BIM技术在高速公路改扩建工程中的应用

朱正萍，杨 明，周鹏光，陈良斌

(1.广东省公路建设有限公司,广东 广州 510623;2.中交第二公路勘察设计研究院有限公司,湖北 武汉 430058;3.云基智慧工程股份有限公司,广东 深圳 518094)

0 引言

随着我国经济建设的高速发展和城市化进程的不断推进,早期修建的高速公路以双向4车道或双向6车道为主,已无法满足现代社会日益增长的交通出行需求。现阶段高速公路建设规模逐渐趋于饱和,新建项目的数量逐渐减少。因此,为了适应交通需求的持续增长和改善公路网络,高速公路改扩建工程逐渐成为推动交通基础设施建设的重要举措之一[1-2]。

高速公路改扩建工程其路线长、工程种类多、控制因素繁杂。新、旧结合的改扩建结构形式较为常见,尤其涉及到桥梁、互通立交、天桥等结构工程时,常需要对已有结构进行利用和改造,以提高既有工程的利用率。然而,由于既有工程长期运营,导致路线信息与原始设计资料可能不一致,这就要求在勘察设计阶段对项目进行不断修改和优化[3]。在面对复杂的改扩建工程时,传统的二维设计手段较难及时发现设计中的问题,这可能会导致潜在的风险和不确定性。为了更好地应对这些挑战,引入BIM技术成为提高设计质量和降低设计成本的重要途径之一。

BIM(建筑信息模型)技术依靠其可视化、精细化及信息化等特点,可充分还原既有工程,精细展现新、旧结构的限界细节,模拟施工改造过程,提高勘察设计的质量和效率[4]。本文以广深高速公路改扩建工程为依托,介绍BIM技术在高速公路改扩建工程中的应用。

1 工程概况

广深高速公路是联系广州、东莞、深圳、香港的重要通道,是国家高速公路网京港澳高速公路G4和沈海高速公路G15的重要组成部分。广深高速公路改扩建工程北起于广州市黄村立交,南止于深圳市皇岗收费站,改造里程全长118.2km。总体按照充分利用原道路和土地资源的原则进行扩建,主要采用整体拼接扩建成十车道(断面宽度52.5m),设计行车速度100km/h。

本项目穿越粤港澳大湾区都市圈核心区,作为核心城区高速公路国道主干线改扩建工程的典型代表,具有鲜明的“高度城市化”特征。主要特点:

(1)沿线交叉与并行道路等控制因素众多,建设条件复杂。

(2)南方地区首条百公里级十车道高速公路,标准体系缺乏支撑,暂无经验可循。

(3)车道数多、横断面宽、互通立交密集、转向交通量大,车流交织严重,运营安全管控要求高。

(4)施工期间交通量非常大,交通组织、施工组织难度大。

针对本项目的特点及难点,设计阶段引入BIM技术,利用其参数化、可视化、模拟性及协调性等技术优势,解决工程建设过程中的实际问题,形成了BIM多点赋能的技术解决方案。

图1 BIM工作流程

2 创建高速公路改扩建BIM模型

广深高速公路自1997年正式通车至今已超过26年,积累了超过8 000项次的养护、中修、改建、扩建等项目。大量数据资料的堆叠,形成繁杂且低正确保证度的二维档案库,无法支撑传统的BIM建模体系,导致现有高速公路三维还原的数据匮乏。如仅采用常规的新建设计方案BIM模型创建技术,无法满足如此复杂的既有高速公路改扩建设计的需求。因此,本项目打造了以环境模型、现状地下管线、三维地质模型、现状道路模型相融合的既有高速公路模型,结合改扩建设计道路模型、互通立交改造模型等改扩建高速公路模型,以三维可视化、参数化的形式,实现既有和新建的有效融合,为高质量改扩建高速公路设计提供数据支撑。

2.1 环境模型的创建

在高速公路改扩建工程项目中,环境模型的创建是BIM技术应用的重要起点。完整且准确的环境模型是后续设计、施工和运营等阶段BIM应用的基础[5],环境模型主要包括项目所在地的地形、地貌、建筑物、周边路网等环境要素。高速公路一般里程长、跨越区域广、走廊带狭长,设计提供的基础数据往往局限于路线走廊范围,要更好地展示项目在地区、全省乃至全国的区间位置,以及丰富BIM数字沙盘的场景,需要补充完善大范围的环境模型。对大范围、精度要求不高的地形可以通过水经注、ARCGIS等软件获取。项目范围内的地形采用勘察单位提供的高精度数据,并从相关部门获取项目周边的规划信息、主要控制因素和路网信息。利用BIM软件生成数字地面模型(DEM)和卫星影像(DOM),将两者进行叠加融合,完成数字沙盘环境基座的建立。在此基础上叠加各类GIS信息,形成完整的环境模型。广深高速公路改扩建项目BIM环境模型如图2所示。

