实景三维与BIM结合在高速公路上的设计应用
The following article is from 桥梁杂志 Author 程鹏等
深圳梅观高速公路清湖南段市政道路工程位于深圳市中部综合组团，为高速公路市政化改造项目，路线全长约8.5km，共设置互通式立交8处，桥梁37座，景观天桥11座，两侧辅道设综合管廊总长约17.6km，总投资约95.9亿元。项目采用城市快速路标准，双向8车道主路，设计速度80km/h；双向6车道辅路，设计速度40km/h；标准断面总宽为90m。本次设计内容主要分为两部分，一是原高速公路改造扩建为城市快速路主路，二是两侧新建城市快速路的辅道。
项目地处城市成熟区域，面临景观要求高、征地拆迁困难、沿线用地受限、路网密度大，且交通繁忙、建设周期短、协调难度大、施工交通组织复杂等突出问题。如何在项目实施过程中减少社会影响，提高工程质量和效率，成为深圳市交委关注的焦点。BIM技术以其可视性、协调性、模拟性、优化性等特点，为本项目复杂难题的解决提供了良好的帮助。
本文结合梅观高速公路清湖南段市政道路工程,研究和探索BIM技术在公路市政领域设计阶段的应用价值。
基础环境的构建
1.实景模型的构建
本项目采用无人机倾斜摄影测量技术，进行全线实景数据的获取，并在沿线布设58个高精度相控点，提高实景模型的精度，最终应用Context Capture软件构建项目区域高精度实景模型28G（相当于1：1000地形图的精度）。
地质模型
2.地质模型的构建
对于大型综合市政工程设计而言，除了地形、地貌、城市环境以外，地质条件也是关乎设计质量的重要影响因素，对路基、护坡道、桥墩基础的设计都有较大影响。本项目通过基于MicroStation平台研发地质建模工具集，基于勘探的原始钻孔数据、地质剖面图、地质平面图、地形图等数据，快速构建项目区域三维地质模型。
3.管线模型的构建
市政项目建设环境非常复杂，尤其是地下环境，常常受错综复杂的地下管线等设施的制约，而这类项目常常需要向地下要空间。针对这一问题，项目组以Subsurface Utilities研发工具集，根据物探资料，精确完整构建地下管线的BIM模型，准确清晰定位管线位置，为项目的管线迁移、管廊方案布设与优化提供强有力的支撑。
三维环境模型
4.基础环境模型集成
最后，将实景模型、三维地质模型、地下管线现状模型集成,形成精确的项目基础环境模型,作为BIM设计的关键基础。
BIM设计
1.道路设计
项目路线走向受两侧用地限制，路网密度大且交通繁忙，双向8车道主路为原高速公路改造扩建的城市快速路，双向6车道辅路为新建城市快速路的辅道。为了满足项目需求和我国公路市政道路设计规范，项目组以Open Roads Designer道路设计软件为基础，建立参数化标准横断面模板库，并通过自主研发道路设计工具，快速完成全线复杂路段平、纵、横断面及三维道路(包含路基、路面、护坡道、护栏等)BIM模型设计和构建，并自动计算道路土石方数量。
三维桥梁设计
2.桥梁BIM设计
项目全线共设桥梁37座，大部分位于互通式立交区域，结构形式多样，上部涵盖钢箱梁、钢—混凝土组合梁、预应力混凝土变截面箱梁等复杂结构，下部有花瓶墩、门架墩、墙式墩等复杂异型结构。针对本项目的桥型特点及设计要求，项目组基于Open Roads Designer的参数化设计技术，建立桥墩、桥台、钢箱梁等构件库，并自主研发桥梁设计与参数化建模工具集，实现桥梁墩高和桩长的自动计算，桥墩、桥台和钢箱梁等的智能布设，有效解决项目中特殊异型结构桥梁的快速设计与模型构建。
管廊及管道BIM模型
3.综合管廊BIM设计
项目所在区域地下环境复杂，沿线通讯、燃气、热力、次高压、给排水等管线密布，综合管廊设计成为项目设计的一大难点。精确合理的综合管廊设计，成为工程成败的一个关键点。项目组基于Open Roads Designer的参数化设计技术，建立管廊截面、节点构件库，并自主研发综合管廊设计工具集，实现管廊的自动布设和建模，为工程实施过程中的管线迁改、管廊布设、管线入廊等问题扫清障碍。
4.天桥BIM设计
项目所在区域是深圳市中轴线景观带的重要组成部分，定位天桥为“一桥一景，争创国际一流”。项目组创新工作方式，按照高标准的要求，完成天桥BIM模型的构建，并将天桥与路线方案、实景模型充分融合，实现基于实景环境，多角度、全方位方案展示。
