城市橋梁群改建施工保通仿真技術研究與實踐

申 威 覃 薇 陳科宇

(廣西交通設計集團有限公司 南寧 530029)

隨著城市空間快速發展,欽江兩岸交通聯系日益密切。根據現狀交通流量調查顯示,城區東西方向交通出行主要表現為跨江交通,高峰時段橋梁飽和度較高,已趨近其通行能力瓶頸,難以滿足日益增長的跨江交通需求。另一方面,由于運河項目建設時對城市路網造成割裂,形成斷頭路,影響兩岸交通,制約城市發展。這導致保通工程建設難度比橋梁改建工程自身更高,保通方案的優劣成為橋梁改建能否順利實施,區域路網能否正常運營的關鍵。

針對交通仿真模型快速建立,熊子瑜等[1]以京滬高速改擴建項目為背景,研究算法以解決應用流程中的快速建模及方案展示,結果表明,采用BIM技術可有效提高交通組織方案驗證的工作效率;針對城市路網施工期間的交通組織問題,韓超[2]提出基于時間-服務水平的交通影響范圍的確定辦法,并以實際工程進行分析,驗證了方法的可行性。

目前運河建設存在沿線城區跨線橋梁群受工期限制,需同批次拆建所帶來的影響范圍廣、交通組織難且國內外尚無先例參考的現實問題,國內外相關研究甚少,且主要側重于公路改擴建交通組織仿真。本文以平陸運河欽州城區段跨線橋梁工程為例,對跨線橋梁群集中改建保通方案仿真技術開展研究。

1 工程概況

平陸運河欽州城區段現有橋梁包括3類:城市橋梁、公路橋梁、鐵路橋梁,共9座。其中除欽江雙線特大橋滿足平陸運河通航凈空要求,采用橋墩防護外,其余橋梁均不滿足平陸運河通航凈空要求,需拆除重建。針對運河河道寬、通航防洪要求高等問題和保障施工期間市區內跨江交通的需求,并考慮運河總工期控制,需對城區段重建跨江橋梁開展專項保通方案設計與驗證。現狀橋梁分布見圖1。

圖1 平陸運河欽州城區段跨江橋梁及周邊路網現狀

2 施工期臨時保通設計原則

1) 根據橋梁方案進行施工保通工程設計。保通方案主要采用設置臨時保通橋梁形式。如橋梁采用半幅改建方案,交通組織充分利用半幅通行;對于無法利用現狀橋梁通行方案,采用鋼便橋臨時保通。

2) 通過充分交通調查開展保通方案設計。 充分利用保通橋梁交通疏導能力,施工期間交通組織盡量減小車輛繞行對周邊路網的影響,尤其是保障組團間溝通順暢,確保交通干道基本暢通,保證過往行人、車輛的通行安全。

3) 交通保通方案通過精細化設計,有效引導兩岸交通出行,通過設置交通設施進行遠端和近端交通引導。注重交通安全設計,充分考慮非機動車和行人通行權,以及出行安全。

3 保通方案仿真方法與步驟

本項目需要對跨線橋梁施工期間欽州城區的路網交通組織方案進行仿真評價,其既具有一定的區域特征,又涉及到路段、交叉口的交通組織等微觀層面,無法應用單一的仿真模型進行分析評價。針對城區范圍和交通特性,采用將TransCAD 宏觀仿真分析軟件、Vissim微觀仿真軟件與BIM軟件相結合的仿真分析方法[3-6],對施工期間保通設計方案的合理性進行綜合評價,保通組織方案仿真流程見圖2。

圖2 保通組織方案仿真流程

具體操作步驟為:

1) 現狀交通量調查與分析。采集跨江橋梁所在道路及交叉口各車輛類型流量調查數據,作為路網仿真建模的基礎數據,同時分析得到各道路斷面和交叉口的早高峰時段及晚高峰時段,以及施工期間城區內跨江通道車道需求數量。

