BIM改进高速公路全生命周期设计

来源：王长海等桥梁杂志

BIM技术以建筑物的各项信息数据作为模型的基础，进行建筑模型的建立，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息。对比建筑行业，BIM技术在交通行业的技术相对滞后，为此，基于BIM技术的高速公路全要素对象的全生命周期设计技术研究及其应用，是具有十分重大和现实意义的。

通过BIM平台的统一架构、基于统一的文件格式，保证各专业之间数据无缝传递，建立应用软件与交通项目管理系统之间的数据转换接口，充分利用BIM的直观性、可分析性、可共享性、可管理性等特性，为交通项目设计的各项业务提供准确及时的基础数据与技术分析手段。配合交通项目管理的流程、统计分析等管理手段，实现数据产生、数据使用、流程审批、动态统计、决策分析的完整管理闭环，以提升交通项目综合管理能力和管理效率。

本文以广西都安至巴马高速公路交旅融合示范工程为背景，对比高速公路工程传统二维设计的工程存在的问题，研究基于BIM技术在高速公路全要素对象全生命周期过程设计中的关键技术及其应用。

“交通+旅游”长寿大通道

都安至巴马高速公路主线全长119.4km，是广西高速公路网东西向的重要通道，是广西实施“县县通高速”的重点项目，也是广西高速公路网规划“横三”贺州至巴马高速公路的组成部分。该工程贯穿桂林国际旅游胜地、巴马长寿养生国际旅游区，是广西东西向重要的公路通道之一，也是广西中西部地区及我国西部地区通江达海、接受发达东部地区经济辐射的重要通道。

项目贯穿巴马长寿养生国际旅游区和红水河风景区，将围绕世界长寿大道主题线路，通过“交通/服务区+旅游” 结合的方式，打造交旅融合示范公路。

项目围绕世界长寿大道主题线路，依托巴马世界长寿之乡及多个中国长寿之乡的生态人文资源，通过“交通/服务区+旅游” 结合方式，打造集长寿主题休闲度假体验、山地运动康养公园、自驾车营地、自驾车集散、长寿之乡旅游商品购物等于一体的长寿生活特色的交旅融合示范公路。本项目将争创广西首个公路BIM示范项目。

EPC总承包一体化

本项目建设的特点，是打造绿色高速和旅游通道，并采用EPC总承包模式实现设计施工一体化。本项目桥隧比48%，地形地质复杂，建设难度大，具体表现为以下几点：

1. 项目规模大、空间距离长。项目主线长119.4公里，桥梁长12657.6m，隧道长44060m，共有7处互通，总造价167亿，涉及多个关键节点和多个部门，综合管理复杂。

2. 项目地质和地形条件复杂，项目所经过的区域存在山地和丘陵交错的特点，喀斯特岩溶地貌多，且桥隧比高达47.9%。

3. 区域规划协调关系复杂。项目地形复杂、施工交通组织困难，路线选线及结构物设计施工技术难度较大。

4. 要进行“高速+旅游”综合设计。项目穿越红水河百里画廊、七百弄风景名胜区、巴马长寿之乡等重要旅游景点，怎样定位和设计交旅融合需要综合考虑。

基于项目建设的难点和需求，我们采用BIM技术的综合优势来进行项目管理、设计和优化，解决项目难点问题。

“BIM+交通”设计

场地勘测应用

①无人机实景建模

通过无人机航拍获取沿线正摄影像和三维实景模型，作为BIM设计的基础资料。首先构建出实景建模，形成详细、精确的三维表示，加快方案设计流程、辅助科学决策。

②三维地形航测

通过机载激光雷达高精度测绘，实现快速、准确的测量，并快速地创建三维地形曲面，解决传统测绘采样点不足的问题，减少测绘成本。

③岩土数值模拟和可视化分析

基于地形曲面和钻孔数据，对重要控制节点和复杂地质路段建立三维地质模型，实现项目公路不同要素的三维地形结构、三维物探、三维岩土参数概念模型和可视化表达。并基于地质模型进行桥梁、隧道等结构设计。

④三维地质解译

针对特长隧道和地下空间溶洞，建立隧道全线地质模型和溶洞模型，展示地下空间溶洞分布和工程数量，确定隧道围岩等级、查看隧道结构和各地层之间的关系。基于三维地质还可以进行剖切和投影，自动创建地质的剖面图，实现二维和三维的联动。

方案设计应用

①征地拆迁分析

项目采用1:500同深度高清正摄影像辅助外业勘测，便于前期线位比选、征地拆迁。多角度观察建设方案三维模型与周边建筑物的位置关系，查找碰撞干涉点，确定征地拆迁影响范围。减少基本农田占用及建筑拆迁，提高征地拆迁的准确性。

②三维智能选线

基于BIM综合考虑工程、环境和社会因素，设定多种控制条件，通过计算机进行大量优化分析，在短时间内选出上百个路线方案，以工程费用为优化目标，确保选出最优方案，降低工程建设费用。通过三维智能选线，比传统选线模式效率提高了几十倍。

③方案比选分析与汇报

采用三维可视化对道路和交叉口的视线区、障碍物以及事故路段进行分析，确定可视距离并评估安全度。通过三维设计前后对比分析，向决策者快速传达多种方案设计意图，直观地展示方案设计效果和对周边环境的影响，辅助方案决策。

④交旅融合重要方案设计

针对本项目的重要节点——大化服务区，采用BIM+GIS结合的方式来进行服务区的选址和场地规划分析，再利用BIM模型对服务区内部的分区和设施进行优化，确保服务区、管理区等场地合理布置。最后采用BIM可视化导览加VR交互式场景进行漫游查看，辅助方案分析与汇报。