图2 环境模型

2.2 现状地下管线模型的创建

广深高速公路位于高度城镇化地区的核心走廊带上,地下埋藏有大量的地下管线。根据初测初勘阶段物探报告,探明地下管线类型共16种,包含给水、污水、雨水、燃气、供电、路灯、交通信号等,包含各类节点15 229个,管线总长度338.2km。地下管线具有种类多、数量大、专业性强等特点,其建模思路与道路、桥梁和隧道有较大的差异。地下管线模型主要由管段与两端的节点构成。节点的位置可以通过其平面位置和地面高程确定,节点构造模型可以通过其附属物信息(如三通、雨水口等)确定;管段的空间位置可以通过连结管段的起终点节点位置信息、地面高程和埋深信息确定,管段模型尺寸可以通过管段的材质类型、管径等信息确定。基于此原理,根据物探成果中的地下管线类型、节点位置坐标、管材、管径、地面高程、埋深等关键数据,利用国产软件“管立得”,批量完成了全线、全专业现状管线模型,并根据要求将物探属性信息挂接在模型上。基于建成三维地下管线模型开展碰撞检测,避免管线与其他结构的冲突和干扰。

图3 地下管线模型

2.3 三维地质模型的创建

根据采集到的地质数据,如钻孔数据、地勘报告、地质纵断面图和地形图等资料,在地质建模软件中进行地质模型的创建。通过录入钻孔数据、绘制地质横剖面和纵剖面,根据地层厚度和地层边界,快速创建三维地质钻孔模型和三维地质地层模型,直观地展示地质体的形状和空间分布。

图4 三维地质模型

2.4 现状道路模型的创建

高速公路改扩建设计与新建高速公路设计最大的不同点在于需要满足现行设计标准的前提下,最大限度地利用既有道路,因此老路的还原工作是极其重要的一步。现状道路作为改造地形的设施已成为了地形的一部分,由于现状道路建设时期较早,经过多年的运营,中间势必对道路进行了多次维护和改造,现状道路与最初的设计并不是完全一致,因此不能简单地从竣工图纸翻模得到现状道路的模型。现状道路的建模工作是一项十分费时费力的工作。目前现状道路BIM模型的创建主要有两种技术路线:建模还原法和实景还原法。建模还原法主要利用各种先进设备(如精密机载三维激光雷达)测绘现状道路,获取老路的平、纵、横数据,对现状道路进行拟合设计,再结合外业调查资料和竣工图等资料,以类似新建道路的建模路线完成现状道路模型的创建。实景还原法主要利用无人机倾斜摄影技术拍摄对象各个角度的照片并记录空间信息,利用实景建模工具自动完成空三计算和模型重构。两种建模方法各有优、缺点。建模还原法建模效率低、经济效益低,但是扩展能力高,后期BIM应用方便;实景合成法建模效率高、显示效果好,但扩展能力差,模型呈整体,存在桥下模型无法显示、部分模型破损等问题[4]。

广深高速公路里程长、通车时间早、建设标准不统一、改造次数多、相关图纸缺失,采用建模还原法不仅难以实现而且工作量巨大。本项目全线采用无人机倾斜摄影三维实景建模技术,完全真实还原现状道路和道路周边的建筑模型。对倾斜摄影无法清晰表达的地方,通过三维建模进行代替,并对需要替换的倾斜摄影模型进行挖洞、压平和重新映射贴图等操作,使创建的现状模型与倾斜摄影模型完全贴合。

图5 现状道路模型

2.5 改扩建道路模型的创建

高速公路改扩建工程全线涉及路基路面、桥梁拼宽等内容,现状道路由于运营多年沉降基本稳定,原始设计图纸标高与现状会存在一定的差异[7]。因此,准确表达改扩建工程结构的拼宽位置、拼接形式和新、老路面标高差异,以及后期利用改扩建结构模型进行拼宽施工工艺模拟等应用,创建改扩建道路模型显得尤为重要。

改扩建道路模型既要包含现有道路的利用部分的模型,还要包含拼宽扩建部分的模型。改扩建道路模型的创建方法有:

(1)利用上文提到的建模还原法创建完成现状道路模型,然后根据设计提资完成拼宽新建部分的模型,将两者进行装配完成改扩建道路模型的创建。该方法与常规的新建道路建模一致,仅增加了建模数量以及装配工作,但对现状道路的拟合工作挑战较大。

