BIM技术在深汕西改扩建路面中的应用研究

胡 燕

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司,湖北 武汉 430056)

深汕西高速公路是沈阳至海口国家高速公路(G15)的重要组成部分,同时也是广东省“十纵五横两环”高速公路主骨架中第五条横线的一段,是联系珠三角核心区与粤东的交通大动脉,在路网中具有十分重要的地位。

深汕西高速公路于1996年底建成通车,2009年对路面工程进行了大修。大修路面主要结构形式为:原沥青路面上加铺沥青层的,简称为“黑加黑”路面,原水泥路面上加铺沥青层的,简称为“白加黑”路面。近年来,随着珠三角与粤东经济一体化的推进,沿线经济联系日益紧密,交通量增长十分迅速。现状公路已难以满足日益增长的交通量需求,交通堵塞情况时常发生,路面出现各种病害问题。经过研究后决定对该路段进行改扩建,采用“变四为八”的改造方案,即将原本的双向四车道,改成双向八车道,路基由原来的24.5 m拓宽至42 m,并对路面进行升级改造。

1 项目难点

本项目路面升级改造按现状“白+黑”、“黑+黑”路面结构,保通侧和非保通侧分段进行,分别采用不同的路面结构和加铺方案。根据新旧路基平面拼宽方式,路面拼宽分为分离新建、单侧拼宽、双侧拼宽、过渡拼宽等;按照新旧路面纵面拟合的高差,分为挖除新建、5-14加铺方案、14-28加铺方案、28-46加铺方案等;同时还要兼顾考虑透水路面段落、低填浅挖段落等因素。

由于需要考虑新、老路的平面、纵断面及横坡三个维度方案灵活组合和各种工况,造成路面改扩建方案选取异常复杂和繁琐,传统的算量方法计算工作量巨大,且计算方法难度高,计算准确度差,已无法适应如此复杂多变的情况。

2 BIM建模及算量

2.1 创建老路表面模型

根据项目地形图,读取道路范围内准确测量的高程点或等高线,或是通过机载雷达采集的三维激光扫描数据,提取路线设计高程及硬路肩内侧(路缘带外侧)处的数据,作为老路路面控制点数据,以点坐标(x、y、z)形式存储。将老路路面控制点数据导入AutoCAD Civil 3D中,构建曲面,得到老路表面模型。传统的设计软件其数模仍然只能利用断面的控制点表征老路路面,精度难以提到很高,使路面改扩建算量也差之毫厘谬以千里。

创建老路表面模型具体方法如下。

(1)在AutoCAD Civil 3D中新建曲面,定义名称。

(2)打开曲面定义,根据点文件形式,添加控制点数据,构建曲面,得到老路表面模型。

2.2 提取平纵横数据

利用公司自主研发的转换工具,将路线专家设计软件中的改扩建道路设计数据进行转换,提取AutoCAD Civil 3D支持的平面、纵断面及横坡的设计数据,并进行成果数据的识别和存储,构建AutoCAD Civil 3D支持的道路对象。

2.3 编制参数化部件

编制参数化部件是将设计方案进行参数化或数字化的过程,得到一个可以根据路面加铺实际情况自动适应调整的部件,为后续的半自动化设计提供了方案上的支持,不需再手动的每个断面判断加铺情况和挑选方案,以此支撑后续的半自动化设计。由于不同的项目的方案各有不同,编辑部件的方法和思路也各异,但在项目实践过程中这步是整个工作里十分举足轻重的一步,也是难度相对较高的一步。

改扩建设计方案依据新、老路间平面拼宽方案、纵面加铺方案及横坡调整方案综合确定。包括在不同平面拼宽方式(双侧拼宽、单侧拼宽及过渡段)条件下,不同纵面加铺值区间内的路面改扩建方案,以及由于平面拼宽及纵面加铺方案所引起的新、老路之间路面横坡不同而产生的路面改扩建方案;利用部件编辑器,针对上述方案分别编写相应部件。

(1)与老路无位置关系判断的方案,如单侧拼宽一般路段。

(2)与老路有位置关系判断但路面横坡无需调整的方案,如双侧拼宽一般路段。

(3)与老路有位置关系判断且路面横坡需要调整的方案,如一般转超高路段。

所述部件的编写思路如下。

(1)在部件中设置老路表面、拼宽边线及拼接缝位置等“目标参数”,分别用于判断加铺路面与老路位置关系、拼宽边界及改扩建路面新建与加铺计算界线等。

(2)分左、右侧,根据路面改扩建设计方案中各结构层位置关系,利用点形成线、线构成面的方式,分别描述路面拼宽方案各部位,并设置其与“目标参数”的逻辑关系,最终根据需要添加方案的输入、输出参数。

(3)为相应结构层或界面添加“代码”,特别是改扩建路面拼宽方案中的铣刨界面,用于后续在AutoCAD Civil 3D中实现根据“代码”自动生成曲面及统计数量。

2.4 计算路面改扩建段落

为解决由于新、老路的平面、纵断面及横坡三个维度方案灵活组合而造成路面改扩建方案选取复杂的问题,先分别计算各维度段落数据,具体如下计算步骤。

计算纵面加铺段落数据。按一定的采样间距,分别取得同一断面处新、老路纵面控制点处高程值h1及h2,计算距离ΔH=h1-h2,根据纵面加铺段落划分区间,得到不同加铺区间的起、终点桩号。

