BIM技术在山区施工便道平纵设计中的应用研究

卢永峰



BIM技术在山区施工便道平纵设计中的应用研究

卢永峰

中铁七局集团郑州工程有限公司，河南 郑州 450000

建筑信息化模型（BIM）是一个完备的信息模型，能够将工程项目在全寿命周期中各个不同阶段的工程信息、过程和资源集成在一个模型中，近年来在房建、市政、机电等行业得到了广泛的应用。以定临高速公路工程为例，为满足山区复杂地形条件下施工便道运输能力需求，控制施工便道的成本，提高施工便道平纵设计质量，对基于Civil 3D施工便道平纵设计的BIM技术应用进行研究，在提高生产效率、节约成本和缩短工期方面发挥重要作用，且对于今后相关复杂地形进场施工便道的顺利施工具有重要的参考价值。

BIM；山区便道；平纵设计

引言

近年来，随着项目管理信息化的推广，BIM技术目前已在地铁、建筑、机电等行业广泛应用，并取得了革新性的变化，但在公路选线和平纵设计方面涉及较少，尤其是山区复杂地形进场施工便道设计。BIM技术在山区复杂地形高速公路施工便道选线方面的应用基本没有，同样未涉及施工便道的平纵设计及施工。本文以定西至临洮高速公路项目为例，该项目主体工程位于定西市临洮县境内，沿线地形复杂，属黄土梁峁沟壑区，地形起伏较大，天然横坡较陡，无既有道路可利用，主体工程开工前须先打通进场便道。为控制山区复杂地形条件下进场便道的施工成本，提高施工便道设计质量，对BIM技术在山区施工便道平纵设计中应用进行研究。

1 基于Civil 3D施工便道平纵设计的BIM技术

现场采用GPS对施工便道路径区域地形进行三维坐标数据采集，将数据导入Civil 3D创建地形曲面，设置满足现场施工便道运输需求的设计最大纵坡、最小曲线半径等参数，便道线路交点路径布设，双交点法调整回头曲线和卵形曲线，编辑夹点，设置条件填挖横断面，添加横断面监视，基于软件工程量最优和填挖平衡原则全自动优化，提高便道平纵设计质量和降低工程造价。最后生成便道的三维模型图，进行方案综合演示，并生成便道的直曲线要素表、工程数量表及任意点位的坐标数据等，便于数据分析，指导现场便道施工及维护。

2 BIM技术山区施工便道平纵设计方法

2.1 地形数据采集

根据等高线地图现场勘察进场施工便道附近区域地形，在既有公路上确定便道起点，计算与终点间高差，初步确定便道路径，GPS建站，测量采集拟定便道路径涉及区域地形三维坐标数据，以及地面附属物水井、线杆、坟等障碍物坐标数据。整理地形坐标数据，导入Civil 3D创建地形曲面，并明显标记障碍物点位信息。

2.2 平纵设计

（1）考虑施工便道物资、机械、设备的运输要求，及施工车辆行车安全要求，设置便道设计行车速度为15 km/h，便道路面宽度为6 m，最小曲线半径15 m，最大纵坡为10%。

（2）在原地形曲面模型中设置显示等高线模式，手动布设便道线路交点路径，避让标记出的水井、线杆、坟等障碍物。山区地形复杂，采用回头曲线、卵形曲线克服高差沿山势迂回盘绕至终点。根据地形双交点法调整回头曲线、卵形曲线的各曲线要素，编辑夹点调整夹直线长度，查看直曲线表，复核便道线路设计要求。具体如图1所示。

图1

（3）平面设计完成后，根据平面设计所得路线纵断面地面线进行纵断面设计，尽量避免高填、深挖。参考便道线路原地形纵断面调整线路设计纵断面，设置便道路面宽度及条件填挖，特殊点位添加断面监视，实时查看便道横断面挖方或填方高度，手动调整设计纵断面。利用软件工程量计算和填挖平衡，进行全自动优化。Civil 3D中的横断面图纸和路基模型动态关联，任何对于线路平纵断面的修改，都可以实时精确地反映到横断面图纸上（见图2）。查看便道线路工程数量表，通过对路线平纵断面的调整，可以实时观察到路基模型的更新和土方量的变化，进行方案经济性比选。

2.3 便道三维模型

施工便道线路方案优化比选后，依据便道路面宽度及条件填挖设置，在便道模型中查看路堑开挖坡口线、填方路堤坡脚线，检查复核与地面障碍物的位置关系，并将线路里程百米桩断面间隔加密至20 m。软件自动完成空间图形和工程量，最终形成施工便道三维模型（见图3）。施工便道三维模型不仅可以用来展示效果图及生成信息数据报表，而且还可以在便道线路平纵设计方案优化比选过程中可视化沟通、讨论。

图2

图3

3 优点

3.1 平纵设计优化便捷

对于山区复杂地形施工便道，BIM技术能在地形曲面模型上，进行平面设计和纵断面设计，施工便道线路设计更加直观、全面、科学、合理。施工便道三维模型能够依靠软件填挖平衡，通过添加横断面监视实时查看断面填挖高度优化方案；也能通过线路曲直表、工程数量表，把施工便道设计与投资结合起来，设计变化对投资的影响可实时计算，便于设计方案优化和比选，并满足施工单位对便道成本及安全管理的需求。

3.2 生成三维模型可视化

山区复杂地形施工便道仅依靠平面图纸和人脑想象，很难实现施工便道的选线设计。施工便道三维模型不仅可以用来展示效果图，而且更重要的是在线路平纵设计方案优化比选过程中的沟通、讨论、决策都在可视化的状态下进行。BIM技术提供了可视化的思路，将以往线条式的构件形成一种三维立体实物图形展示在人们的面前。