(2)基于路线设计软件进行二次开发,在横断面上标记拼宽位置,利用不同的道路板块对现状道路与拼宽部分进行区分,完成道路“带帽子”设计。根据横断面拼宽标记位置,向下按设计规则挖台阶创建现状道路和拼宽道路的路面结构层模型,根据现状道路板块和拼宽部分板块的平纵横信息进行现状桥梁和拼宽桥梁的分幅建模。图6为利用路线设计软件二次开发功能创建的改扩建桥梁模型。

图6 改扩建桥梁模型

2.6 互通立交改造模型的创建

互通立交改造是高速公路改扩建工程中的重点和难点工程,利用路易、OpenRoadDesigner等道路建模软件完成全线互通立交模型的创建,并针对互通立交改造部分和利用部分赋予不同的贴图,使互通立交改造方案更直观。

图7 互通立交改造模型

3 高速公路改扩建BIM应用解决方案

3.1 BIM云看线技术

2022年初,我国疫情持续高发,防控形势严峻复杂。为确保项目顺利推进,利用BIM+GIS三维数字沙盘推出“BIM云看线”的解决方案。

本项目在环境模型的基础上,整合高速公路大场景和大体积容量的各专业工程模型,打造BIM+GIS三维数字汇报沙盘,集成设计方案PPT、BIM模型、图片、视频等资源,在设计方案汇报中充分发挥BIM技术的优势,实现多角度、高精度的设计细节展示与汇报。基于 “BIM云看线”技术,以三维的展示方式制定完备的看线路径,从纵览全局到细节查看,实现全方位无死角的汇报演示,为公路勘察设计项目汇报提供了新的技术手段。广深高速公路改扩建数字沙盘如图8所示。

图8 BIM+GIS三维数字沙盘

3.2 辅助方案设计与比选

当前,行业内总体设计方案的比选以二维及定性比选的形式为主,存在总体方案的论证不充分、比选的角度不全面等问题。而本项目原有的互通立交密集,平均间距 5.12km,最小间距1.2km,转向交通量很大,部分互通立交行车迂回,服务水平低;互通立交方案的选择需充分考虑交通需求、施工保通、地方规划和集约利用存量土地进行综合开发等,决策因素多,极其复杂,设计方案的比选是本改扩建设计的重点和难点。

本项目融合了倾斜摄影、环境模型、控制影响因素和设计方案BIM模型,叠加交通仿真车流,可以更清楚地展示公路的布局、形态、交通组织等关键要素,有助于准确评估设计方案的可行性和效果。对各个互通节点,以多方案同屏对比的形式,进行设计方案多角度、多层次的比选与评审,结合道路线形、建筑净空、周边环境协调性等,确定最优方案。某互通的方案比选如图9所示。

图9 互通方案比选

3.3 设计方案BIM全景图展示

本项目改造里程全长118.2km,百公里级的GIS信息模型、倾摄影模型、公路工程模型、既有道路模型、房建模型等多专业BIM模型,其体量巨大(超过1T)。解决大体量模型快速加载、轻量化展示、移动式查看,是BIM实施的关键内容之一。

基于项目三维数字沙盘平台,将BIM结构模型、景观设计模型、倾斜摄影实景模型在综合渲染软件进行融合,按总体+节点的方式输出三维全景图,直观地反映控制因素与总体设计方案的关系。采用云端全景漫游技术,通过轻量化的网页端和移动端,方便设计人员分析论证方案的可行性,提高设计质量和项目沟通效率。

图10 设计方案全景图

3.4 三维交互式沙盘讲义

传统的BIM+GIS三维数字沙盘以三维可视化展示为主,虽支持各类信息模型的融合展示,但其以成果展示为主,未能有效服务于设计过程,仍呈现出BIM与设计相对孤立的状态,无法实现BIM技术的本源价值。

本项目针对空间异常复杂、平面图难以表达设计意图的互通,根据设计人员的汇报思路,利用BIM+Unity技术定制三维交互式沙盘讲义,以更好地展示和验证方案的可行性。将互通范围内的环境模型、设计方案BIM模型、景观设计模型、倾斜摄影实景模型等加载融合到Unity中,形成互通多方案汇报沙盘。沙盘可以通过虚拟现实技术实现用户与模型的互动,全方位直观地了解互通方案的细节和空间布局;沙盘可以将BIM模型中的各种信息进行可视化展示,包括空间布局、构件材质、交通车流等;利用Unity强大的渲染技术,可以实现多方案的流畅加载,不同方案之间的同屏对比,相比传统的PPT汇报更加高效与便捷。