2) 獲取現狀OD矩陣。結合城區道路等級、行政界限、自然地理分隔等因素將欽州城區進行交通小區劃分,在TransCAD軟件中快速建立城區現狀路網模型,輸入前期交通調查數據,得到現狀交通分布OD矩陣。

3) 交通分配。利用現狀OD反推矩陣,結合施工保通設計方案,對施工期間最不利情況下路網方案進行交通流量分配,得到跨線橋梁群施工期間區域路網交通流數據。

4) 微觀仿真模擬與評價。依據保通設計方案,使用BIM軟件快速建立仿真區域路網模型,直接導入Vissim軟件中,輸入施工期間相應區域路網交通流數據進行可視化仿真模擬,最終輸出相關指標數據開展評價工作。

5) 保通設計方案表達與決策。選取各節點保通設計方案“最優解”,從Vissim中輸出車輛軌跡坐標數據導入BIM模擬軟件中進行方案可視化漫游,便于參建各方對方案的了解及決策。

4 宏觀交通分析

本次仿真分析采用2007年綜合交通調查成果資料作為交通分析與預測的依據和基礎數據。考慮施工期間不可避免地存在城區所有跨江橋梁均處于施工狀態的時間段,以此期間為區域路網及跨江橋梁道路交通條件最差,交通壓力最大,出行狀況最不利的情況。對該狀況下的區域路網及跨江橋梁進行交通仿真評價,可以較好地驗證保通方案的合理性。

4.1 現狀OD反推

結合城區道路等級、行政界限、自然地理分隔等因素,確定項目影響區域并劃分交通小區,根據居民出行調查數據、路段及交叉口流量調查數據開展交通分析,得到核查線斷面車流量、重要交叉口車流量并作為調查樣本,將基于抽樣的居民出行調查OD分布情況作為先驗OD矩陣輸入到仿真模型中。運用TransCAD內置的OD反推模塊進行OD矩陣的推算,經過反復循環迭代后輸出最終的OD矩陣反推結果,見圖3。

圖3 OD反推路段流量分配結果

4.2 交通分配

利用OD反推矩陣,結合施工交通組織方案,對最不利情況下路網方案進行交通流量分配,得到本項目交通流量,見圖4。

圖4 施工期間區域路網交通流量分配結果

由圖4可見,施工期間區域路網交通壓力主要集中在保通橋梁及與其相交的鄰近干路交叉口處,橋梁周邊路網總體情況基本良好。

4.3 影響范圍確定

確定原則為:若節點周圍為次干路或支路,以最近的主干路或次干路合圍區域為影響范圍;若節點周圍為主干路,則以最近的次干路或交通功能較強的支路合圍區為影響范圍。影響區域內施工期間道路斷面情況見表1。

表1 影響區域施工期間路網一覽表

4.4 跨江橋梁飽和度和高峰小時交通量分析

通過基于TransCAD的宏觀交通仿真分析,施工期間跨線橋梁高峰小時交通量和飽和度計算結果見表2。

表2 跨線橋梁高峰小時交通量、飽和度

5 微觀交通仿真分析

從宏觀交通分析仿真結果可以看出,在最不利情況,即跨江通道都采用保通方案通行時,保通壓力大幅增加,早高峰橋梁均為飽和狀態運行,跨江橋梁交通量已基本接近通行能力瓶頸。為驗證各節點橋梁保通方案交通疏導能力,利用宏觀交通仿真分析所得到的交通流量數據,采用Bentley系列、PTV Vissim等專業軟件開展各節點保通方案BIM+交通仿真分析工作,工作流程見圖5。

圖5 BIM+交通仿真分析工作流程圖

5.1 BIM模型創建

依據各節點橋梁保通方案設計資料,利用Bentley系列、Global Mapper等軟件分別建立橋梁拆建施工影響區域環境模型與路網三維模型,還原周邊真實環境,形成交通流+實景+設計方案集成的三維仿真模型,為BIM+交通仿真分析應用工作奠定可視化基礎。

