基于BIM技術(shù)三維實景模型的高速公路可視化設(shè)計研究

吉明、李昂

（貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司，貴州貴陽 550081）

0 引言

以黔西南州興義環(huán)城高速公路工程為依托，項目采用雙向四車道高速公路技術(shù)標準，設(shè)計速度80km/h，路基寬度24.5m。項目建成對解決興義城市對外交通及城市過境的高速公路環(huán)線，對完善貴州省高速公路網(wǎng)絡(luò)，促進興義市過境交通流轉(zhuǎn)換和城區(qū)間銜接更加便捷高效，具有重大意義。

隨著無人機傾斜攝影測量技術(shù)、計算機三維建模技術(shù)、BIM 技術(shù)和實景三維技術(shù)等的快速發(fā)展，為公路工程項目的可視化設(shè)計奠定堅實基礎(chǔ)。相比高速公路傳統(tǒng)二維設(shè)計，基于BIM 技術(shù)三維實景模擬的高速公路可視化設(shè)計具有以下優(yōu)勢：

一是針對項目中的重要工程方案可以直觀感受建成后的效果，有利于項目與周圍環(huán)境的協(xié)調(diào)。

二是針對路線方案的比選，工程數(shù)量更加準確。

三是普通公眾無須具備公路設(shè)計相關(guān)專業(yè)知識，就能最直觀感受項目區(qū)內(nèi)最熟悉的客觀景物，能夠直接看懂公路設(shè)計情況。故加快推廣BIM 技術(shù)三維實景模型的高速公路可視化設(shè)計，是高速公路勘察設(shè)計未來的發(fā)展方向。

1 建立三維實景模型

建立三維實景模型是可視化設(shè)計的基礎(chǔ)，建立模型需掌握項目區(qū)內(nèi)地形、地貌、不良地質(zhì)等情況，同時以測量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立和環(huán)境完全對應的真實模型。

項目全線位于興義市，境內(nèi)地勢西北高、東南低，山巒起伏、河流縱橫，喀斯特地貌發(fā)育良好。喀斯特地形地貌占71.5%，丘陵占20.5%，平壩占7.2%，村莊、河流占0.8%。水文、土壤、植被具有復雜性，內(nèi)部差異明顯。

采用無人機對目標區(qū)進行測量，然后對測量數(shù)據(jù)進行分析，之后采用Context Capture 基于圖形運算單元GPU 快速創(chuàng)建三維場景，可運算生成基于真實影像的高密度點云，根據(jù)點云數(shù)據(jù)可以自動生成不規(guī)則三角網(wǎng)TIN，然后建立白模的三維實景模型，最終完成三維實景模型的建立，如圖1 所示。完成項目三維實景模型建立后，可對項目進行三維可視化設(shè)計。

圖1 峰林特大橋段實景三維模型

2 基于BIM 技術(shù)三維實景模擬的可視化設(shè)計

該項目路線方案較為復雜，針對項目典型工點采用基于BIM 技術(shù)三維實景模型的可視化設(shè)計，下面介紹幾個典型工點的可視化設(shè)計。

2.1 基于BIM 技術(shù)芭蕉塘段隧道與路塹方案的可視化設(shè)計

該段為興義環(huán)城高速公路典型工點，該段路塹方案和隧道方案均可行，工程規(guī)模差異不大，因此，傳統(tǒng)二維方案比選難以達到較好效果，故針對該段采用基于BIM 技術(shù)三維實景模擬可視化設(shè)計，可通過直觀感受建成后效果，從而對隧道和路塹方案（見圖2 和圖3）直觀判斷，有利于方案進一步比選。

圖2 芭蕉塘段路塹方案可視化設(shè)計

圖3 芭蕉塘段隧道方案可視化設(shè)計

路基方案需要將整個山體進行爆破開挖，施工過程中開挖、堆土、棄土等問題將造成一定程度上不可修復的環(huán)境破壞。通過三維計算土石方，挖方為26 萬m3，填方為1.3 萬m3，棄方為24.7 萬m3。

隧道方案避免了整個山體的爆破開挖，對生態(tài)環(huán)境破壞較小，棄方量小。

通過三維實景模擬，直觀感受該段路基方案和隧道方案的建成效果，同時對工程數(shù)量進行準確計算，隧道方案減少25 萬m3的土方量，極大縮短了工期，對生態(tài)環(huán)境破壞小，與環(huán)境協(xié)調(diào)性好，符合綠色公路建設(shè)要求，因此該段推薦隧道方案。

