基于BIM技術的城市道路施工保通方案設計

林 木,趙 濤,馬新穎

(1.濟南市規劃設計研究院,山東 濟南 250101;2.天津城建設計院有限公司,天津 300122)

1 工程概況

為滿足城市道路規范化建設需求,地方政府提出了針對濟南市舜泰北路道路的改擴建施工方案。該施工項目概況如表1所示。

表1 施工項目概況

考慮到項目施工期間,會對地面道路的交通組織造成一定的影響。為保證項目快速路施工順利實施,保障施工中道路通行車輛的安全,對施工現場地面道路實行封閉管理,采取分段、半幅封閉或全幅封閉的方式施工。

由于道路周邊分布著眾多大型商業設施,地下管線復雜,地下空間施工困難,加之施工工期緊、開挖范圍大、影響范圍廣、交通壓力大,因此,該工程項目的保通施工方案設計難度較高[1]。因此在設計方案中,應充分考慮道路交通情況,合理組織施工方案,確保工程項目在預期工期內順利完工。

2 城市道路施工保通方案

2.1 基于BIM建立城市道路施工模型

為提高城市道路施工過程中車輛的通行能力,濟南市舜泰北路道路工程項目在設計施工保通方案過程中,引進了BIM技術,使用BIM技術中的PowerCivil、Microstation、LumenRT與Civil 3D工具,建立城市道路施工模型。在此過程中,明確三維地模的精度將直接影響到整個道路工程BIM模型的精度,因此,可使用CAD與PowerCivil軟件,在可編輯界面中,對舜泰北路建筑物進行三維建模。同時,使用三角網格最大長度,對道路中建筑物模型進行裁剪處理,修正高程孤點(出現高程誤差的高值點),從而獲得準確的三維地質構造模型,以便進行下一步建模操作。為提高構建城市道路施工模型的可靠度,根據道路中建筑物所在的空間位置,建立指標序列,評估不同構筑物對道路施工中車輛通行的影響[2]。此過程如公式(1)所示。

(1)

式中:xi(k)為城市道路施工段中第i個構筑物對應第k個評價指標的權重;pi(k)為城市道路施工段中第i個構筑物對應第k個評價指標的序列;m表示城市道路施工段構筑物總數,個。根據該工程的概況,城市道路施工段周圍的構筑物較多,以其中某一路段為例,該路段共計3個構筑物,運用式(1)得到的權重值分別為1、1和0.5。在此基礎上,采用專家評分法,確定舜泰北路施工段中不同構筑物的權重值,采用灰色序列計算法,計算得到施工段不同構筑物的灰色關聯度。此過程如公式(2)所示。

(2)

式中:εi為城市道路施工段中第i個的灰色關聯度;s0為構筑物空間坐標;si為坐標偏差補償值。以上述3個構筑物為例,利用式(2)計算得到的構筑物與施工行為的灰色關聯度分別為0.743、0.802 4和0.859 7。完成上述計算后,使用BIM技術中的PowerCivil軟件,繪制道路橫向與縱向斷面曲線。橫向與縱向斷面曲線是城市道路工程施工的關鍵,此曲線直接影響道路施工建模中不同構筑物的三維空間定位精度。橫向與縱向斷面曲線由各類線型構成,與工程的實際工程量有密切聯系。繪制過程中,在BIM界面創建一個空白文檔,使用PowerCivil軟件對構筑物進行空間拉伸,將其與主干線路分別生成在不同文檔中,用各個平面線來繪制縱剖線。在此基礎上,考慮到城市道路工程施工中的路堤斷面是一種復雜、既有構筑物的保護措施,因此,必須對其進行空間上合理邏輯聯系的設計。設計過程中,將模板原點與道路、斜坡結構控制點(例如道路中線點、路中點、路旁線點或單個構筑物等)相對空間位置關系進行匹配,根據構筑物的相互依存關系構造截面模板,設定截面各部位的屬性定義和材料信息。在此基礎上,建立城市道路工程整體模型,在模型中輸入超高數據和拓寬數據,采用單元線性布置方式,將護欄、路燈、標牌等輔助設備插入,并在路面上布置標線,將其他專業(橋梁、隧道等)的單元結構BIM模型安裝到平面曲線上,對匝道交叉時的鼻端進行調整。按照上述方式,完成基于BIM建立城市道路施工模型構建。

2.2 設置道路保通臨時隔離墩

在上述設計內容的基礎上,為實現在城市道路施工過程中,對施工段與道路車輛通行段的合理隔離處理,應增設道路保通臨時隔離墩。

設置道路保通臨時隔離墩,使用多條索鏈,將預留孔與隔離柵按照規范進行連接處理。在此階段中,路基的開挖需要從土路邊沿開始,許多大型的路標都必須拆除。為此,可以使用占地較小的臨時標識代替大標識與原有標識,多個標識可以采用連續、重復布置的方式,以此起到警示與隔離的指示作用。