5.1.1環境模型

通過機載激光雷達技術結合無人機傾斜攝影技術,創建各節點保通區域點云地形模型(見圖6)、高清正射影像(見圖7)、三維實景模型(見圖8),共同形成仿真路網周邊環境模型,以便更好地展示保通設計方案和與現狀交通路網融合的關系,同時考慮環境因素對橋梁施工保通方案的影響,以便進一步優化保通設計方案或修正交通仿真模型。環境模型見圖6。

圖6 子材大橋節點影響范圍點云地形模型

圖7 子材大橋節點影響范圍高清正射影像

圖8 子材大橋節點影響范圍三維實景模型

5.1.2路網模型

利用Bentley OpenRoads ConceptStation軟件基于保通區域環境模型快速建立保通區域路網(見圖9)及保通橋梁BIM模型,包括交叉口(見圖10)、路面、邊坡、標志標線、鋼便橋(見圖11),以及交通島等工程模型與相應附屬設施模型,相比較其他傳統交通建模方式,該軟件具備大面積復原現狀路網且可直接利用于交通仿真路網建立的強大優勢,大大減少仿真模型的建立時間。

圖9 子材大橋節點影響范圍路網模型

圖10 子材大橋節點影響范圍交叉口模型

圖11 子材大橋節點影響范圍便橋模型

5.2 BIM+Vissim交通仿真分析

根據交通仿真需求在Bentley OpenRoads ConceptStation軟件中快速復原橋梁保通區域路網及交叉口,并直接導入PTV Vissim軟件中開展各節點保通方案的微觀交通仿真模擬,見圖12,將前期宏觀交通仿真模擬所得到的跨江橋梁施工期間的路網交通流數據作為微觀仿真的數據輸入,依據相應的交通組織方案對施工期間路段及交叉口的交通運行情況進行仿真模擬并輸出路網節點及路段的平均排隊長度、最大排隊長度、服務水平、停車延誤等相關評價指標數據。

圖12 永福大橋節點交通仿真分析

道路的飽和度(V/C)是指道路的實際交通量與通行能力的比值,V/C越大,則道路越擁擠,車輛延誤越大,服務水平越低。道路服務水平劃分見表3。

表3 路段服務水平劃分標準

各級服務水平的交通狀況為:

A-暢行車流,基本無延誤;B-穩定車流,有少量延誤;C-穩定車流,有少量延誤,但司機可以忍受;D-接近不穩定車流,有較大延誤,但司機還能忍受;E-不穩定車流,延誤大,司機無法忍受;F-強制車流,交通嚴重阻塞,車輛時開時停。

根據各節點微觀交通仿真分析數據可得,各節點評價指標結果見表4。

表4 各跨線橋梁節點微觀交通仿真分析結果

5.3 仿真分析結果可視化

將Vissim仿真分析結果導出,在Lumen RT軟件中與實景模型和BIM模型進行融合,將區域保通設計方案及交通仿真分析結果以三維可視化的方式進行展示,為進一步修正仿真模型或優化保通設計方案提供有力參考,可視化效果圖見圖13。

圖13 子材大橋、永福大橋節點交通仿真分析可視化

為確保施工期間節點的交通“緩而不塞”,各節點擬按照確定的保通方案在施工路段設置限速標志及慢行標志提醒交通參與者。以盡可能地提前將大范圍的交通流進行分流疏導,從交通流量方面減輕施工路段的壓力。

6 結語

本文提出了一整套針對橋梁改建施工保通方案仿真分析的技術流程,并通過實際工程案例開展實踐應用,結果表明基于BIM技術與專業交通仿真軟件相結合的分析方法,可快速驗證保通方案交通疏導能力,同時可視化模擬保通方案運行狀況,在提高方案設計意圖表達效率的同時,也可為交通管理部門提供決策依據,提前規劃施工期間的交通流組織和引導策略,最大限度地減小因橋梁重建施工對交通流的影響,保障施工期間的行車暢通安全。這將有助于實現交通組織的精細化、高效化,減少交通擁堵和事故風險,提升施工期間道路交通的安全性和可靠性。