BIM+GIS技术在新建高速公路设计中的应用研究

2023-03-10刘海强彭俊文

交通科技与管理 2023年3期

刘海强,彭俊文

（四川交投设计咨询研究院有限责任公司,四川成都 610041）

0 引言

随着社会经济的发展，我国的高速公路建设管理模式也发生了很大改变，从最初的粗放型管理，到现在的信息化、数字化管理，朝着绿色、低碳、节约的方向稳步迈进，智慧工地、绿色低碳建造已成为高速公路项目建设发展的趋势[1]。

以某新建高速公路设计项目为例。这一高速公路项目系25个重点地级城市绕城高速公路环线之一，其开工建设有助于实现四川省高速公路网的建设目标，提高城市过境交通通行能力和服务水平，实现城市出入境交通的便捷转换，成为市区各发展组团之间的快速联系通道。该项目所处地区山峦起伏，沟壑纵横，植被茂密，地形复杂，导致了该区域的高速公路桥隧比高，施工难度大，工程造价高。如何高效地开展工程设计，在有限的公路走廊范围内合理布置路桥隧构筑物，是一个项目能否顺利落地的重中之重。通过在成绵扩容、久马高速、九绵高速等项目中的不断探索和总结，将BIM+GIS技术应用到该项目设计中来，以保障后续施工的顺利开展，达到经济、高效的目的。

1 无人机倾斜摄影的应用

随着无人机技术的快速发展，使得无人机摄影测量技术用于大规模三维模型构建成为主流方式。倾斜摄影技术的诞生虽然只有20余年，但该技术已逐渐成熟，应用于各个专业领域。

山区高速公路因其路线长、地形复杂、植被茂密，路线复杂，设计不仅测量工作量大，还存在一定安全风险，通过采用倾斜摄影技术，创建实景三维模型，如图1所示，有效避免了传统徒步踏勘方式带来的视觉局限、以点概面，导致后续便道、临时场站建设不合理、不经济等问题。

图1 三维实景图

通过无人机倾斜摄影，采用三维实景建模技术将重点工程周围环境实景还原，使设计人员能够站在俯视的高度，总体把握项目实际地形地貌，为后续施工组织提供直观、科学、合理、高效的决策依据，极大地提高了生产效率。

利用模型自带的坐标、高程数据，解决因项目区地形复杂、地势陡峭带来的测量定位难、丈量难、记录难和分析难的问题，解放了双手，降低了安全风险，提高了工作效率。

充分利用三维实景模型对地面河流、植被、田地的完整、直观记录，在临建设施设置时，能准确地对上述地块进行合理避让，促进了对环境的保护，有利于践行和贯彻“绿色公路、低碳环保”的设计理念[2]。

经过坐标转换，将多种数据融合入BIM+GIS平台上，建立三维数字地面实景模型，将项目实体与周围环境融为一体做成电子沙盘，充分展示项目区内全景状况，便于项目各参与方对设计方案进行直观沟通、交流、传达、落实。电子沙盘见图2。

图2 电子沙盘

2 BIM技术的仿真应用

BIM技术是Autodesk公司在2002年率先提出，通过建立虚拟的建筑工程三维模型，构建数字孪生世界，利用数字化技术，构建完整的、与实际情况一致的建筑工程信息库。

长期以来，受成本及技术方面的限制，建筑三维实体模型基本是建立在单一平面上或是采用地形图+高程形成的数字地面虚拟模型上，数字地面模型仅能体现地形的起伏，无地面附着物及构筑物，仿真效果差，故在地形环境对项目影响相对较小的房建领域，BIM技术发展及应用相对较快[3]。

但在高速公路建设领域，由于缺少准确的环境信息，BIM技术始终没能得到广泛应用。近年来，得益于无人机及倾斜摄影技术的快速发展，三维实景模型结合BIM技术得以快速应用于高速公路建设中。