5.景观绿化BIM设计
以往景观设计都是以效果图的方式展示最漂亮的时段，然而一年四季景观不同。为了向业主展示多季节、更真实的景观设计，项目组基于Open Roads Designer和LumenRT软件，快速实现景观绿化植物的布设和展示，将项目区域景观方案根据四季变化全面呈现和论证，为方案的全面优化论证提供了新的方法和技术。
BIM应用
1.方案快速比选
立交桥方案优化比选
①路线立交方案优化比选
项目地处发达地区，土地资源稀缺，走廊内用地受限，路线立交的优化难度极大。针对这一问题，创新采用BIM道路设计，实现了路线立交方案的快速设计，并结合拆迁、技术经济指标实现多方案的快速优化比选，大幅提高设计的品质和水平，得到了业主和相关专家的高度好评。
桥梁方案优化比选
②桥梁方案的快速设计和优化比选
本项目为市政工程，业主对于景观要求非常高，在桥梁方面，要求采用复杂的景观造型。项目针对桥梁设计中的问题，创新采用桥梁BIM设计，实现复杂异型结构（花瓶墩、钢箱梁、钢混组合梁等）的构建。并结合景观要求、地质条件，在方案初期实现桥梁结构方案比选和优化，大幅提高了桥梁设计质量。
综合管廊的方案优化
③管廊方案优化论证
本项目用地空间非常有限，地下管线密布，桥梁密集，周边水库、大型企业、工厂、物流园区等既有建筑不受道路扩建影响，致使综合管线的线位设计造成了巨大的困难。在综合管廊的设计上，利用BIM技术的可视化、碰撞检测、协调性，对综合管廊的线位布设进行优化调整，在施工前解决问题，减少了设计变更，避免了不必要的窝工返工。
管线迁改方案比选优化
2.现状管线迁改
项目区域地下管网密布，对项目设计方案和实施影响非常大，尤其是管廊布设和管线迁改的难度极大。项目组利用BIM技术可视化的优势，在地下密布的构造物基础和管网中，通过道路、桥梁、综合管廊各专业间协同设计，比选出最优的管廊方案和管线迁改方案。
3.改建项目方案创新展示
实景技术对既有高速公路现状有清楚的表达和描述，而BIM设计技术又能够充分展示和呈现改造后项目区域的情况。本项目应用实景技术和BIM技术，创新交流方式，将既有现状与改造后项目情况通过技术手段，实时对比呈现，充分和清楚地表达项目建成对周边环境的影响。
4.征地拆迁
本项目地处发展成熟区域，改建方案相较原高速公路断面拓宽了50多米。沿线受民治水库、既有互通立交、平南铁路、华为公司、富士康公司等影响，征地拆迁难度和费用极大，拆迁方案的优劣直接关系项目的实施难度和工程造价。项目组通过BIM技术的可视化优势，结合周边用地情况，反复论证优化征拆方案，最大限度地将拆迁量降到最低，全线仅仅拆迁57834平方米。同时在征拆方案的交流和协调过程中，BIM提供了良好的沟通平台，使得主管领导和公众能够快速理解方案，对于征地拆迁给予了很大的支持。
5.施工期交通疏解
项目是深圳市乃至珠三角快速路网中一条重要的南北向快速干道，交通繁忙，改造期间交通组织难度大，且需要在不中断交通的条件下实施改造扩建。针对这一难题，项目组通过BIM技术开展了施工期间交通疏解的方案论证，模拟分析施工期间各阶段各区间存在的疏解难题和解决途径，最终提出最优的交通疏解方案，得到了业主、交警等相关部门的理解和支持，有效地推动了项目的顺利开展。
本项目作为深圳市重点工程，设计要求极高，通过BIM技术在设计阶段的应用和创新，解决了各专业方案论证优化、施工期交通疏解、施工组织、景观优化提升等难题，探索形成了一套行之有效的市政工程BIM技术综合解决方案，并建立了一支既懂专业，又熟练应用BIM设计的专业技术队伍。这些成果和经验将为后续项目提供可推广、可借鉴、可复制的解决方法和流程，为发达地区改扩建项目起到推动和示范引领作用。
未来，在上述研发成果的基础上，结合梅观项目的建设、运营管理和养护需求，将BIM技术向纵深方向推进，构建建设和运营管理平台。同时结合更多的工程项目，开展BIM应用和技术探索，总结公路市政BIM技术标准规范，构建公路市政行业BIM标准体系，助推BIM技术在全行业全生命期广泛应用。
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原标题：深圳梅观高速公路上的BIM设计应用作者 / 程鹏 刘向阳 张峰- END -
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