標志柱可以暫時固定在防撞裝置上,也可以在中間隔板上臨時安裝,可以是柱形或是懸臂型,如果有其他結構可以依靠,也可以用固定式或可移動標志柱代替。在此過程中,考慮到部分城市道路工程的施工周期較長,因此應遵循動態化設計方案,不必拘泥于固定規則,應視具體情況而定,待工程建設到一定階段或建設環境發生改變后,再對其進行調整。按照上述方式,完成對道路保通臨時隔離墩與相關警示性隔離標識的設計與綜合布置。

2.3 城市道路施工保通方案的動態調整

完成上述設計后,可根據城市道路工程施工的實際需求,進行保通方案的動態調整。在此過程中,根據組織方案,將項目劃分為多個環節。在明確不同環節的施工任務后,應在工程方完成施工段土地征用、前期施工準備等工作后,施工方進入施工現場,進行道路施工的初步保通規劃。保通過程中,根據施工段的覆蓋范圍,封閉部分路段并有序開放其他路段。在此基礎上,施工方可以開始進行路基加寬的填筑及開挖、涵洞加長、橋梁基礎及下部施工、各種梁板預制、部分跨線橋基礎及下部施工。該路段在施工過程中,車輛在初期不會減速,即道路施工不會對車輛提出較多要求,但在后期拆除硬質路基時,要求行駛車輛的車速需要降到60 km/h以內。在設計車輛行駛路段的行駛速度時,可根據原道路設計速度,合理調整施工期間內車輛的行駛速度。

在道路保通方案實施過程中,應先按照設計的施工計劃,進行道路工程的銑刨處理,將銑削出的廢渣按照設計要求進行加工,以降低環境污染。同時,將中間隔離帶的部分拆下,送到工廠進行處理。在進行鋪面工程施工時,需要先進行東半幅路側、中央分隔帶、標志標牌、車道劃線等的規范施工,對西半幅下基層鋪裝,鋪面完成后進入下一步的工程建設。在此過程中,根據工程施工工期的需求,及時在現場調整路段施工順序,明確所有的預設方案并不是一成不變的。按照上述方式,實現對保通方案的動態調整。

3 對比實驗

為檢驗設計的保通方案在實際應用中的效果,下面將通過對比實驗的方式展開測試研究。

實驗過程中,根據舜泰北路交通現狀及交通流量情況,結合設計的施工方案確定對應的工程施工節點。在此基礎上,結合現場實際情況,清理舜泰北路施工段路基范圍內的土方,對部分路段進行開挖處理。同時設計保通方案,提高施工時段內道路的交通能力,減少道路施工安全事故的發生。設計施工保通方案前,根據舜泰北路道路工程項目施工方的人力投入,建立施工保通組織機構。

完成上述設計后,使用本次設計的方案,進行施工保通方案的設計與規劃。完成施工保通設計后,引進基于三維可視化技術的施工保通方案設計方法和基于遙感技術的施工保通方案設計方法,將提出的兩種方法作為傳統方法1與傳統方法2。根據舜泰北路車輛出行的實際情況與城市道路設計的施工方案,使用本方法與兩種傳統方法進行施工保通方案的開發與設計。

將三種施工保通方案錄入計算機,使用CAD與PowerCivil軟件進行可視化處理,對給定施工天數內的車輛通行數量進行統計,對三種方案投入使用后的道路車輛通信能力進行預測與分析。數據對比如圖1所示。

圖1 三種施工保通方案使用后的道路車輛通行能力對比

由圖1的實驗結果可以看出,三種施工保通方案在實際應用中,都可以起到提高城市道路車輛通行能力的效果,但相比傳統的保通方案設計方法,提出的基于BIM技術的保通方案設計方法在應用后,道路可通行車輛數量最多。

完成上述實驗后,使用計算機模擬三種方案在投入使用后,不同區域內道路施工與道路車輛通行的安全沖突行為發生次數。以此為依據,對三種施工保通方案在實際應用中的效果進行綜合評估,由此檢驗本設計保通方案在實際應用中的優勢,隨機選取10處城市道路施工區域,按照規范統計實驗結果,如表2所示。

表2 模擬三種方案中道路施工與車輛通行的安全沖突行為發生次數 單位:次

由表2可知,三種施工保通方案中,只有本文方法可以將安全沖突行為發生次數控制在一個相對較低的水平。因此,在完成上述實驗后,綜合圖1與表2所示的實驗結果,得到如下最終結論:相比傳統方法,本文設計的基于BIM技術的施工保通方案可以在提高施工中車輛通行能力的基礎上,降低道路施工與道路車輛通行的安全沖突行為發生次數,提高施工中車輛行駛的安全性。

4 結束語

為避免道路施工對城市交通造成負面影響,基于BIM建立城市道路施工模型,設置道路保通臨時隔離墩,進行保通方案的動態調整,完成了城市道路施工保通方案的設計研究。結合交通影響分析與交通流量預測結果得出BIM技術在保通中實際使用效果良好,該方案可以實現經濟高效、環境友好、資源共享等目標,保證所建設的施工方案與社會發展需求相適應。但要將此方案在工程領域內推廣使用,還需要在現有工作的基礎上,結合道路發展的實際需求與工程項目所在地的具體情況,對設計的保通方案進行優化。因此,在后續的工程項目建設中,可嘗試將設計的保通方案代替傳統的保通方案在道路建設項目中推廣使用。