分發揮了BIM的三維可視化和模擬特性,為項目提供了直觀的溝通平臺和技術手段。項目通過標準的統一,同時采用數模同源和數模分離的技術路線,實踐了BIM跨平臺的數字化交付。