基于BIM+GIS的高速公路集成设计

2023-09-05陆山风

西部交通科技 2023年5期

陆山风

(广西新发展交通集团有限公司,广西南宁 530029)

0 引言

随着我国工程建设行业不断发展,高速公路的现代化、信息化要求也逐步提升[1-2]。采用BIM技术对高速公路进行辅助设计,针对重点桥梁、隧道以及高边坡等区域进行精细化建模和优化分析,是工程设计进步的必然选择[3]。BIM三维设计将高速公路设计从传统的线条绘图和几何表现转向构件布置和信息模型集成,是实现工程数字化管理、提高设计效率和质量的基础[4-5]。

目前,BIM技术已在国内的公路交通行业得到了诸多研究与应用,部分学者[6-7]将BIM精细化建模技术与GIS技术相结合,有效优化了高速公路设计方案,改善了设计质量与效率;此外,为高速公路设计引入附加时间维度的BIM技术,实现了4D施工进度可视化模拟和基于BIM的集成管理,解决了高速公路信息集成困难、管控混乱等问题[8-10]。

传统的高速公路BIM应用方案多局限在设计或施工的单个阶段,不仅存在着信息传递的局限性,也不能发挥出BIM技术的最大价值[11]。为了进一步发挥BIM技术应用在建设全过程管理的价值,本研究基于BIM技术对高速公路进行协同设计,以三维实景、环境分析等关键技术为主体,以BIM+GIS选线优化为依托,实现了三维参数化建模和可视化表达。应用结果表明,该方案能有效提升高速公路项目的设计水平,促进公路传统产业的转型升级。

1 基于BIM的高速公路应用研究

为了提高设计效率和质量,掌握工程项目核心信息模型,实现工程数字化管理的基础,本节分析和总结了高速公路关键技术和难点问题的解决方案,结合高速公路工程中的推广和应用,进一步验证BIM技术在高速公路全生命周期的适用性和先进性。

1.1 公路三维实景环境分析

BIM模型是在工程设计、施工、运营过程中逐步完善,逐步丰富的对应工程实体的数字化成果。该成果既反映了工程全生命周期过程中的数据生产成果,也利用本身自带的空间关系属性表达了与现实工程实体一致的空间状态。

为了提高项目前期的环境分析和地形测量质量,获取BIM技术的基础数据,本文采用无人机倾斜摄影和三维机载激光雷达对公路进行三维实景建模,真实还原高速公路沿线的地形地貌。

目前,主流倾斜摄影技术的数据处理方式是通过对数据资料进行分析和预处理,以排除任何可能存在的缺陷,确保将用于建模的数据和资料都是完整的,并符合正确的格式要求。利用倾斜摄影技术,可以实现真三维场景建模,辅助施工场地布置,对施工道路、驻地、加工车间、拌和站、码头、栈桥等临时设施进行规划,优化大型临时设施的数量、规格和布置方式,其基本技术路线如图1所示。

图1 三维场景建模流程图

1.2 BIM+GIS选线及优化

本研究通过建立和利用包含卫星影像和地质遥感数据的三维空间GIS模型,将项目高分辨率卫星测量、航空摄影测量、三维激光测量等多来源多精度的影像数据进行整理,以满足大比例尺地图的精度要求。通过BIM和GIS技术的融合,可以将线路周边的信息资源进行有效整合,从而实现工程范围内三维地理信息模型全方位、高精度的可视化呈现,为路线选线、定线过程中的空间分析和方案决策提供帮助。

利用BIM技术进行大面积快速选线,在短时间内提出上百个路线方案,通过采取人机交互的方式来完成线路选线。基于BIM+GIS在三维数字地理模型以及综合协调和考虑多种因素的基础上,进行平、纵、横断面自动设计,快速、准确地进行工程数量的计算与统计,并可以根据输入的工程单价指标进行工程投资快速估算。

该技术弥补了传统人工选线效率低的弱点,使工程师快速地修改各种控制条件,调整路线设计标准,通过测试不同的限制坡度和最小平曲线半径,确定最佳的平曲线半径和路线纵坡,使控制路线建设和生命周期内运营成本达到最佳要求。

1.3 三维参数化建模和可视化表达

三维数据模型作为三维地质结构研究的基础,也是目前研究的难点之一。工程范围内地质形状通常非常复杂,包含大量形状不规则的地层、断层、岩溶等地质体,区分并表达出这些三维实体是很困难的。因此,需要寻求有效的三维地质数据模型。

本研究以BIM技术为基础,对长距离和大范围地质工程进行三维参数化建模和可视化表达。通过工程钻探法获取地下三维空间信息,根据地质钻探及地质调查资料,确定建模范围内的标准地层,定义标准地层的岩性、地层年代和颜色;对图层、等高线进行整理,结合手动组合切割地层所需的钻孔数据,对地层界面进行半自动建模;将建立好的地质体,利用地层面进行剪切,形成不同地层属性的地质体,并对断层等不良地质进行属性定义,形成整个项目大场景的地质模型。通过采集三维空间物探信息,结合钻探成果和地形资料,生成项目区域内三维地质模型,实现复杂地质结构的三维可视化展示,如图2所示。

图2 地质结构的三维可视化示例图

2 工程应用

以都安至巴马高速公路为例,该路线全长119.13 km,起点位于河池市都安县澄江乡东谢村G210国道附近,沿途经都安县、大化县以及巴马县,终点位于河池市巴马县县城以西巴马镇拉塘村附近。全线共设枢纽互通式立交7处、服务区2处及停车区2处。连接线按二级公路标准建设,大化连接线设计速度为80 km/h,路基宽度为12 m;都阳连接线设计速度为60 km/h,路基宽度为10 m。渡口、百马支线采用三级公路标准建设,设计速度为30 km/h,路基宽度为7.5 m。

该项目穿越环境保护区和主要经济区,沿线旅游资源丰富,自然景观优美,同时项目里程长,类型众多,沿线地形起伏大,地形地质条件复杂,建设环境恶劣,设计周期短且技术难度大,各专业间协调存在一定的困难。

针对该项目的工程特点及难点,项目组成员将BIM技术成功运用到项目中,在设计方面,利用BIM技术的优势解决和优化了传统二维设计所存在的不足,有效提高了设计的质量和效率,解决了项目建设面临的挑战,快速构建项目全要素大场景模型,平衡各影响因素使路线方案最优;通过协同平台统筹管理,实现各参建方和各专业之间的协同;借助BIM软件准确进行复杂控制性节点模型的三维精细设计和仿真模拟;基于数字孪生技术实现交通、旅游和扶贫共赢的新格局。

针对不同设计阶段的需求,BIM技术在设计阶段的应用成果包括场地勘测、方案设计、深化设计和数字仿真交底四个方面。其中场地勘测是针对设计环境的真实还原;方案设计阶段主要针对路线方案的绿色比选及模型快速构建;深化设计阶段则采用协同设计管理模式,开展精细化建模;数字仿真和交底阶段将BIM模型与VISSIM、720°云及UE等系统进行互联,利用VISSIM微观交通仿真软件进行互通及服务区交通流的分析、预测及仿真模拟,为互通方案及服务区交通组织提供科学直观的决策信息,可视化模拟远期交通流。