BIM技術在深汕西改擴建路面中的應用研究

胡 燕

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司,湖北 武漢 430056)

深汕西高速公路是沈陽至海口國家高速公路(G15)的重要組成部分,同時也是廣東省“十縱五橫兩環”高速公路主骨架中第五條橫線的一段,是聯系珠三角核心區與粵東的交通大動脈,在路網中具有十分重要的地位。

深汕西高速公路于1996年底建成通車,2009年對路面工程進行了大修。大修路面主要結構形式為:原瀝青路面上加鋪瀝青層的,簡稱為“黑加黑”路面,原水泥路面上加鋪瀝青層的,簡稱為“白加黑”路面。近年來,隨著珠三角與粵東經濟一體化的推進,沿線經濟聯系日益緊密,交通量增長十分迅速?，F狀公路已難以滿足日益增長的交通量需求,交通堵塞情況時常發生,路面出現各種病害問題。經過研究后決定對該路段進行改擴建,采用“變四為八”的改造方案,即將原本的雙向四車道,改成雙向八車道,路基由原來的24.5 m拓寬至42 m,并對路面進行升級改造。

1 項目難點

本項目路面升級改造按現狀“白+黑”、“黑+黑”路面結構,保通側和非保通側分段進行,分別采用不同的路面結構和加鋪方案。根據新舊路基平面拼寬方式,路面拼寬分為分離新建、單側拼寬、雙側拼寬、過渡拼寬等;按照新舊路面縱面擬合的高差,分為挖除新建、5-14加鋪方案、14-28加鋪方案、28-46加鋪方案等;同時還要兼顧考慮透水路面段落、低填淺挖段落等因素。

由于需要考慮新、老路的平面、縱斷面及橫坡三個維度方案靈活組合和各種工況,造成路面改擴建方案選取異常復雜和繁瑣,傳統的算量方法計算工作量巨大,且計算方法難度高,計算準確度差,已無法適應如此復雜多變的情況。

2 BIM建模及算量

2.1 創建老路表面模型

根據項目地形圖,讀取道路范圍內準確測量的高程點或等高線,或是通過機載雷達采集的三維激光掃描數據,提取路線設計高程及硬路肩內側(路緣帶外側)處的數據,作為老路路面控制點數據,以點坐標(x、y、z)形式存儲。將老路路面控制點數據導入AutoCAD Civil 3D中,構建曲面,得到老路表面模型。傳統的設計軟件其數模仍然只能利用斷面的控制點表征老路路面,精度難以提到很高,使路面改擴建算量也差之毫厘謬以千里。

創建老路表面模型具體方法如下。

(1)在AutoCAD Civil 3D中新建曲面,定義名稱。

(2)打開曲面定義,根據點文件形式,添加控制點數據,構建曲面,得到老路表面模型。

2.2 提取平縱橫數據

利用公司自主研發的轉換工具,將路線專家設計軟件中的改擴建道路設計數據進行轉換,提取AutoCAD Civil 3D支持的平面、縱斷面及橫坡的設計數據,并進行成果數據的識別和存儲,構建AutoCAD Civil 3D支持的道路對象。

2.3 編制參數化部件

編制參數化部件是將設計方案進行參數化或數字化的過程,得到一個可以根據路面加鋪實際情況自動適應調整的部件,為后續的半自動化設計提供了方案上的支持,不需再手動的每個斷面判斷加鋪情況和挑選方案,以此支撐后續的半自動化設計。由于不同的項目的方案各有不同,編輯部件的方法和思路也各異,但在項目實踐過程中這步是整個工作里十分舉足輕重的一步,也是難度相對較高的一步。

改擴建設計方案依據新、老路間平面拼寬方案、縱面加鋪方案及橫坡調整方案綜合確定。包括在不同平面拼寬方式(雙側拼寬、單側拼寬及過渡段)條件下,不同縱面加鋪值區間內的路面改擴建方案,以及由于平面拼寬及縱面加鋪方案所引起的新、老路之間路面橫坡不同而產生的路面改擴建方案;利用部件編輯器,針對上述方案分別編寫相應部件。

(1)與老路無位置關系判斷的方案,如單側拼寬一般路段。

(2)與老路有位置關系判斷但路面橫坡無需調整的方案,如雙側拼寬一般路段。

(3)與老路有位置關系判斷且路面橫坡需要調整的方案,如一般轉超高路段。

所述部件的編寫思路如下。

(1)在部件中設置老路表面、拼寬邊線及拼接縫位置等“目標參數”,分別用于判斷加鋪路面與老路位置關系、拼寬邊界及改擴建路面新建與加鋪計算界線等。

(2)分左、右側,根據路面改擴建設計方案中各結構層位置關系,利用點形成線、線構成面的方式,分別描述路面拼寬方案各部位,并設置其與“目標參數”的邏輯關系,最終根據需要添加方案的輸入、輸出參數。

(3)為相應結構層或界面添加“代碼”,特別是改擴建路面拼寬方案中的銑刨界面,用于后續在AutoCAD Civil 3D中實現根據“代碼”自動生成曲面及統計數量。

2.4 計算路面改擴建段落

為解決由于新、老路的平面、縱斷面及橫坡三個維度方案靈活組合而造成路面改擴建方案選取復雜的問題,先分別計算各維度段落數據,具體如下計算步驟。

計算縱面加鋪段落數據。按一定的采樣間距,分別取得同一斷面處新、老路縱面控制點處高程值h1及h2,計算距離ΔH=h1-h2,根據縱面加鋪段落劃分區間,得到不同加鋪區間的起、終點樁號。

