旅游公路方案设计中BIM 技术的应用研究

黄亚栋 刘 阔 赵荣超

（湖北省交通规划设计院股份有限公司， 湖北 武汉 430051）

1 前言

建筑信息模型（Building Information Modeling， BIM） 技术是基于现代信息技术和计算机技术发展融合而成的建筑信息应用技术， 利用数字技术存储和传递建筑结构和构造特征， 并以3D模式直观表述， 可以有效的解决二维设计手段存在的直观性交互性较差的问题， 快速准确地发现设计中存在的各类问题， 提高检查效率、 避免延误工期、 降低成本， 提升施工安全性。 BIM 技术应用于高速公路和常规公路工程中的案例比较多， 但是在旅游公路中应用案例则非常少。 旅游公路相较于常规公路在设计上更加注重安全、 环保、 舒适、 和谐等设计理念， 利用常规二维设计方法进行设计， 设计质量难以得到保证。 本文以三峡库区公路改造成旅游公路工程为例， 以Autodesk 平台BIM 软件为基础， 探讨BIM 技术在旅游公路工程设计中的应用， 为今后类似的旅游公路工程设计提供理论和实例依据［1-2］。

2 工程概况

三峡库区公路 （以下简称 “本项目”） 是长江北岸的一条玉带， 连通举世闻名的三峡枢纽大坝， 是通往5A 级景区三峡人家的必经通道， 同时串联了西陵峡风景区、 三峡国家森林公园、 国家地质公园以及众多自然保护小区， 沿线层峦叠嶂， 九曲幽回， 是罕见的旅游观光走廊带。 该公路曾经也是沿江众多三线工程的唯一公路运输通道。 从区域路网结构来看， 无论过去还是现在，该公路都是宜昌市沿江重要的骨架公路。

随着宜昌市长江经济带新战略的实施， 长江沿线经济已向生态产业转型。 本项目的建设， 将承担起沿江生态观光、 徒步骑行、 自驾旅游等环保型产业支撑作用， 形成快旅慢游新格局的重要快捷通道， 是对三峡生态旅游圈骨架路网的优化； 对构建 “三峡生态旅游圈”、 “改善旅游内接环境” 意义重大。 路线全长约39.580km。

3 BIM 技术在工程设计中的应用

3.1 利用BIM+GIS 技术辅助设计

常规公路的设计是利用无人机沿着设计路线航测得到的带状地形图上进行的， 采用这种设计方法无法满足公路设计在区域总体景观上的需求， 这给旅游公路的设计带来了很大的局限性。在本项目中， 我们利用BIM+GIS 技术进行辅助设计， 实现在区域总体大场景下进行旅游公路设计。 BIM+GIS 总体模型如图1 所示。

使用基于卫星遥感技术 （RS） 与地理信息技术 （GIS） 对设计路线两侧5km 区域的地形进行三维建模， 并在三维的地形曲面上辅助以卫星影像 （DOM）， 这就保证了旅游公路设计时总体景观的需求［3-5］。 在大场景地形曲面内部设计路线两侧300m 范围内， 采用的是利用航测生成的1 ∶2000 地形图建立的地形曲面， 并辅助以无人机航拍的局部正射影像图， 这样保证了在公路设计时的局部设计精度。 利用BIM+GIS 技术辅助设计， 一方面可以结合老路现状， 综合考虑地形因素， 在满足技术标准的前提下， 尽量避免大填大挖， 体现 “不破坏就是最大的保护” 的理念；另一方面可以让设计人员在设计时能够更加科学合理的布置观景休息平台、 旅游驿站等。 观景休息平台BIM 模型布置图如图2 所示。

图1 BIM+GIS 总体模型

图2 观景休息平台BIM 模型布置图

3.2 利用BIM 技术辅助设计公路路线

旅游公路在设计上不仅要和常规公路一样考虑行车的需要， 同时也要考虑行人和骑行人员的舒适性。

该旅游公路主体是利用原有的老路线位， 在公路主体工程一侧并行布置慢行道。 但老路线位在芭蕉溪处两次下穿三峡专用公路， 平曲线半径较小， 行程时间相对较长， 通过Infraworks 软件分析， 发现老路视距存在不足， 需要进行限速，同时两处桥梁净高只有4.5m， 净空不足。 针对该种情况， 结合BIM 三维模型， 设计人员在此处进行裁弯取直， 新建一座48+80+48m 连续刚构桥直接跨越芭蕉溪， 通过软件分析， 新方案路线顺直， 视野良好， 绕行较少， 安全性较老路线位优， 模型如图3 所示。

图3 公路裁弯取直BIM 模型

该项目针对部分困难路段， 在游离于主体工程之外独立设置慢行道， 这是常规道路上所不需要考虑的， 这里以传统方法比较难以设计的天柱山慢行道为例讲述一下BIM 技术的应用。 受天柱山隧道净空断面限制， 慢行道需分离主线独立设置。 依地形条件， 设计上推荐采用的是在隧道外侧悬崖边建设沿江栈道方案， 为了尽可能的减少对崖壁的开挖， 我们利用BIM 技术辅助设计，在三维场景下， 生成紧贴悬崖的栈道边线， 使栈道路线设计更为科学和合理， 模型如图4 所示。