2.2 基于BIM 技術(shù)樓納互通三角區(qū)景觀效果可視化設(shè)計

該工點為樓納互通，互通服務于樓納片區(qū)，互通根據(jù)地形布設(shè)方案，互通喇叭區(qū)為一座孤山，挖除孤山或保留孤山方案均可行，傳統(tǒng)二維設(shè)計無法感受建成后效果，對是否挖除孤山選擇較為困難，因此對互通采用三維實景模型可視化設(shè)計，以便準確選擇更合理的方案。

通過前期采集數(shù)據(jù)，建立互通三維可視化設(shè)計，針對互通喇叭區(qū)孤山保留和挖除方案進行實景三維模擬，見圖4 和圖5。

圖4 樓納互通三維實景模型（保留孤山）

圖5 樓納互通三維實景模型（挖除孤山）

通過三維實景模型可視化設(shè)計可以得出，保留喇叭區(qū)山體景觀效果較佳，減少挖方14 萬m3，工程規(guī)模合理，同時有效保護生態(tài)環(huán)境，互通與環(huán)境協(xié)調(diào)統(tǒng)一，符合綠色公路建設(shè)要求，因此推薦保留喇叭區(qū)孤山的互通方案。

2.3 基于BIM 技術(shù)交通組織可視化設(shè)計

該項目磨盤山樞紐互通利用已通車G78 汕昆高速頂效東T 型樞紐互通改造成“十字”樞紐互通，故需對互通進行交通保暢，傳統(tǒng)交通組織保暢方案難以對項目實施各階段有直觀感受，因此對該互通交通組織采用三維實景可視化設(shè)計，對互通實施的各階段有直觀感受，以便對實施過程中可能存在的問題提前預判，確保交通組織方案合理。

根據(jù)交通量調(diào)查，互通需對廣西方向、云南方向及貴陽方向交通流進行相互轉(zhuǎn)換，總交通量為29158pcu/d，其交通組成情況為中小型車輛占比82%、大型車占比5%，特大型車占比13%，交通干線功能十分突出。改擴建需要對既有樞紐互通的2 條匝道進行拆除、2 條匝道進行改造利用，新建6 條匝道，此外，還需要對互通區(qū)3 條既有地方道路進行改移，互通區(qū)內(nèi)需拆除1 處橋梁，新建13 座橋梁，挖除方近10 萬m3，填筑方近3 萬m3，外運方約7 萬m3，改造工程量巨大。

既有互通交通量大且大型車輛占比較高，施工周期長，如何在施工過程中確?；ネüδ艿玫交颈Ｕ希瑢φ麄€互通區(qū)交通組織設(shè)計提出巨大挑戰(zhàn)。為實現(xiàn)復雜交通環(huán)境下的交通組織設(shè)計，需要利用高效的信息整合平臺，對不同方面影響因素進行共同分析。相較Vissim、TransCAD 等傳統(tǒng)交通仿真軟件，基于BIM 技術(shù)進行交通組織設(shè)計基于實景建模，可直接用于指導施工。對該項目既有互通和改造后互通建立三維實景模型（見圖6、圖7），同時對互通交通組織總體設(shè)計進行實景模擬（見圖8）。

圖6 既有互通三維實景模型

圖7 改造后互通三維實景模型

圖8 互通三維實景模型的交通組織總體設(shè)計

基于實體模型，可以進行施工全過程及細部節(jié)點模擬（見圖9），結(jié)合實際道路條件選取合理的交通轉(zhuǎn)換節(jié)點。

圖9 互通三維實景模型交通組織細部設(shè)計

在BIM 技術(shù)三維實景模型的基礎(chǔ)上，建立各向交通流與施工段落同步展示的平臺，最終形成局部建設(shè)保通便道、保通便道轉(zhuǎn)化為新建匝道、科學確定交通轉(zhuǎn)換點的交通組織方案，確保整個施工期內(nèi)各階段施工不影響既有高速公路通行的目標，整個施工期內(nèi)無交通事故，對項目的實施產(chǎn)生良好效果。

3 結(jié)論

第一，基于BIM 技術(shù)的三維實景模擬可視化設(shè)計針對項目中的重要工程方案可以直觀感受建成后的效果，有利于項目與周圍環(huán)境的協(xié)調(diào)；同時工程數(shù)量計算更加準確，有利于方案的選擇。

第二，基于BIM 技術(shù)的三維實景模擬可視化設(shè)計使施工人員可以直觀感受路線方案，有利于項目的對接和推進。

第三，基于BIM 技術(shù)的三維實景模擬可視化設(shè)計針對比較復雜的改建項目可直觀感受交通保暢情況，有利于項目的實施。

第四，基于BIM 技術(shù)的三維實景模擬可視化設(shè)計是未來公路設(shè)計行業(yè)的發(fā)展方向，對公路設(shè)計行業(yè)發(fā)展起到積極的推進作用。