城市桥梁群改建施工保通仿真技术研究与实践

申 威 覃 薇 陈科宇

(广西交通设计集团有限公司 南宁 530029)

随着城市空间快速发展,钦江两岸交通联系日益密切。根据现状交通流量调查显示,城区东西方向交通出行主要表现为跨江交通,高峰时段桥梁饱和度较高,已趋近其通行能力瓶颈,难以满足日益增长的跨江交通需求。另一方面,由于运河项目建设时对城市路网造成割裂,形成断头路,影响两岸交通,制约城市发展。这导致保通工程建设难度比桥梁改建工程自身更高,保通方案的优劣成为桥梁改建能否顺利实施,区域路网能否正常运营的关键。

针对交通仿真模型快速建立,熊子瑜等[1]以京沪高速改扩建项目为背景,研究算法以解决应用流程中的快速建模及方案展示,结果表明,采用BIM技术可有效提高交通组织方案验证的工作效率;针对城市路网施工期间的交通组织问题,韩超[2]提出基于时间-服务水平的交通影响范围的确定办法,并以实际工程进行分析,验证了方法的可行性。

目前运河建设存在沿线城区跨线桥梁群受工期限制,需同批次拆建所带来的影响范围广、交通组织难且国内外尚无先例参考的现实问题,国内外相关研究甚少,且主要侧重于公路改扩建交通组织仿真。本文以平陆运河钦州城区段跨线桥梁工程为例,对跨线桥梁群集中改建保通方案仿真技术开展研究。

1 工程概况

平陆运河钦州城区段现有桥梁包括3类:城市桥梁、公路桥梁、铁路桥梁,共9座。其中除钦江双线特大桥满足平陆运河通航净空要求,采用桥墩防护外,其余桥梁均不满足平陆运河通航净空要求,需拆除重建。针对运河河道宽、通航防洪要求高等问题和保障施工期间市区内跨江交通的需求,并考虑运河总工期控制,需对城区段重建跨江桥梁开展专项保通方案设计与验证。现状桥梁分布见图1。

图1 平陆运河钦州城区段跨江桥梁及周边路网现状

2 施工期临时保通设计原则

1) 根据桥梁方案进行施工保通工程设计。保通方案主要采用设置临时保通桥梁形式。如桥梁采用半幅改建方案,交通组织充分利用半幅通行;对于无法利用现状桥梁通行方案,采用钢便桥临时保通。

2) 通过充分交通调查开展保通方案设计。 充分利用保通桥梁交通疏导能力,施工期间交通组织尽量减小车辆绕行对周边路网的影响,尤其是保障组团间沟通顺畅,确保交通干道基本畅通,保证过往行人、车辆的通行安全。

3) 交通保通方案通过精细化设计,有效引导两岸交通出行,通过设置交通设施进行远端和近端交通引导。注重交通安全设计,充分考虑非机动车和行人通行权,以及出行安全。

3 保通方案仿真方法与步骤

本项目需要对跨线桥梁施工期间钦州城区的路网交通组织方案进行仿真评价,其既具有一定的区域特征,又涉及到路段、交叉口的交通组织等微观层面,无法应用单一的仿真模型进行分析评价。针对城区范围和交通特性,采用将TransCAD 宏观仿真分析软件、Vissim微观仿真软件与BIM软件相结合的仿真分析方法[3-6],对施工期间保通设计方案的合理性进行综合评价,保通组织方案仿真流程见图2。

图2 保通组织方案仿真流程

具体操作步骤为:

1) 现状交通量调查与分析。采集跨江桥梁所在道路及交叉口各车辆类型流量调查数据,作为路网仿真建模的基础数据,同时分析得到各道路断面和交叉口的早高峰时段及晚高峰时段,以及施工期间城区内跨江通道车道需求数量。

2) 获取现状OD矩阵。结合城区道路等级、行政界限、自然地理分隔等因素将钦州城区进行交通小区划分,在TransCAD软件中快速建立城区现状路网模型,输入前期交通调查数据,得到现状交通分布OD矩阵。

3) 交通分配。利用现状OD反推矩阵,结合施工保通设计方案,对施工期间最不利情况下路网方案进行交通流量分配,得到跨线桥梁群施工期间区域路网交通流数据。

4) 微观仿真模拟与评价。依据保通设计方案,使用BIM软件快速建立仿真区域路网模型,直接导入Vissim软件中,输入施工期间相应区域路网交通流数据进行可视化仿真模拟,最终输出相关指标数据开展评价工作。

5) 保通设计方案表达与决策。选取各节点保通设计方案“最优解”,从Vissim中输出车辆轨迹坐标数据导入BIM模拟软件中进行方案可视化漫游,便于参建各方对方案的了解及决策。

4 宏观交通分析

本次仿真分析采用2007年综合交通调查成果资料作为交通分析与预测的依据和基础数据。考虑施工期间不可避免地存在城区所有跨江桥梁均处于施工状态的时间段,以此期间为区域路网及跨江桥梁道路交通条件最差,交通压力最大,出行状况最不利的情况。对该状况下的区域路网及跨江桥梁进行交通仿真评价,可以较好地验证保通方案的合理性。

4.1 现状OD反推

结合城区道路等级、行政界限、自然地理分隔等因素,确定项目影响区域并划分交通小区,根据居民出行调查数据、路段及交叉口流量调查数据开展交通分析,得到核查线断面车流量、重要交叉口车流量并作为调查样本,将基于抽样的居民出行调查OD分布情况作为先验OD矩阵输入到仿真模型中。运用TransCAD内置的OD反推模块进行OD矩阵的推算,经过反复循环迭代后输出最终的OD矩阵反推结果,见图3。