图11 三维交互式沙盘讲义

3.5 基于BIM技术的互通立交改造交通仿真分析

改扩建项目与新建项目存在较大的差异性。广深高速公路是粤港澳大湾区的“主动脉”、珠三角地区的“黄金通道”,保证现有高速公路的正常通行是改扩建工程实施的基本前提。在高速公路改扩建设计中,交通组织设计的合理性至关重要[6],它直接影响到项目的顺利实施、交通运行的安全与效率以及用户的出行体验。

图12 立交互通改造交通组织仿真模拟

为了直观地展示互通立交改造的交通组织设计方案以及验证方案的可行性,本项目采用BIM+Unity技术,将现状互通模型、临时便道模型和改造后互通模型等BIM模型导入到Unity场景中,通过Unity强大的动画渲染功能,制作互通立交改造的路基拼宽、主线桥的拆除重建和进出口匝道的改造等施工工序,并加载不同阶段的交通车流,制作成交互式汇报沙盘。设定仿真模型的初始条件,包括交通流量、车辆类型、信号控制策略等,运行交通仿真模型,模拟现实交通场景下的车辆行为和交通流动。通过沙盘展示不同阶段的车流运行情况,直观地展示交通拥堵情况、交通流畅度、车辆停滞时间、行车速度等信息,为优化施工组织流程提供可视化的依据。

3.6 基于BIM技术的“2+3”模式下交通转换仿真模拟

本项目是我国南方地区首条超百公里级、多车道超宽断面的高速公路改扩建工程,交通组织异常复杂,设计团队创新性地提出采用标线分隔的“2+3”交通组织模式。综合超宽断面、多车道、密集互通、“2+3”交通模式等特点,传统二维平面图难以准确、直观地表达建成后车辆的交通行为。

图13 广深高速公路“2+3”交通组织模式

本项目利用BIM+Unity技术进行交通转换模拟,将项目范围的倾斜摄影、互通模型导入到Unity中,并根据设计图纸创建交通标线模型与道路进行贴合,结合Unity强大的3D渲染和物理模拟能力,构建了一个交互式三维沙盘,直观地展现建成后车辆的运行情况和车辆进出高速公路的行为。

图14 交通仿真模拟

3.7 基于BIM技术的重要工点的交通组织和施工组织模拟验证

川槎大桥跨越倒运海水道,由于通航净空不够,需进行拆除重建。

利用BIM技术创建川槎大桥现状桥梁模型、过程模型以及成桥模型,将设计提供的交通组织方案和施工组织方案进行逐步分解。根据施工组织方案,凸显每个阶段的施工区域以及制作主要工序的施工动画,同时导入交通组织方案,包括车流量、道路交通标志标线和临时交安设施等,对交通组织和施工组织方案进行综合模拟,科学地验证方案的可行性和合理性。

图15 交通组织和施工组织模拟

3.8 数字化交付

在广深高速公路改扩建项目中,设计参与方使用不同的BIM建模软件,且实施路线差异较大,导致了BIM模型格式的多样性。同时,项目的交付平台为第三方,这增加了多源数据格式交付和传递的难度。这些问题影响了设计信息的传递和交流,也阻碍了BIM在全生命周期中的应用。

为了解决多样性和复杂性的问题,本项目首先制定了统一的BIM模型建模精度标准和属性挂载标准。通过统一标准,确保不同参与单位建模的一致性和可协作性,提高BIM模型在设计阶段的可用性。通过采用数模同源和数模分离两种技术路线,完成各种格式的BIM模型与属性信息的挂接,成功解决了广深高速公路改扩建项目中BIM模型跨平台交付的难题。统一的BIM建模标准和属性挂载标准,确保了BIM模型的一致性和可协作性。同时,数模同源和数模分离的技术路线,实现了各种格式的BIM模型与属性信息的挂接和传递。这些措施使得多源数据格式跨平台交付成为可能,最终形成了一套完整的设计阶段BIM数字资产,为BIM的全生命周期应用奠定了基础。

图16 数字化交付

4 结语

本文以广深高速公路改扩建工程项目为依托,实践了高速公路改扩建工程设计期的BIM建模和BIM应用。总结介绍了高速公路改扩建BIM模型的创建方法以及环境、地质、地下管线、道路、桥梁、互通等全专业BIM模型的建模技术路线。项目以BIM模型为基础,进行了“云看线”、方案比选、交互式汇报、全景图展示、交通仿真、施组交组模拟等应用,充分发挥了BIM的三维可视化和模拟特性,为项目提供了直观的沟通平台和技术手段。项目通过标准的统一,同时采用数模同源和数模分离的技术路线,实践了BIM跨平台的数字化交付。