BIM+GIS技術(shù)在復(fù)雜山區(qū)公路選線中的應(yīng)用研究*

沈伯昭 顧大鵬 葉 煒 梁 磊 樊浩銳

(北京市國道通公路設(shè)計研究院股份有限公司 北京 100053)

山區(qū)高速公路是我國交通運輸?shù)闹匾M成部分[1]。隨著信息化技術(shù)的飛速發(fā)展，國家對公路工程項目規(guī)劃設(shè)計的科學(xué)性及生態(tài)環(huán)保性提出了更高要求[2]。2016年7月，交通運輸部《關(guān)于實施綠色公路建設(shè)的指導(dǎo)意見》明確指出鼓勵應(yīng)用BIM(building information modeling)技術(shù)。2017年12月，交通運輸部《公路水運品質(zhì)工程評價標(biāo)準(zhǔn)》中明確將BIM技術(shù)列入品質(zhì)工程加分項。基于先進(jìn)的技術(shù)探索復(fù)雜山區(qū)公路地形、地質(zhì)、環(huán)保選線的新方法，不僅具有工程實際價值，也對生態(tài)環(huán)境保護(hù)有深遠(yuǎn)影響。

目前，傾斜攝影技術(shù)可在短時間內(nèi)建立大規(guī)模的山區(qū)路線帶GIS(geographic information system)模型，實現(xiàn)山區(qū)地理信息空間全方位、高精度的可視化表達(dá)[3]。基于BIM精細(xì)化建模技術(shù)結(jié)合可以更準(zhǔn)確模擬復(fù)雜道路橋梁工程設(shè)計方案，形象展現(xiàn)局部工程結(jié)構(gòu)特點[4-5]。將BIM與GIS技術(shù)結(jié)合應(yīng)用于實際工程項目，可以有效優(yōu)化設(shè)計方案、保證設(shè)計質(zhì)量、提高交底效率[6-7]。

延崇高速是2022年北京冬奧會的重要賽場聯(lián)絡(luò)線，也是“綠色公路”“品質(zhì)工程”示范項目。該項目地形地質(zhì)條件復(fù)雜，涉及特大橋、特長隧道等特殊工程，設(shè)計施工難度大，對工程質(zhì)量及景觀環(huán)保性要求較高。本研究將依托延崇高速(山區(qū)段)工程開展BIM+GIS技術(shù)工程應(yīng)用研究。

1 BIM+GIS模型建立

1.1 地形模型建立與模型輕量化

1.1.1基于傾斜攝影的三維地理信息模型建立

橋梁、隧道設(shè)計對地理環(huán)境的依附性很強(qiáng)，需要基于高精度的地理信息模型輔助設(shè)計[8]。通過傾斜攝影數(shù)據(jù)建立GIS模型，可有效整合線路帶周邊信息資源，實現(xiàn)工程范圍全方位、高精度的可視化表達(dá)，為選線過程中的空間分析及線路方案決策提供技術(shù)支持。傾斜攝影數(shù)據(jù)建立的地理信息模型平面和水平誤差可滿足大比例尺地圖的精度要求[9]。

本研究基于該技術(shù)采集延崇高速山區(qū)段路線帶全線地形影像數(shù)據(jù)，結(jié)合實地踏勘數(shù)據(jù)對采集的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行初步校核處理和區(qū)域聯(lián)合平差，并通過圖像拼接及高程點校核，優(yōu)化處理地理信息數(shù)據(jù)，快速生成三維數(shù)字地理信息模型。

1.1.2地理信息模型輕量化處理

GIS數(shù)據(jù)的輕量化是縮短BIM+GIS模型加載時間，確保模型可用性的關(guān)鍵。本研究在保證路線范圍地理信息模型精度同時，對遠(yuǎn)離路線帶區(qū)域進(jìn)行局部輕量化處理。

首先將標(biāo)準(zhǔn)化處理后的GIS數(shù)據(jù)導(dǎo)入BIM平臺，結(jié)合實際地形地貌特征及地物分布狀況進(jìn)行BIM地理信息模型分區(qū)，對遠(yuǎn)離路線帶的區(qū)域分別采用邊緣收縮及點刪除的方法進(jìn)行局部三角網(wǎng)格簡化，并對構(gòu)成三維地模的三角面片進(jìn)行合并處理及三角網(wǎng)格優(yōu)化，見圖1。

