旅游公路方案設(shè)計(jì)中BIM 技術(shù)的應(yīng)用研究

黃亞棟 劉 闊 趙榮超

（湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司， 湖北 武漢 430051）

1 前言

建筑信息模型（Building Information Modeling， BIM） 技術(shù)是基于現(xiàn)代信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展融合而成的建筑信息應(yīng)用技術(shù)， 利用數(shù)字技術(shù)存儲(chǔ)和傳遞建筑結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特征， 并以3D模式直觀表述， 可以有效的解決二維設(shè)計(jì)手段存在的直觀性交互性較差的問題， 快速準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的各類問題， 提高檢查效率、 避免延誤工期、 降低成本， 提升施工安全性。 BIM 技術(shù)應(yīng)用于高速公路和常規(guī)公路工程中的案例比較多， 但是在旅游公路中應(yīng)用案例則非常少。 旅游公路相較于常規(guī)公路在設(shè)計(jì)上更加注重安全、 環(huán)保、 舒適、 和諧等設(shè)計(jì)理念， 利用常規(guī)二維設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)， 設(shè)計(jì)質(zhì)量難以得到保證。 本文以三峽庫區(qū)公路改造成旅游公路工程為例， 以Autodesk 平臺(tái)BIM 軟件為基礎(chǔ)， 探討B(tài)IM 技術(shù)在旅游公路工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用， 為今后類似的旅游公路工程設(shè)計(jì)提供理論和實(shí)例依據(jù)［1-2］。

2 工程概況

三峽庫區(qū)公路 （以下簡(jiǎn)稱 “本項(xiàng)目”） 是長(zhǎng)江北岸的一條玉帶， 連通舉世聞名的三峽樞紐大壩， 是通往5A 級(jí)景區(qū)三峽人家的必經(jīng)通道， 同時(shí)串聯(lián)了西陵峽風(fēng)景區(qū)、 三峽國家森林公園、 國家地質(zhì)公園以及眾多自然保護(hù)小區(qū)， 沿線層巒疊嶂， 九曲幽回， 是罕見的旅游觀光走廊帶。 該公路曾經(jīng)也是沿江眾多三線工程的唯一公路運(yùn)輸通道。 從區(qū)域路網(wǎng)結(jié)構(gòu)來看， 無論過去還是現(xiàn)在，該公路都是宜昌市沿江重要的骨架公路。

隨著宜昌市長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶新戰(zhàn)略的實(shí)施， 長(zhǎng)江沿線經(jīng)濟(jì)已向生態(tài)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型。 本項(xiàng)目的建設(shè)， 將承擔(dān)起沿江生態(tài)觀光、 徒步騎行、 自駕旅游等環(huán)保型產(chǎn)業(yè)支撐作用， 形成快旅慢游新格局的重要快捷通道， 是對(duì)三峽生態(tài)旅游圈骨架路網(wǎng)的優(yōu)化； 對(duì)構(gòu)建 “三峽生態(tài)旅游圈”、 “改善旅游內(nèi)接環(huán)境” 意義重大。 路線全長(zhǎng)約39.580km。

3 BIM 技術(shù)在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.1 利用BIM+GIS 技術(shù)輔助設(shè)計(jì)

常規(guī)公路的設(shè)計(jì)是利用無人機(jī)沿著設(shè)計(jì)路線航測(cè)得到的帶狀地形圖上進(jìn)行的， 采用這種設(shè)計(jì)方法無法滿足公路設(shè)計(jì)在區(qū)域總體景觀上的需求， 這給旅游公路的設(shè)計(jì)帶來了很大的局限性。在本項(xiàng)目中， 我們利用BIM+GIS 技術(shù)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)， 實(shí)現(xiàn)在區(qū)域總體大場(chǎng)景下進(jìn)行旅游公路設(shè)計(jì)。 BIM+GIS 總體模型如圖1 所示。

使用基于衛(wèi)星遙感技術(shù) （RS） 與地理信息技術(shù) （GIS） 對(duì)設(shè)計(jì)路線兩側(cè)5km 區(qū)域的地形進(jìn)行三維建模， 并在三維的地形曲面上輔助以衛(wèi)星影像 （DOM）， 這就保證了旅游公路設(shè)計(jì)時(shí)總體景觀的需求［3-5］。 在大場(chǎng)景地形曲面內(nèi)部設(shè)計(jì)路線兩側(cè)300m 范圍內(nèi)， 采用的是利用航測(cè)生成的1 ∶2000 地形圖建立的地形曲面， 并輔助以無人機(jī)航拍的局部正射影像圖， 這樣保證了在公路設(shè)計(jì)時(shí)的局部設(shè)計(jì)精度。 利用BIM+GIS 技術(shù)輔助設(shè)計(jì)， 一方面可以結(jié)合老路現(xiàn)狀， 綜合考慮地形因素， 在滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的前提下， 盡量避免大填大挖， 體現(xiàn) “不破壞就是最大的保護(hù)” 的理念；另一方面可以讓設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)能夠更加科學(xué)合理的布置觀景休息平臺(tái)、 旅游驛站等。 觀景休息平臺(tái)BIM 模型布置圖如圖2 所示。