详细设计应用

①复杂节点三维精细化设计

基于BIM的道路平、纵参数化设计，制定道路横断面模板，自动实现道路多级边坡；通过参数化土木单元快速创建平交口和互通；采用BIM技术创建预应力混凝土精细化模型、特长隧道精细化模型；基于大化服务区三维可视化模型进行环境分析、景观设计。

②三维参数化设计及出图

建立桥梁参数化构件库，通过套用通用图库自动生成桥梁三维模型，并实现自动更新。本项目实现了桥梁和涵洞通用图数字化，并基于详细的三维模型进行剖切出图，替代传统的二维出图。

③碰撞检测分析

通过三维碰撞检测查找设计中存在的问题，优化设计空间。通过检测碰撞发现设计中净空不足等问题，对设计进行反馈和优化。

④BIM与三维数值模拟

基于详细的三维数字模型，导出到不同的三维分析软件中，建立ANSYS、FLAC 3D等有限元模型，分析复杂节点桥梁、高大边坡地质等应力扰动区等受力情况，指导设计与施工。

⑤BIM协同设计

在项目的详细设计过程中，采用BIM软件平台进行协同，按照不同的设计专业分配相应的权限。基于统一的服务器，确保各专业设计人员实时地共享设计信息和资源，并且保留审核和修改过程记录，便于追踪。

数字仿真和交底

①三维交通仿真模拟

采用VISSIM进行互通和服务区车流及人流交通分析、预测和可视化仿真，分析项目未来的交通流量，规划项目节点交通组织和解决方案。将分析结果进行可视化仿真模拟，用于直观展示交通分析结果，为交通组织决策提供依据。

②依托平台轻量化交底

项目采用一个平台+多个终端的项目信息查询，实现方案阶段和施工阶段多参与方的信息共享和同步。同时将BIM模型打包进行AR增强交底，或者发布依托平台的三维PDF交底。

③施工场地布置及仿真

利用BIM模型可视化性能，建立施工场地三维数字模型，对施工场地进行合理规划和集成化管理，减少施工用地，保证现场运输道路通畅。

④全景漫游导览和VR展示

针对大化百里画廊服务区精细化模型建立VR仿真模型，它可以发布成独立的exe文件用来展示。基于它的交互性，辅助方案汇报和决策。基于BIM设计成果，还可以通过网页全景漫游导览和交底，方便业主和施工人员更好地理解设计意图。

融合设计提升品质

①交旅融合BIM示范应用

项目连接巴马长寿之乡、红水河百里画廊旅游区，为贯彻交旅融合发展意见，规划交旅融合示范，达到通过实施交旅融合总体策划，并借助BIM+GIS技术优化线位方案和场地规划，充分利用沿线自然和人文景观资源，实现了交通+旅游融合以及公路功能拓展。

②推动项目绿色及品质工程建设

本项目作为广西交通厅品质工程示范项目，基于BIM+GIS结合的三维选线统筹资源利用、提高土地利用率；结合三维水文地质充分考虑地下水，减少公路建设对当地水资源环境的破坏；采用喷射植被混凝土技术，尽可能保留原有植被，避免破坏岩土自然风光；废旧材料再循环利用，治理污染、节约资源，最终推动了项目绿色和品质工程建设。

③助力“交通+扶贫”深度融合

项目途经三个国家级贫困县，路线综合考虑贫困区建设发展，贯彻实施深度贫困地区交通脱贫；基于BIM的三维可视化技术助力开发百里画廊服务区、民俗度假村和多个乡村旅游区，拉动当地经济，精准扶贫；基于3S的设计管理系统，将项目沿线贫困地区地块和拆迁信息集成到三维GIS平台，建立贫困信息系统，助力数字脱贫。

④公路全要素BIM集成示范应用

本项目建立了道路、边坡、桥梁、隧道、互通枢纽、服务区、收费站等三维数字化详细模型，并将各个专业信息模型进行集成，实现了高速公路全要素对象BIM集成应用示范。

广西交通设计集团有限公司是广西最大的综合性交通和市政勘察设计研究单位。从2014年起，该院与时俱进，开始探索BIM技术在交通运输工程中的应用。为了推广BIM，公司开展了形式多样的BIM学习培训活动，并走出国门，到国外交流、学习先进的BIM技术及应用经验。已形成了一套适用于交通行业整体解决方案，并在场地勘测、方案规划设计、施工图精细化设计、施工仿真等方面开展了实际应用。

场地勘测方面，通过无人机和机载激光雷达获取基础测量数据，以图形工作站、台式工作站和移动工作站形成强大的数据处理及建模能力。贺州至巴马高速公路蒙山至象州段就采用了机载激光雷达航测地形。在方案规划设计阶段，快速地建立方案模型，实现对方案模型的调整、展示及初步工程量的统计。在施工详图阶段，构建构筑物的细节模型，通过二维出图和工程量自动统计，提高设计的精度和效率，如参数化钢锚梁和锚具、预应力钢筋混凝土精细化设计等。施工仿真应用方面，通过施工仿真，发现并查找设计或施工中存在的隐蔽问题，为设计和施工提供可视化的指导依据。

除此之外，公司在多个公路、市政项目中，如防城港市跨海通道项目、南宁快环综合整治项目、浦北至北流高速公路、老挝万象至万荣高速公路、平南相思洲大桥项目、平南三桥等工程中，都应用了BIM技术，并取得较好的成效。成果获得全球基础设施年度大奖赛“特别荣誉奖”，全国“科创杯”“龙图杯” “优路杯”等多个BIM大赛一等奖。我公司BIM团队注重BIM技术交流与合作，近两年多次在国内、国际BIM大会现场作主题报告，提升了公司行业知名度和影响力。