3.3 信息数据准确输出

采用Civil 3D进行施工便道设计，在地形曲面模型上进行便道线路平纵设计，便道设计更加直观、全面、科学、合理，设计方案修改及比选方便、直观，能够准确、快速地出具详细用地表、直曲表、平面设计图、纵断面设计图及横断面设计图。施工便道临时征地有据有数；平曲线及纵断面参数明确，以此判定是否满足施工车辆通行要求；施工有图可依，避免因经验错估导致最后纵坡不能满足通行要求而返工。BIM技术快速、精准的特点，能够如实反映现场实际情况，对现场施工具有实际指导意义。

4 BIM实际应用及效果

4.1 土石方计算

山区施工便道工程的重要组成是土石方工程。传统的土石方的填筑和开挖的计算方法主要有：格网法、截面法、图解法。但这三种方法都需要人工进行、计算精度较差，且工作量较大，因此如何有效精确地计算土石方的量是非常重要的。根据土石方计算的基本思路，利用BIM数字信息模型，依据便道路面宽度及条件填挖设置，做出底面曲面网格模型与顶面曲面网格模型，将底面与顶面之差的绝对值作为积分高度，单位网格面积作为积分单元，最后累加所有网格的工程量即为总工程量。施工便道三维模型能随设计方案调整，并对土石方工程量进行实时计算，快速且准确。

4.2 便道线路数据导出

利用施工便道三维模型生成线路曲直表及工程数量表，设置里程标并加密间隔至20 m，导出施工便道中线逐桩坐标，用于便道线路中线施工放样。查看便道三维模型中路堑开挖放坡线和填方路堤坡脚线，导出便道放坡开挖边线坐标和路堤填方坡脚线坐标，用于现场土石方施工测量；也可根据征地边界线导出征地边界坐标，用于前期临时用地征地测量。施工便道施工有据有数，施工有图可依，避免因数据计算错误不能满足通行要求而返工。

4.3 BIM应用效果

4.3.1 技术效益

自国家重点实施西部大开发以来，山区复杂地形的陕甘宁等省区，高速公路建设数量不断增加，前期勘测设计工作任务繁重，时间紧迫，因此通常会出现初设资料简陋甚至不能用的问题。BIM技术的应用，能在极短时间内，用极少的人力、设备提供一份完整、精准的便道设计资料。在山区地形复杂的地方，BIM技术的优势就更加突出。BIM技术具有精密、准确、快捷和适用性强的特点，输入多组参数，经方案比较，就能提供全自动优化方案。

4.3.2 社会效益

Civil 3D强大的参数化建模和动态更新的特性帮助施工便道选线设计人员高效率地工作。通过施工便道线路平纵设计方案优化比选过程中的沟通、讨论、决策在可视化有效进行的状态下，及时提供进场施工便道设计方案，快速拉通施工便道，是项目主体工程全面开工的根本保障，也是保证全线节点工期的一项保障。

5 结语

目前，国内BIM技术在公路建设中应用较少，但随着技术创新步伐的不断加快，BIM技术将在公路设计、施工过程中广泛推广应用。在山区复杂地形高速公路建设中，施工便道的选线与施工将对主体工程的施工组织、安全、进度、成本起到关键性作用。Civil 3D强大的参数化建模和动态更新的特性能够高效完成选线，通过对路线平纵断面的调整，可以实时观察到路基模型的更新和土方量的变化，设计与投资相结合，施工便道方案优化比选过程中的沟通、讨论、决策都在可视化的状态下进行，高效设计最安全、最经济、最便捷的施工便道。施工便道平纵设计方法、实际应用及效果均体现了BIM技术可视化、模拟性、精准性、优化性的特点，因此其必将对公路的建设起到很大的积极作用，成为设计、施工过程中必备的技术手段。

[1]公路路基设计规范：JTG D30—2015[S].

[2]易震宇，等. 山区高速公路隧道平纵横探讨[J]. 公路工程，2008，33（6）：69-71.

[3]清华大学课题组 BIM课题组. 中国BIM丛书：设计企业BIM实施标准指南[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2013.

[4]杨志峰，辜晗光，敖志凡，等. BIM技术在道路设计中的应用探究[J]. 北方交通，2017（9）：37-39.

[5]潘嘉泉，许文峰. 山区高速公路施工便道规划与优化[J]. 建筑工程技术与设计，2014（20）.

Research on the Application of BIM Technology in the Horizontal and Vertical Design of Construction Access Road in Mountainous Areas

Lu Yongfeng

Zhengzhou Engineering Co., Ltd., of China Railway Seventh Group, Henan Zhengzhou 450000

The Building Information Model (BIM) is a complete information model that integrates the engineering information, processes, and resources of the engineering project at various stages of its life cycle into one model. In recent years, the building construction, municipal, and electromechanical other industries have been widely used. Taking the Dinglin expressway project as an example, in order to meet the demand of construction road transportation capacity under complex terrain conditions in mountainous areas, the cost of construction access roads will be controlled, and the horizontal and vertical design quality of construction access roads will be improved. The application of the BIM technology based on the Civil 3D construction access roadway longitudinal design will be carried out. The study will play an important role in improving production efficiency, saving costs, and shortening the construction period, and will be of important reference value for the smooth construction of access roads with complex terrain.

BIM; mountain road; flat and vertical design

TP311.5；U412

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