(4)劃分路面改擴建設計段落。根據平面拼寬、縱面加鋪及橫坡調整段落,對設計全線進行段落劃分,根據所劃分段落的平、縱、橫組合,選取相應路面改擴建方案。

2.5 創建改擴建道路模型

在AutoCAD Civil 3D中創建道路,選擇相應路線及縱斷面,選擇道路特性,設置道路部件參數。根據參數選擇相應的“目標映射”,設置區域步長,根據計算精度要求,選擇應用裝配的步長,從而創建得到改擴建路面模型。

在路面模型上進一步提取老路銑刨線數據,構建銑刨表面模型。利用建立好的老路曲面、新路面模型,利用采樣線對各部位進行數據采集。此外為解決銑刨的數量難以準確計算的問題,通過部件自動計算銑刨層,進一步提取銑刨界面的曲面,然后與老路曲面進行計算,如果遇到多層銑刨程序計算機制會自動扣除重復部分,最終利用材質功能計算得到數據,數據可靠。

2.6 計算改擴建路面數量

利用采樣線編組的材質列表,針對改擴建路面分新建、加鋪及銑刨三部分分別設置算量規則。設置規則名稱、材質名稱及對象名稱的關聯關系,用于計算材質。完成材質設置,同樣的方法設置加鋪材質列表。銑刨部分的材質列表定義,添加材質后,向內添加子標準,再添加曲面材質,根據銑刨曲面個數設置多個子標準,并保持老路曲面在上,銑刨曲面在下,模擬挖方的計算模式。選擇體積計算方法后設置完成。

3 基于BIM模型的項目應用

針對高速公路改擴建路面傳統二維設計下,存在方案表達不直觀、設計效率低、施工階段動態調整困難以及工程量計算精度低等問題。本項目通過上述的技術路線創建路面三維建模和計算工程量,利用模型提取路面加鋪、拼寬擴建、老路銑刨等工程數量,從而實現BIM技術輔助改擴建路面算量,彌補了二維設計上的不足,提升了工作效率及準確性。無論是對設計手段上的補充和設計方法上的變革,都存在無可比擬的優勢。

3.1 橫斷面出圖及數量表統計

基于BIM三維模型快速繪制橫斷面圖和完成路面相關數量的精確統計,是BIM應用的核心價值之一。本項目可實現自動批量、分部位地輸出面積與體積數據,圖表成果輸出主要包括輸出新老路信息段落一覽表、新老路路面拼寬段落表、加鋪銑刨工程數量表,擴建側工程數量表,導出路面三維模型和橫斷面等。導出數量表如圖1所示。

圖1 舊路加鋪(銑刨)工程數量表

3.2 數量核查及造價分析

通過BIM三維路面模型導出的路面工程數量表,可與設計人員手工斷面法計算的路面數量進行對比,對設計數量進行核查和糾正?？梢詮钠矫婕愉伓温?、縱面加鋪段落、加鋪方案計算結果、橫斷面等方面進行對比分析。通過對K130+030～K130+450段路面數量進行對比分析,發現設計數量和BIM計算數量主要差別在老路瀝青銑刨層、新建路面下面層、水穩基層及碎石墊層。路面數量對比表如表1所示。

表1 加鋪方案計算結果對比表(過渡拼寬段)

本項目二期路面工程分為6個標,建安費大概100億元,通過BIM建模算量核減和核增的數量綜合分析,BIM算法大概能節約路面造價的0.4%,即本項目路面工程可核減約4 000萬元造價。

3.3 路面施工結算

BIM技術在路面改擴建工程量結算中具有重要的應用價值,可以提高工程測量的準確度和效率,減少因人為因素造成的誤差。由于傳統設計路面數量表中,大多是通過20 m一個斷面進行算量和統計,起終點樁號多處于整20 m樁號處,而實際施工結算節點,并非整20 m樁號處。且改擴建路面動態施工過程方案變更比較頻繁,通過本文的BIM輔助算量方法,可以快速計算并導出任意起終點樁號的數量和斷面,方便且更貼合實際需求。

3.4 路面BIM數字承載平臺

由于道路基礎資料的變更和后期運營養護中對道路的改造,加大了管理者對路面實際情況的掌握難度,并且各階段資料往往是以紙質版存檔于不同的負責部門保存及查閱。因此,對于施工及養護階段對工程信息的存儲、查詢難度大。針對該問題,研發搭建路面BIM數字承載平臺,利用擴展性和兼容性好的引擎為基礎平臺,滿足使用者對路面模型的任意定位查詢,并可存儲信息,統計所需數據指標,當施工階段結束后,可實現路面BIM模型作為數字資產,數字化交付的任務。將BIM技術應用到改擴建路面中,是改擴建工程路面信息化的先決條件和重要手段。

4 改擴建路面BIM技術應用思考

BIM技術作為公路工程中的新興技術,在公路改擴建路面計算中有著其獨特的優勢,如多源基礎數據融合處理,橫斷面組裝,BIM正向計算,路面橫斷面輸出等。能充分發掘傳統設計和施工中不易察覺或容易忽視的問題。BIM技術作為一種基礎數據工具,以模型為中間媒體,將數據跨階段迭代與傳遞,在公路項目改擴建設計、施工、運維中的應用是大勢所趨。本文針對公路改擴建路面提出了對應的應用思路,為BIM技術在公路改擴建中的路面輔助設計、路面加鋪方案動態調整動等應用落地提供了新思路,且為公路改擴建路面數字化交付和正向設計路面提供一定的經驗和思路。