基于BIM技术的城市道路施工保通方案设计

林 木,赵 涛,马新颖

(1.济南市规划设计研究院,山东 济南 250101;2.天津城建设计院有限公司,天津 300122)

1 工程概况

为满足城市道路规范化建设需求,地方政府提出了针对济南市舜泰北路道路的改扩建施工方案。该施工项目概况如表1所示。

表1 施工项目概况

考虑到项目施工期间,会对地面道路的交通组织造成一定的影响。为保证项目快速路施工顺利实施,保障施工中道路通行车辆的安全,对施工现场地面道路实行封闭管理,采取分段、半幅封闭或全幅封闭的方式施工。

由于道路周边分布着众多大型商业设施,地下管线复杂,地下空间施工困难,加之施工工期紧、开挖范围大、影响范围广、交通压力大,因此,该工程项目的保通施工方案设计难度较高[1]。因此在设计方案中,应充分考虑道路交通情况,合理组织施工方案,确保工程项目在预期工期内顺利完工。

2 城市道路施工保通方案

2.1 基于BIM建立城市道路施工模型

为提高城市道路施工过程中车辆的通行能力,济南市舜泰北路道路工程项目在设计施工保通方案过程中,引进了BIM技术,使用BIM技术中的PowerCivil、Microstation、LumenRT与Civil 3D工具,建立城市道路施工模型。在此过程中,明确三维地模的精度将直接影响到整个道路工程BIM模型的精度,因此,可使用CAD与PowerCivil软件,在可编辑界面中,对舜泰北路建筑物进行三维建模。同时,使用三角网格最大长度,对道路中建筑物模型进行裁剪处理,修正高程孤点(出现高程误差的高值点),从而获得准确的三维地质构造模型,以便进行下一步建模操作。为提高构建城市道路施工模型的可靠度,根据道路中建筑物所在的空间位置,建立指标序列,评估不同构筑物对道路施工中车辆通行的影响[2]。此过程如公式(1)所示。

(1)

式中:xi(k)为城市道路施工段中第i个构筑物对应第k个评价指标的权重;pi(k)为城市道路施工段中第i个构筑物对应第k个评价指标的序列;m表示城市道路施工段构筑物总数,个。根据该工程的概况,城市道路施工段周围的构筑物较多,以其中某一路段为例,该路段共计3个构筑物,运用式(1)得到的权重值分别为1、1和0.5。在此基础上,采用专家评分法,确定舜泰北路施工段中不同构筑物的权重值,采用灰色序列计算法,计算得到施工段不同构筑物的灰色关联度。此过程如公式(2)所示。

(2)

式中:εi为城市道路施工段中第i个的灰色关联度;s0为构筑物空间坐标;si为坐标偏差补偿值。以上述3个构筑物为例,利用式(2)计算得到的构筑物与施工行为的灰色关联度分别为0.743、0.802 4和0.859 7。完成上述计算后,使用BIM技术中的PowerCivil软件,绘制道路横向与纵向断面曲线。横向与纵向断面曲线是城市道路工程施工的关键,此曲线直接影响道路施工建模中不同构筑物的三维空间定位精度。横向与纵向断面曲线由各类线型构成,与工程的实际工程量有密切联系。绘制过程中,在BIM界面创建一个空白文档,使用PowerCivil软件对构筑物进行空间拉伸,将其与主干线路分别生成在不同文档中,用各个平面线来绘制纵剖线。在此基础上,考虑到城市道路工程施工中的路堤断面是一种复杂、既有构筑物的保护措施,因此,必须对其进行空间上合理逻辑联系的设计。设计过程中,将模板原点与道路、斜坡结构控制点(例如道路中线点、路中点、路旁线点或单个构筑物等)相对空间位置关系进行匹配,根据构筑物的相互依存关系构造截面模板,设定截面各部位的属性定义和材料信息。在此基础上,建立城市道路工程整体模型,在模型中输入超高数据和拓宽数据,采用单元线性布置方式,将护栏、路灯、标牌等辅助设备插入,并在路面上布置标线,将其他专业(桥梁、隧道等)的单元结构BIM模型安装到平面曲线上,对匝道交叉时的鼻端进行调整。按照上述方式,完成基于BIM建立城市道路施工模型构建。

2.2 设置道路保通临时隔离墩

在上述设计内容的基础上,为实现在城市道路施工过程中,对施工段与道路车辆通行段的合理隔离处理,应增设道路保通临时隔离墩。

设置道路保通临时隔离墩,使用多条索链,将预留孔与隔离栅按照规范进行连接处理。在此阶段中,路基的开挖需要从土路边沿开始,许多大型的路标都必须拆除。为此,可以使用占地较小的临时标识代替大标识与原有标识,多个标识可以采用连续、重复布置的方式,以此起到警示与隔离的指示作用。