3 在施工进场道路的规划、设计、施工中的应用

在四川山区高速公路建设中，道路地形条件复杂，山势险峻陡峭，高速公路施工进场便道通常更多地依靠技术员的经验结合粗略的测量进行施工，施工组织设计与最终实施方案往往不能达成一致，极易导致便道方案实施困难、工程造价不可控以及指标控制随意的问题，从而出现纵坡超标、半径不足的情况，致使使用期间出现使用效率低、安全隐患大等问题，最终导致返工、推倒重建，在造成极大浪费的同时，也在一定程度上增加了对生态环境的破坏。

通过采用BIM仿真技术，利用三维实景数据，合理避让不利地形，规划设计进场道路，并实现准确算量，有效降低工程造价，节约施工成本。同时，将设计方案三维模型原坐标融入三维实景模型中，完整模拟成品环境，使方案效果一目了然，确保设计方案经济、合理、可行。隧道进场道路规划如图3所示。

图3 隧道进场道路规划

4 在项目部、拌和站、钢筋加工场、预制场等临建设施工程中的应用

一个项目的建设是否成功，施工成本是否可控，项目部、拌和站、钢筋加工场、梁场等临建工程的规划设计是否合理是重中之重，其规模控制除了与材料需求计划关联以外，还与现场地形条件和场地利用率息息相关，因此，一个经济、合理的规划设计方案就显得尤其重要。

利用BIM技术，实景模拟项目场地状况，并创建临建实体模型，如图4所示充分利用每一寸土地，进行多方案布置，最终确定最优方案。避免了传统施工方式中的边挖、边建、边调问题，既提高了方案的可实施性，又降低了设计反复调整、现场反复测量的人力成本。

图4 施工场站虚拟布设

5 在施工方案三级技术交底中的应用

高速公路项目施工作为一项劳动密集型产业，除了部分专业技术人员以外，更多的施工人员专业水平相对较低。技术交底是控制施工质量的一项核心工作，传统的技术交底通常以文字描述加二维图纸作为载体，交底效果往往受制于相关人员的工程经验及领悟能力，因此具有一定局限性。通过利用BIM技术，针对重难点施工项目按照施工规范标准，对施工工艺进行分解，制作施工动画，完整再现施工全过程[4]。采用施工动画进行技术交底，打通了沟通壁垒，降低了技术门槛，提高了施工质量，如图5所示。

图5 三维施工交底

6 在设计图纸复核中的应用

山区高速公路因地形起伏大，部分段落横坡较大，在进场施工前，对原地面进行复测是一项非常重要的工作。通过复测数据与设计数据的对比、核实，实时找出设计图纸中存在的错漏，以便及时修订。采用传统的GPS复测方式，除了繁琐的逐桩断面测量以外，还需对照设计图一一核查，外业、内业工作量巨大，费时费力，人力成本较高，如图6。

图6 实景数据

通过采用GIS+BIM技术，充分利用三维实景模型的GIS数据，依托公路BIM设计系统，将二维设计图纸制作成三维数据模型，如图7标准隧道模板，将项目实体模型原坐标还原于三维实景模型中，能直观、有效地发现设计图纸中的错漏，如路段挡土墙设置合理性、隧道进出口开挖过大等问题。

图7 隧道模板

7 在方案比选中的应用

随着高速公路建设管理向精细化不断发展，环保、经济、美观等建设要求已深入人心，践行绿色公路理念，动态设计、动态施工已被越来越多的项目采用，根据现场实际情况及时修正、优化设计方案，在涉及设计方案与环境的匹配性及美观性时，在二维设计图纸上很难得到一个肯定的结论[5]。通过利用BIM技术，将比选方案进行三维模型还原，将控制性因素（水源保护地、铁路、燃气、引水管道等）分别放置于实景地形图上，能直观地展示其美观性及与周围环境的匹配性，有利于方案的抉择及绿色公路的打造，如图8。