圖1 BIM+GIS 總體模型

圖2 觀景休息平臺(tái)BIM 模型布置圖

3.2 利用BIM 技術(shù)輔助設(shè)計(jì)公路路線

旅游公路在設(shè)計(jì)上不僅要和常規(guī)公路一樣考慮行車的需要， 同時(shí)也要考慮行人和騎行人員的舒適性。

該旅游公路主體是利用原有的老路線位， 在公路主體工程一側(cè)并行布置慢行道。 但老路線位在芭蕉溪處兩次下穿三峽專用公路， 平曲線半徑較小， 行程時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)， 通過Infraworks 軟件分析， 發(fā)現(xiàn)老路視距存在不足， 需要進(jìn)行限速，同時(shí)兩處橋梁凈高只有4.5m， 凈空不足。 針對(duì)該種情況， 結(jié)合BIM 三維模型， 設(shè)計(jì)人員在此處進(jìn)行裁彎取直， 新建一座48+80+48m 連續(xù)剛構(gòu)橋直接跨越芭蕉溪， 通過軟件分析， 新方案路線順直， 視野良好， 繞行較少， 安全性較老路線位優(yōu)， 模型如圖3 所示。

圖3 公路裁彎取直BIM 模型

該項(xiàng)目針對(duì)部分困難路段， 在游離于主體工程之外獨(dú)立設(shè)置慢行道， 這是常規(guī)道路上所不需要考慮的， 這里以傳統(tǒng)方法比較難以設(shè)計(jì)的天柱山慢行道為例講述一下BIM 技術(shù)的應(yīng)用。 受天柱山隧道凈空斷面限制， 慢行道需分離主線獨(dú)立設(shè)置。 依地形條件， 設(shè)計(jì)上推薦采用的是在隧道外側(cè)懸崖邊建設(shè)沿江棧道方案， 為了盡可能的減少對(duì)崖壁的開挖， 我們利用BIM 技術(shù)輔助設(shè)計(jì)，在三維場(chǎng)景下， 生成緊貼懸崖的棧道邊線， 使棧道路線設(shè)計(jì)更為科學(xué)和合理， 模型如圖4 所示。

圖4 懸崖邊沿江棧道BIM 模型

3.3 利用BIM 技術(shù)合理設(shè)計(jì)旅游公路橫斷面布置

常規(guī)道路橫斷面一般只需要設(shè)置一種橫斷面樣式， 而在旅游公路設(shè)計(jì)中， 需要綜合考慮沿線的建筑物、 景觀以及當(dāng)?shù)匕傩盏某鲂幸蟮龋?因此需要設(shè)置多種橫斷面。 本項(xiàng)目利用Infraworks軟件， 在三維地形曲面模型上自動(dòng)生成測(cè)量圖上的房屋建筑、 樹木等三維模型， 在此基礎(chǔ)上建立道路的BIM 模型， 在三維可視化的場(chǎng)景下， 科學(xué)設(shè)計(jì)道路的橫斷面布置形式如圖5、 圖6 所示，在可視化場(chǎng)景下利用BIM 技術(shù)輔助設(shè)計(jì)公路橫斷面有以下優(yōu)點(diǎn)： 充分結(jié)合項(xiàng)目沿線的環(huán)境、 林業(yè)、 水資源等因素， 重視環(huán)境保護(hù)， 盡量減少由橫斷面布設(shè)而引起對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的不利影響，并使其影響減少到最小程度， 盡可能使公路主體與原有自然及社會(huì)景觀相融合； 充分考慮與沿線鄉(xiāng)鎮(zhèn)發(fā)展規(guī)劃的協(xié)調(diào)配合， 合理布設(shè)平交、 村道搭接路口， 方便沿線群眾的生產(chǎn)和生活； 充分考慮現(xiàn)有居民房屋的布置， 盡量避繞密集居民點(diǎn)，減少工程拆遷量， 以降低工程造價(jià)和實(shí)施難度。

圖5 城鎮(zhèn)路段橫斷面布置

圖6 沿江路段橫斷面布置

3.4 利用BIM 技術(shù)輔助設(shè)計(jì)橋梁

該項(xiàng)目中需要新建橋梁， 其中蓮沱大橋距離已有的三峽高速公路蓮沱大橋拱橋較近， 設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮新建橋梁與原有的拱橋在景觀上的融洽性。 設(shè)計(jì)人員提出兩種設(shè)計(jì)方案如圖7、 圖8 所示， 分別如下：