(4)划分路面改扩建设计段落。根据平面拼宽、纵面加铺及横坡调整段落,对设计全线进行段落划分,根据所划分段落的平、纵、横组合,选取相应路面改扩建方案。

2.5 创建改扩建道路模型

在AutoCAD Civil 3D中创建道路,选择相应路线及纵断面,选择道路特性,设置道路部件参数。根据参数选择相应的“目标映射”,设置区域步长,根据计算精度要求,选择应用装配的步长,从而创建得到改扩建路面模型。

在路面模型上进一步提取老路铣刨线数据,构建铣刨表面模型。利用建立好的老路曲面、新路面模型,利用采样线对各部位进行数据采集。此外为解决铣刨的数量难以准确计算的问题,通过部件自动计算铣刨层,进一步提取铣刨界面的曲面,然后与老路曲面进行计算,如果遇到多层铣刨程序计算机制会自动扣除重复部分,最终利用材质功能计算得到数据,数据可靠。

2.6 计算改扩建路面数量

利用采样线编组的材质列表,针对改扩建路面分新建、加铺及铣刨三部分分别设置算量规则。设置规则名称、材质名称及对象名称的关联关系,用于计算材质。完成材质设置,同样的方法设置加铺材质列表。铣刨部分的材质列表定义,添加材质后,向内添加子标准,再添加曲面材质,根据铣刨曲面个数设置多个子标准,并保持老路曲面在上,铣刨曲面在下,模拟挖方的计算模式。选择体积计算方法后设置完成。

3 基于BIM模型的项目应用

针对高速公路改扩建路面传统二维设计下,存在方案表达不直观、设计效率低、施工阶段动态调整困难以及工程量计算精度低等问题。本项目通过上述的技术路线创建路面三维建模和计算工程量,利用模型提取路面加铺、拼宽扩建、老路铣刨等工程数量,从而实现BIM技术辅助改扩建路面算量,弥补了二维设计上的不足,提升了工作效率及准确性。无论是对设计手段上的补充和设计方法上的变革,都存在无可比拟的优势。

3.1 横断面出图及数量表统计

基于BIM三维模型快速绘制横断面图和完成路面相关数量的精确统计,是BIM应用的核心价值之一。本项目可实现自动批量、分部位地输出面积与体积数据,图表成果输出主要包括输出新老路信息段落一览表、新老路路面拼宽段落表、加铺铣刨工程数量表,扩建侧工程数量表,导出路面三维模型和横断面等。导出数量表如图1所示。

图1 旧路加铺(铣刨)工程数量表

3.2 数量核查及造价分析

通过BIM三维路面模型导出的路面工程数量表,可与设计人员手工断面法计算的路面数量进行对比,对设计数量进行核查和纠正。可以从平面加铺段落、纵面加铺段落、加铺方案计算结果、横断面等方面进行对比分析。通过对K130+030～K130+450段路面数量进行对比分析,发现设计数量和BIM计算数量主要差别在老路沥青铣刨层、新建路面下面层、水稳基层及碎石垫层。路面数量对比表如表1所示。

表1 加铺方案计算结果对比表(过渡拼宽段)

本项目二期路面工程分为6个标,建安费大概100亿元,通过BIM建模算量核减和核增的数量综合分析,BIM算法大概能节约路面造价的0.4%,即本项目路面工程可核减约4 000万元造价。

3.3 路面施工结算

BIM技术在路面改扩建工程量结算中具有重要的应用价值,可以提高工程测量的准确度和效率,减少因人为因素造成的误差。由于传统设计路面数量表中,大多是通过20 m一个断面进行算量和统计,起终点桩号多处于整20 m桩号处,而实际施工结算节点,并非整20 m桩号处。且改扩建路面动态施工过程方案变更比较频繁,通过本文的BIM辅助算量方法,可以快速计算并导出任意起终点桩号的数量和断面,方便且更贴合实际需求。

3.4 路面BIM数字承载平台

由于道路基础资料的变更和后期运营养护中对道路的改造,加大了管理者对路面实际情况的掌握难度,并且各阶段资料往往是以纸质版存档于不同的负责部门保存及查阅。因此,对于施工及养护阶段对工程信息的存储、查询难度大。针对该问题,研发搭建路面BIM数字承载平台,利用扩展性和兼容性好的引擎为基础平台,满足使用者对路面模型的任意定位查询,并可存储信息,统计所需数据指标,当施工阶段结束后,可实现路面BIM模型作为数字资产,数字化交付的任务。将BIM技术应用到改扩建路面中,是改扩建工程路面信息化的先决条件和重要手段。

4 改扩建路面BIM技术应用思考

BIM技术作为公路工程中的新兴技术,在公路改扩建路面计算中有着其独特的优势,如多源基础数据融合处理,横断面组装,BIM正向计算,路面横断面输出等。能充分发掘传统设计和施工中不易察觉或容易忽视的问题。BIM技术作为一种基础数据工具,以模型为中间媒体,将数据跨阶段迭代与传递,在公路项目改扩建设计、施工、运维中的应用是大势所趋。本文针对公路改扩建路面提出了对应的应用思路,为BIM技术在公路改扩建中的路面辅助设计、路面加铺方案动态调整动等应用落地提供了新思路,且为公路改扩建路面数字化交付和正向设计路面提供一定的经验和思路。