标志柱可以暂时固定在防撞装置上,也可以在中间隔板上临时安装,可以是柱形或是悬臂型,如果有其他结构可以依靠,也可以用固定式或可移动标志柱代替。在此过程中,考虑到部分城市道路工程的施工周期较长,因此应遵循动态化设计方案,不必拘泥于固定规则,应视具体情况而定,待工程建设到一定阶段或建设环境发生改变后,再对其进行调整。按照上述方式,完成对道路保通临时隔离墩与相关警示性隔离标识的设计与综合布置。

2.3 城市道路施工保通方案的动态调整

完成上述设计后,可根据城市道路工程施工的实际需求,进行保通方案的动态调整。在此过程中,根据组织方案,将项目划分为多个环节。在明确不同环节的施工任务后,应在工程方完成施工段土地征用、前期施工准备等工作后,施工方进入施工现场,进行道路施工的初步保通规划。保通过程中,根据施工段的覆盖范围,封闭部分路段并有序开放其他路段。在此基础上,施工方可以开始进行路基加宽的填筑及开挖、涵洞加长、桥梁基础及下部施工、各种梁板预制、部分跨线桥基础及下部施工。该路段在施工过程中,车辆在初期不会减速,即道路施工不会对车辆提出较多要求,但在后期拆除硬质路基时,要求行驶车辆的车速需要降到60 km/h以内。在设计车辆行驶路段的行驶速度时,可根据原道路设计速度,合理调整施工期间内车辆的行驶速度。

在道路保通方案实施过程中,应先按照设计的施工计划,进行道路工程的铣刨处理,将铣削出的废渣按照设计要求进行加工,以降低环境污染。同时,将中间隔离带的部分拆下,送到工厂进行处理。在进行铺面工程施工时,需要先进行东半幅路侧、中央分隔带、标志标牌、车道划线等的规范施工,对西半幅下基层铺装,铺面完成后进入下一步的工程建设。在此过程中,根据工程施工工期的需求,及时在现场调整路段施工顺序,明确所有的预设方案并不是一成不变的。按照上述方式,实现对保通方案的动态调整。

3 对比实验

为检验设计的保通方案在实际应用中的效果,下面将通过对比实验的方式展开测试研究。

实验过程中,根据舜泰北路交通现状及交通流量情况,结合设计的施工方案确定对应的工程施工节点。在此基础上,结合现场实际情况,清理舜泰北路施工段路基范围内的土方,对部分路段进行开挖处理。同时设计保通方案,提高施工时段内道路的交通能力,减少道路施工安全事故的发生。设计施工保通方案前,根据舜泰北路道路工程项目施工方的人力投入,建立施工保通组织机构。

完成上述设计后,使用本次设计的方案,进行施工保通方案的设计与规划。完成施工保通设计后,引进基于三维可视化技术的施工保通方案设计方法和基于遥感技术的施工保通方案设计方法,将提出的两种方法作为传统方法1与传统方法2。根据舜泰北路车辆出行的实际情况与城市道路设计的施工方案,使用本方法与两种传统方法进行施工保通方案的开发与设计。

将三种施工保通方案录入计算机,使用CAD与PowerCivil软件进行可视化处理,对给定施工天数内的车辆通行数量进行统计,对三种方案投入使用后的道路车辆通信能力进行预测与分析。数据对比如图1所示。

图1 三种施工保通方案使用后的道路车辆通行能力对比

由图1的实验结果可以看出,三种施工保通方案在实际应用中,都可以起到提高城市道路车辆通行能力的效果,但相比传统的保通方案设计方法,提出的基于BIM技术的保通方案设计方法在应用后,道路可通行车辆数量最多。

完成上述实验后,使用计算机模拟三种方案在投入使用后,不同区域内道路施工与道路车辆通行的安全冲突行为发生次数。以此为依据,对三种施工保通方案在实际应用中的效果进行综合评估,由此检验本设计保通方案在实际应用中的优势,随机选取10处城市道路施工区域,按照规范统计实验结果,如表2所示。

表2 模拟三种方案中道路施工与车辆通行的安全冲突行为发生次数 单位:次

由表2可知,三种施工保通方案中,只有本文方法可以将安全冲突行为发生次数控制在一个相对较低的水平。因此,在完成上述实验后,综合图1与表2所示的实验结果,得到如下最终结论:相比传统方法,本文设计的基于BIM技术的施工保通方案可以在提高施工中车辆通行能力的基础上,降低道路施工与道路车辆通行的安全冲突行为发生次数,提高施工中车辆行驶的安全性。

4 结束语

为避免道路施工对城市交通造成负面影响,基于BIM建立城市道路施工模型,设置道路保通临时隔离墩,进行保通方案的动态调整,完成了城市道路施工保通方案的设计研究。结合交通影响分析与交通流量预测结果得出BIM技术在保通中实际使用效果良好,该方案可以实现经济高效、环境友好、资源共享等目标,保证所建设的施工方案与社会发展需求相适应。但要将此方案在工程领域内推广使用,还需要在现有工作的基础上,结合道路发展的实际需求与工程项目所在地的具体情况,对设计的保通方案进行优化。因此,在后续的工程项目建设中,可尝试将设计的保通方案代替传统的保通方案在道路建设项目中推广使用。