圖1 地理信息模型網(wǎng)格優(yōu)化

1.2 復(fù)雜地物模型建立

在傳統(tǒng)二維圖紙中，除了等高線、高程點，還有很多信息在建模過程中未被很好利用，如舊路信息、房屋信息、地塊信息等。通過BIM技術(shù)可以按類別屬性自動提取地形圖中的地物信息并在BIM平臺集成展示，使設(shè)計人員最大化利用現(xiàn)有地理信息數(shù)據(jù)，優(yōu)化設(shè)計方案。

本項目在BIM+GIS三維數(shù)字地模的基礎(chǔ)上，快速提取實測高精度地形圖中的沿線山體、房屋、農(nóng)田、舊路、陡坡、流域、地塊等信息，通過Map 3D將地形圖信息轉(zhuǎn)成Sdf格式并導(dǎo)入BIM平臺，快速進(jìn)行地塊劃分，并按區(qū)塊自動建立房屋、農(nóng)田、舊路等三維實體模型，真實還原沿線實際環(huán)境，三維地物模型建立示意見圖2。

圖2 三維地物模型建立

1.3 三維地質(zhì)模型建立

延崇高速山區(qū)段工程地質(zhì)條件復(fù)雜、圍巖等級變化大，選線方案對公路穩(wěn)定性影響較大。本項目基于BIM技術(shù)對地質(zhì)勘察的鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行三維可視化建模。首先對采集到的鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)合該樁位的地質(zhì)縱剖圖，對探測到的地質(zhì)夾層鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行鉆孔點位補(bǔ)充；接著根據(jù)巖性的不同，計算所需提取的地質(zhì)巖層層數(shù)，確定每個地質(zhì)巖層的厚度；在此基礎(chǔ)上以鉆孔數(shù)據(jù)為樣本，采用插值法擬合出三維地質(zhì)層數(shù)據(jù)，根據(jù)不規(guī)則三角網(wǎng)格構(gòu)網(wǎng)方式，將計算得的點有序連接生成地質(zhì)界層并建立模型實體；最后基于BIM平臺實現(xiàn)地質(zhì)實體沿路線帶任意斷面的剖切，直觀展現(xiàn)延崇高速路線帶三維地質(zhì)狀況及任意位置詳細(xì)的地質(zhì)層信息，選取溫泉特大橋三維地質(zhì)模型示意見圖3。

圖3 溫泉特大橋三維地質(zhì)模型建立

1.4 多專業(yè)模型建立與集成整合

本項目基于BIM技術(shù)建立了多專業(yè)協(xié)同設(shè)計平臺，并提出了多專業(yè)協(xié)同設(shè)計流程方法，其流程框架見圖4。

圖4 多專業(yè)協(xié)同設(shè)計流程框架

在項目準(zhǔn)備階段，制定各專業(yè)統(tǒng)一的建模標(biāo)準(zhǔn)，由路線專業(yè)人員制定線位基準(zhǔn)(項目基準(zhǔn))并上傳至中心文件；在方案階段，各專業(yè)設(shè)計人員(橋梁、隧道、機(jī)電、排水、交通專業(yè))基于統(tǒng)一的BIM中心文件建立各自的本地文件，先后完成專業(yè)模型建模，并及時在中心文件中進(jìn)行模型同步上傳；在施工圖階段，各專業(yè)人員將設(shè)計好的路橋隧、機(jī)電、交通模型通過固定點坐標(biāo)的方式與地理信息模型進(jìn)行集成整合，并進(jìn)行多專業(yè)“一張圖”碰撞檢查、深化設(shè)計和設(shè)計方案可視化展示，多專業(yè)一張圖設(shè)計成果見圖5。

圖5 多專業(yè)一張圖設(shè)計

2 山區(qū)公路設(shè)計方案綜合論證比選

項目組結(jié)合實際工程需要，綜合考慮地形因素、地質(zhì)條件、環(huán)保要求，分別提出基于BIM模型的公路工程地形、地質(zhì)、環(huán)保選線的思路方法。

2.1 地形選線

基于BIM技術(shù)對初步選線結(jié)果進(jìn)行展示及對比分析：根據(jù)起終點、線位走廊帶內(nèi)各種地形、需避讓地物等控制因素，在初設(shè)階段確定的走廊帶內(nèi)選出6條經(jīng)濟(jì)可行的路線方案，并在三維地理信息模型中進(jìn)行可視化集成展示，有效輔助設(shè)計人員快速確定推薦線位和重要節(jié)點局部比較線位。