图4 悬崖边沿江栈道BIM 模型

3.3 利用BIM 技术合理设计旅游公路横断面布置

常规道路横断面一般只需要设置一种横断面样式， 而在旅游公路设计中， 需要综合考虑沿线的建筑物、 景观以及当地百姓的出行要求等， 因此需要设置多种横断面。 本项目利用Infraworks软件， 在三维地形曲面模型上自动生成测量图上的房屋建筑、 树木等三维模型， 在此基础上建立道路的BIM 模型， 在三维可视化的场景下， 科学设计道路的横断面布置形式如图5、 图6 所示，在可视化场景下利用BIM 技术辅助设计公路横断面有以下优点： 充分结合项目沿线的环境、 林业、 水资源等因素， 重视环境保护， 尽量减少由横断面布设而引起对生态环境保护的不利影响，并使其影响减少到最小程度， 尽可能使公路主体与原有自然及社会景观相融合； 充分考虑与沿线乡镇发展规划的协调配合， 合理布设平交、 村道搭接路口， 方便沿线群众的生产和生活； 充分考虑现有居民房屋的布置， 尽量避绕密集居民点，减少工程拆迁量， 以降低工程造价和实施难度。

图5 城镇路段横断面布置

图6 沿江路段横断面布置

3.4 利用BIM 技术辅助设计桥梁

该项目中需要新建桥梁， 其中莲沱大桥距离已有的三峡高速公路莲沱大桥拱桥较近， 设计时需要考虑新建桥梁与原有的拱桥在景观上的融洽性。 设计人员提出两种设计方案如图7、 图8 所示， 分别如下：

方案一： 5×18m+（30+50+30）m+6×18m 预应力混凝土连续刚构、 普通钢筋混凝土连续梁。

方案二： 6×18m+70m+7×18m 系杆拱、 普通钢筋混凝土连续梁。

图7 莲沱大桥方案一主桥桥型图

图8 莲沱大桥方案二主桥桥型图

常规设计方法无法判断这两种桥型哪种才能与原有拱桥更加融洽， 而BIM 技术则能很好的解决这一难题， 在BIM 模型中建立三峡高速公路莲沱大桥模型和该新建桥梁的BIM 模型， BIM 技术的可视化特点在方案比选阶段可以得到很好的利用， 通过漫游展示和360 度无死角的细节展示，可以为桥梁的布设选择提供身临其境的直观体验。让专家和领导足不出户即可全方位了解现场实际状况， 为最终方案的确定提供直观准确的依据，模型如图9、 图10 所示。

在确定桥型结构后， 利用BIM 软件进行桥梁深化设计， 道路设计人员在Civil 3D 中构建道路模型，然后将道路模型发送到InfraWorks 和Revit， 对桥梁进行参数化设计建模。 在这里， 设计团队可以协同设计， 在Revit、 Infraworks 和Civil 3D 之间来回切换， 为此数据集进行了多次详细道路和桥梁设计迭代， 使道路和桥梁设计满足项目的需求［6］。

图9 莲沱大桥方案一BIM 模型

图10 莲沱大桥方案二BIM 模型

针对本项目提出的莲沱大桥两个方案： 预应力混凝土连续刚构梁、 系杆拱桥， 在方案比选阶段主要基于工程的经济性和景观效果。 BIM 软件可以自动统计出每种桥型的工程量， 桥型方案比较见表1。

表1 莲沱大桥方案比选表

3.5 利用BIM 技术辅助工程算量

在Infraworks 软件中， 借助工程量工具， 可以计算和查看与一个或多个选定组件道路、 组件道路 （桩号范围） 的截面以及关注区域相关联的土方量和材质土方量并生成报告。 通过该方法，设计人员可以实时查看每种设计方案的工程量以及每个构造物的工程量， 为工程的设计提供科学依据。 工程量等信息全部来自BIM 模型， 并且由模型一键导出， 一方面提高了工程量统计效率， 另一方面降低人为主观因素对工程量统计的影响。

4 结语

（1） 旅游公路工程设计与周边地理信息环境紧密相关， 本文通过整合三维地理信息环境， 集成工程设计、 GIS 与BIM 技术， 将旅游公路设计与测绘地理信息两大领域协同创新， 在三维地理信息环境下开展工程设计工作， 大大保证了旅游公路在设计上的科学性和合理性。

（2） 围绕基于三维地理环境的设计成果， 利用BIM 技术辅助设计公路路线， 为旅游道路设计方案评价提供科学的依据和技术手段。

（3） 在三维地形曲面模型上自动生成测量图上的房屋建筑、 树木的三维模型， 在此基础上建立道路的BIM 模型， 在可视化的场景下， 科学设计道路的横断面布置形式。

（4） 利用BIM 技术辅助桥梁设计， 既能保证桥梁在景观上的设计要求， 又能对桥梁进行参数化、 协同化设计， 保证了设计质量。

（5） 利用BIM 软件自动统计工程量， 大大提高了设计工作效率。