基于BIM技术三维实景模型的高速公路可视化设计研究

吉明、李昂

（贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州贵阳 550081）

0 引言

以黔西南州兴义环城高速公路工程为依托，项目采用双向四车道高速公路技术标准，设计速度80km/h，路基宽度24.5m。项目建成对解决兴义城市对外交通及城市过境的高速公路环线，对完善贵州省高速公路网络，促进兴义市过境交通流转换和城区间衔接更加便捷高效，具有重大意义。

随着无人机倾斜摄影测量技术、计算机三维建模技术、BIM 技术和实景三维技术等的快速发展，为公路工程项目的可视化设计奠定坚实基础。相比高速公路传统二维设计，基于BIM 技术三维实景模拟的高速公路可视化设计具有以下优势：

一是针对项目中的重要工程方案可以直观感受建成后的效果，有利于项目与周围环境的协调。

二是针对路线方案的比选，工程数量更加准确。

三是普通公众无须具备公路设计相关专业知识，就能最直观感受项目区内最熟悉的客观景物，能够直接看懂公路设计情况。故加快推广BIM 技术三维实景模型的高速公路可视化设计，是高速公路勘察设计未来的发展方向。

1 建立三维实景模型

建立三维实景模型是可视化设计的基础，建立模型需掌握项目区内地形、地貌、不良地质等情况，同时以测量数据为基础，建立和环境完全对应的真实模型。

项目全线位于兴义市，境内地势西北高、东南低，山峦起伏、河流纵横，喀斯特地貌发育良好。喀斯特地形地貌占71.5%，丘陵占20.5%，平坝占7.2%，村庄、河流占0.8%。水文、土壤、植被具有复杂性，内部差异明显。

采用无人机对目标区进行测量，然后对测量数据进行分析，之后采用Context Capture 基于图形运算单元GPU 快速创建三维场景，可运算生成基于真实影像的高密度点云，根据点云数据可以自动生成不规则三角网TIN，然后建立白模的三维实景模型，最终完成三维实景模型的建立，如图1 所示。完成项目三维实景模型建立后，可对项目进行三维可视化设计。

图1 峰林特大桥段实景三维模型

2 基于BIM 技术三维实景模拟的可视化设计

该项目路线方案较为复杂，针对项目典型工点采用基于BIM 技术三维实景模型的可视化设计，下面介绍几个典型工点的可视化设计。

2.1 基于BIM 技术芭蕉塘段隧道与路堑方案的可视化设计

该段为兴义环城高速公路典型工点，该段路堑方案和隧道方案均可行，工程规模差异不大，因此，传统二维方案比选难以达到较好效果，故针对该段采用基于BIM 技术三维实景模拟可视化设计，可通过直观感受建成后效果，从而对隧道和路堑方案（见图2 和图3）直观判断，有利于方案进一步比选。

图2 芭蕉塘段路堑方案可视化设计

图3 芭蕉塘段隧道方案可视化设计

路基方案需要将整个山体进行爆破开挖，施工过程中开挖、堆土、弃土等问题将造成一定程度上不可修复的环境破坏。通过三维计算土石方，挖方为26 万m3，填方为1.3 万m3，弃方为24.7 万m3。

隧道方案避免了整个山体的爆破开挖，对生态环境破坏较小，弃方量小。

通过三维实景模拟，直观感受该段路基方案和隧道方案的建成效果，同时对工程数量进行准确计算，隧道方案减少25 万m3的土方量，极大缩短了工期，对生态环境破坏小，与环境协调性好，符合绿色公路建设要求，因此该段推荐隧道方案。

2.2 基于BIM 技术楼纳互通三角区景观效果可视化设计

该工点为楼纳互通，互通服务于楼纳片区，互通根据地形布设方案，互通喇叭区为一座孤山，挖除孤山或保留孤山方案均可行，传统二维设计无法感受建成后效果，对是否挖除孤山选择较为困难，因此对互通采用三维实景模型可视化设计，以便准确选择更合理的方案。

通过前期采集数据，建立互通三维可视化设计，针对互通喇叭区孤山保留和挖除方案进行实景三维模拟，见图4 和图5。

图4 楼纳互通三维实景模型（保留孤山）

图5 楼纳互通三维实景模型（挖除孤山）

通过三维实景模型可视化设计可以得出，保留喇叭区山体景观效果较佳，减少挖方14 万m3，工程规模合理，同时有效保护生态环境，互通与环境协调统一，符合绿色公路建设要求，因此推荐保留喇叭区孤山的互通方案。

2.3 基于BIM 技术交通组织可视化设计

该项目磨盘山枢纽互通利用已通车G78 汕昆高速顶效东T 型枢纽互通改造成“十字”枢纽互通，故需对互通进行交通保畅，传统交通组织保畅方案难以对项目实施各阶段有直观感受，因此对该互通交通组织采用三维实景可视化设计，对互通实施的各阶段有直观感受，以便对实施过程中可能存在的问题提前预判，确保交通组织方案合理。

根据交通量调查，互通需对广西方向、云南方向及贵阳方向交通流进行相互转换，总交通量为29158pcu/d，其交通组成情况为中小型车辆占比82%、大型车占比5%，特大型车占比13%，交通干线功能十分突出。改扩建需要对既有枢纽互通的2 条匝道进行拆除、2 条匝道进行改造利用，新建6 条匝道，此外，还需要对互通区3 条既有地方道路进行改移，互通区内需拆除1 处桥梁，新建13 座桥梁，挖除方近10 万m3，填筑方近3 万m3，外运方约7 万m3，改造工程量巨大。

既有互通交通量大且大型车辆占比较高，施工周期长，如何在施工过程中确保互通功能得到基本保障，对整个互通区交通组织设计提出巨大挑战。为实现复杂交通环境下的交通组织设计，需要利用高效的信息整合平台，对不同方面影响因素进行共同分析。相较Vissim、TransCAD 等传统交通仿真软件，基于BIM 技术进行交通组织设计基于实景建模，可直接用于指导施工。对该项目既有互通和改造后互通建立三维实景模型（见图6、图7），同时对互通交通组织总体设计进行实景模拟（见图8）。

图6 既有互通三维实景模型

图7 改造后互通三维实景模型

图8 互通三维实景模型的交通组织总体设计

基于实体模型，可以进行施工全过程及细部节点模拟（见图9），结合实际道路条件选取合理的交通转换节点。

图9 互通三维实景模型交通组织细部设计

在BIM 技术三维实景模型的基础上，建立各向交通流与施工段落同步展示的平台，最终形成局部建设保通便道、保通便道转化为新建匝道、科学确定交通转换点的交通组织方案，确保整个施工期内各阶段施工不影响既有高速公路通行的目标，整个施工期内无交通事故，对项目的实施产生良好效果。

3 结论

第一，基于BIM 技术的三维实景模拟可视化设计针对项目中的重要工程方案可以直观感受建成后的效果，有利于项目与周围环境的协调；同时工程数量计算更加准确，有利于方案的选择。

第二，基于BIM 技术的三维实景模拟可视化设计使施工人员可以直观感受路线方案，有利于项目的对接和推进。

第三，基于BIM 技术的三维实景模拟可视化设计针对比较复杂的改建项目可直观感受交通保畅情况，有利于项目的实施。

第四，基于BIM 技术的三维实景模拟可视化设计是未来公路设计行业的发展方向，对公路设计行业发展起到积极的推进作用。