方案一： 5×18m+（30+50+30）m+6×18m 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)、 普通鋼筋混凝土連續(xù)梁。

方案二： 6×18m+70m+7×18m 系桿拱、 普通鋼筋混凝土連續(xù)梁。

圖7 蓮沱大橋方案一主橋橋型圖

圖8 蓮沱大橋方案二主橋橋型圖

常規(guī)設(shè)計(jì)方法無法判斷這兩種橋型哪種才能與原有拱橋更加融洽， 而BIM 技術(shù)則能很好的解決這一難題， 在BIM 模型中建立三峽高速公路蓮沱大橋模型和該新建橋梁的BIM 模型， BIM 技術(shù)的可視化特點(diǎn)在方案比選階段可以得到很好的利用， 通過漫游展示和360 度無死角的細(xì)節(jié)展示，可以為橋梁的布設(shè)選擇提供身臨其境的直觀體驗(yàn)。讓專家和領(lǐng)導(dǎo)足不出戶即可全方位了解現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀況， 為最終方案的確定提供直觀準(zhǔn)確的依據(jù)，模型如圖9、 圖10 所示。

在確定橋型結(jié)構(gòu)后， 利用BIM 軟件進(jìn)行橋梁深化設(shè)計(jì)， 道路設(shè)計(jì)人員在Civil 3D 中構(gòu)建道路模型，然后將道路模型發(fā)送到InfraWorks 和Revit， 對(duì)橋梁進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)建模。 在這里， 設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以協(xié)同設(shè)計(jì)， 在Revit、 Infraworks 和Civil 3D 之間來回切換， 為此數(shù)據(jù)集進(jìn)行了多次詳細(xì)道路和橋梁設(shè)計(jì)迭代， 使道路和橋梁設(shè)計(jì)滿足項(xiàng)目的需求［6］。

圖9 蓮沱大橋方案一BIM 模型

圖10 蓮沱大橋方案二BIM 模型

針對(duì)本項(xiàng)目提出的蓮沱大橋兩個(gè)方案： 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)梁、 系桿拱橋， 在方案比選階段主要基于工程的經(jīng)濟(jì)性和景觀效果。 BIM 軟件可以自動(dòng)統(tǒng)計(jì)出每種橋型的工程量， 橋型方案比較見表1。

表1 蓮沱大橋方案比選表

3.5 利用BIM 技術(shù)輔助工程算量

在Infraworks 軟件中， 借助工程量工具， 可以計(jì)算和查看與一個(gè)或多個(gè)選定組件道路、 組件道路 （樁號(hào)范圍） 的截面以及關(guān)注區(qū)域相關(guān)聯(lián)的土方量和材質(zhì)土方量并生成報(bào)告。 通過該方法，設(shè)計(jì)人員可以實(shí)時(shí)查看每種設(shè)計(jì)方案的工程量以及每個(gè)構(gòu)造物的工程量， 為工程的設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。 工程量等信息全部來自BIM 模型， 并且由模型一鍵導(dǎo)出， 一方面提高了工程量統(tǒng)計(jì)效率， 另一方面降低人為主觀因素對(duì)工程量統(tǒng)計(jì)的影響。

4 結(jié)語

（1） 旅游公路工程設(shè)計(jì)與周邊地理信息環(huán)境緊密相關(guān)， 本文通過整合三維地理信息環(huán)境， 集成工程設(shè)計(jì)、 GIS 與BIM 技術(shù)， 將旅游公路設(shè)計(jì)與測(cè)繪地理信息兩大領(lǐng)域協(xié)同創(chuàng)新， 在三維地理信息環(huán)境下開展工程設(shè)計(jì)工作， 大大保證了旅游公路在設(shè)計(jì)上的科學(xué)性和合理性。

（2） 圍繞基于三維地理環(huán)境的設(shè)計(jì)成果， 利用BIM 技術(shù)輔助設(shè)計(jì)公路路線， 為旅游道路設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)提供科學(xué)的依據(jù)和技術(shù)手段。

（3） 在三維地形曲面模型上自動(dòng)生成測(cè)量圖上的房屋建筑、 樹木的三維模型， 在此基礎(chǔ)上建立道路的BIM 模型， 在可視化的場(chǎng)景下， 科學(xué)設(shè)計(jì)道路的橫斷面布置形式。

（4） 利用BIM 技術(shù)輔助橋梁設(shè)計(jì)， 既能保證橋梁在景觀上的設(shè)計(jì)要求， 又能對(duì)橋梁進(jìn)行參數(shù)化、 協(xié)同化設(shè)計(jì)， 保證了設(shè)計(jì)質(zhì)量。

（5） 利用BIM 軟件自動(dòng)統(tǒng)計(jì)工程量， 大大提高了設(shè)計(jì)工作效率。