基于BIM+GIS精確的地理信息模型對重要節(jié)點線位比選分析，在精細(xì)化的地理信息模型中清晰展現(xiàn)不同設(shè)計方案三維設(shè)計效果，其可視化展示見圖6，具體評價指標(biāo)見表1。由圖6可見，工可設(shè)計方案穿越山脊、線位高程高、結(jié)構(gòu)類型復(fù)雜(采用多段短隧道連接形式)；BIM推薦方案有效避讓了山脊，降低了高程，同時簡化了結(jié)構(gòu)類型(采用橋梁跨越形式)。

圖6 地形選線方案可視化展示

表1 地形選線考慮因素

在復(fù)雜公路橋梁、隧道等控制性節(jié)點方案設(shè)計中，基于真實三維地理信息模型，可以更清晰地展現(xiàn)設(shè)計方案，更準(zhǔn)確地統(tǒng)計設(shè)計工程量，更直觀地進(jìn)行線位優(yōu)化調(diào)整，有效減少設(shè)計變更，提高復(fù)雜山區(qū)公路設(shè)計方案論證必選效率。

2.2 地質(zhì)選線

本項目所在區(qū)域地勢起伏較大，設(shè)計方案擬采用穿山隧道的方式，需要選擇地質(zhì)條件較好、縱坡平緩區(qū)域完成穿越。項目基于BIM+GIS技術(shù)對沿線地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行分析建模，更清晰地展現(xiàn)了場地東部K3+700附近大斷裂與原設(shè)計線位相對位置關(guān)系。

在初步查明的地質(zhì)病害走廊帶內(nèi)，以地質(zhì)病害區(qū)域范圍作為紅線點，以盡量避讓災(zāi)害點為原則，通過三維可視化模型，輔助設(shè)計人員更快速對設(shè)計方案進(jìn)行分析比選，最終選擇盡避讓方案見圖7，具體評價指標(biāo)見表2。

圖7 地質(zhì)選線方案可視化

表2 地形選線考慮因素

2.3 環(huán)保選線

在選線過程中，應(yīng)將公路線位對自然景觀的影響降到最小。本工程路線帶穿越百花山國家級自然保護(hù)區(qū)，依據(jù)國務(wù)院修訂的《中華人民共和國自然保護(hù)區(qū)條例》規(guī)定，在自然保護(hù)區(qū)的核心區(qū)和緩沖區(qū)內(nèi)，不得建設(shè)任何生產(chǎn)設(shè)施。因此在工程環(huán)保選線中首先需判斷線位是否跨越自然保護(hù)區(qū)的核心區(qū)和緩沖區(qū)。基于高精度的BIM+GIS地理信息模型，可以更準(zhǔn)確地量化核心區(qū)、緩沖區(qū)與設(shè)計線位的相對距離，確保設(shè)計線位的準(zhǔn)確有效。

在滿足國家自然保護(hù)條例的基礎(chǔ)上，本項目從環(huán)境影響角度，分別考慮不同方案對沿線生態(tài)環(huán)境、水環(huán)境、聲環(huán)境等方面的影響程度，建立了環(huán)保選線評價指標(biāo)，并基于高精度BIM模型對各指標(biāo)進(jìn)行量化，具體評價指標(biāo)見表3。基于表3綜合指標(biāo)重要性、指標(biāo)影響程度、規(guī)劃協(xié)調(diào)性給出比選結(jié)論。

表3 環(huán)保選線考慮因素

3 結(jié)語

本研究以延崇高速公路(山區(qū)段)工程為例，提出了多專業(yè)協(xié)同設(shè)計方法，并進(jìn)行了BIM+GIS技術(shù)在山區(qū)公路地形、地質(zhì)、環(huán)保選線中的應(yīng)用研究。研究結(jié)果表明：

1) 將GIS數(shù)據(jù)與BIM平臺融合，可以有效整合空間地理信息，更直觀形象地展現(xiàn)設(shè)計方案，更準(zhǔn)確進(jìn)行工程量統(tǒng)計校核，從多角度輔助設(shè)計決策。

2) 多專業(yè)人員基于統(tǒng)一的BIM+GIS模型進(jìn)行協(xié)同設(shè)計，可以有效加快設(shè)計進(jìn)度，減少設(shè)計變更，提高設(shè)計質(zhì)量。

3) 基于BIM+GIS模型進(jìn)行環(huán)保選線，可以更準(zhǔn)確量化各評價指標(biāo)，對于局部方案量化比選、優(yōu)化空間線形等方面具有重要作用。