图3 OD反推路段流量分配结果

4.2 交通分配

利用OD反推矩阵,结合施工交通组织方案,对最不利情况下路网方案进行交通流量分配,得到本项目交通流量,见图4。

图4 施工期间区域路网交通流量分配结果

由图4可见,施工期间区域路网交通压力主要集中在保通桥梁及与其相交的邻近干路交叉口处,桥梁周边路网总体情况基本良好。

4.3 影响范围确定

确定原则为:若节点周围为次干路或支路,以最近的主干路或次干路合围区域为影响范围;若节点周围为主干路,则以最近的次干路或交通功能较强的支路合围区为影响范围。影响区域内施工期间道路断面情况见表1。

表1 影响区域施工期间路网一览表

4.4 跨江桥梁饱和度和高峰小时交通量分析

通过基于TransCAD的宏观交通仿真分析,施工期间跨线桥梁高峰小时交通量和饱和度计算结果见表2。

表2 跨线桥梁高峰小时交通量、饱和度

5 微观交通仿真分析

从宏观交通分析仿真结果可以看出,在最不利情况,即跨江通道都采用保通方案通行时,保通压力大幅增加,早高峰桥梁均为饱和状态运行,跨江桥梁交通量已基本接近通行能力瓶颈。为验证各节点桥梁保通方案交通疏导能力,利用宏观交通仿真分析所得到的交通流量数据,采用Bentley系列、PTV Vissim等专业软件开展各节点保通方案BIM+交通仿真分析工作,工作流程见图5。

图5 BIM+交通仿真分析工作流程图

5.1 BIM模型创建

依据各节点桥梁保通方案设计资料,利用Bentley系列、Global Mapper等软件分别建立桥梁拆建施工影响区域环境模型与路网三维模型,还原周边真实环境,形成交通流+实景+设计方案集成的三维仿真模型,为BIM+交通仿真分析应用工作奠定可视化基础。

5.1.1环境模型

通过机载激光雷达技术结合无人机倾斜摄影技术,创建各节点保通区域点云地形模型(见图6)、高清正射影像(见图7)、三维实景模型(见图8),共同形成仿真路网周边环境模型,以便更好地展示保通设计方案和与现状交通路网融合的关系,同时考虑环境因素对桥梁施工保通方案的影响,以便进一步优化保通设计方案或修正交通仿真模型。环境模型见图6。

图6 子材大桥节点影响范围点云地形模型

图7 子材大桥节点影响范围高清正射影像

图8 子材大桥节点影响范围三维实景模型

5.1.2路网模型

利用Bentley OpenRoads ConceptStation软件基于保通区域环境模型快速建立保通区域路网(见图9)及保通桥梁BIM模型,包括交叉口(见图10)、路面、边坡、标志标线、钢便桥(见图11),以及交通岛等工程模型与相应附属设施模型,相比较其他传统交通建模方式,该软件具备大面积复原现状路网且可直接利用于交通仿真路网建立的强大优势,大大减少仿真模型的建立时间。

图9 子材大桥节点影响范围路网模型

图10 子材大桥节点影响范围交叉口模型

图11 子材大桥节点影响范围便桥模型

5.2 BIM+Vissim交通仿真分析

根据交通仿真需求在Bentley OpenRoads ConceptStation软件中快速复原桥梁保通区域路网及交叉口,并直接导入PTV Vissim软件中开展各节点保通方案的微观交通仿真模拟,见图12,将前期宏观交通仿真模拟所得到的跨江桥梁施工期间的路网交通流数据作为微观仿真的数据输入,依据相应的交通组织方案对施工期间路段及交叉口的交通运行情况进行仿真模拟并输出路网节点及路段的平均排队长度、最大排队长度、服务水平、停车延误等相关评价指标数据。

图12 永福大桥节点交通仿真分析

道路的饱和度(V/C)是指道路的实际交通量与通行能力的比值,V/C越大,则道路越拥挤,车辆延误越大,服务水平越低。道路服务水平划分见表3。

表3 路段服务水平划分标准

各级服务水平的交通状况为:

A-畅行车流,基本无延误;B-稳定车流,有少量延误;C-稳定车流,有少量延误,但司机可以忍受;D-接近不稳定车流,有较大延误,但司机还能忍受;E-不稳定车流,延误大,司机无法忍受;F-强制车流,交通严重阻塞,车辆时开时停。

根据各节点微观交通仿真分析数据可得,各节点评价指标结果见表4。

表4 各跨线桥梁节点微观交通仿真分析结果

5.3 仿真分析结果可视化

将Vissim仿真分析结果导出,在Lumen RT软件中与实景模型和BIM模型进行融合,将区域保通设计方案及交通仿真分析结果以三维可视化的方式进行展示,为进一步修正仿真模型或优化保通设计方案提供有力参考,可视化效果图见图13。

图13 子材大桥、永福大桥节点交通仿真分析可视化

为确保施工期间节点的交通“缓而不塞”,各节点拟按照确定的保通方案在施工路段设置限速标志及慢行标志提醒交通参与者。以尽可能地提前将大范围的交通流进行分流疏导,从交通流量方面减轻施工路段的压力。

6 结语

本文提出了一整套针对桥梁改建施工保通方案仿真分析的技术流程,并通过实际工程案例开展实践应用,结果表明基于BIM技术与专业交通仿真软件相结合的分析方法,可快速验证保通方案交通疏导能力,同时可视化模拟保通方案运行状况,在提高方案设计意图表达效率的同时,也可为交通管理部门提供决策依据,提前规划施工期间的交通流组织和引导策略,最大限度地减小因桥梁重建施工对交通流的影响,保障施工期间的行车畅通安全。这将有助于实现交通组织的精细化、高效化,减少交通拥堵和事故风险,提升施工期间道路交通的安全性和可靠性。