BIM正向設計在高速公路互通立交工程中的應用

唐 韜

（中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北 武漢430060）

0 引言

BIM（建筑信息模型）技術目前正被日益廣泛的使用在建筑、交通等各種領域之中。傳統CAD二維設計在設計過程中由于圖紙與基礎資料之間不具備聯系，因此常出現牽一發而動全身的問題，各專業間往往會發生設計沖突而造成大量的返工。BIM技術由于其具有可視化，協調性等優點，且得益于其動態更新機制，能極大的提高設計效率與設計質量。目前BIM在建筑領域已經獲得了一定的成功經驗，相比于建筑工程，公路工程的里程長、空間范圍廣且地形變化較大。目前公路BIM設計主要采用“翻模”，該過程在實際操作中效率較低且工作量大，這有悖于BIM高效設計的初衷。因此，探討及推動BIM正向設計在公路工程中的應用十分必要。本文以江西上浦高速銅鈸山互通段落為例，基于Civil 3D和Revit探討了公路工程中BIM正向設計的幾個關鍵步驟。

1 BIM互通設計要點分析

在公路工程中，互通方案的合理性與否對工程的經濟效益、服務水平乃至行車安全都有著重要的影響。由于互通形式變化多樣，采用可視化程度更高的BIM設計能高效的獲得更為合理的方案。BIM互通設計的關鍵根據設計階段的不同主要有如下兩點：（1）工可階段的關鍵是方案展示與對比，同一互通段落通常存在著較多方案，利用BIM的可視化平臺向各個專業進行方案展示，從經濟技術指標等方面進行比較，相關專業可通過相互交流獲得較優方案，減少后續方案變更造成返工的可能性。（2）施工圖階段的關鍵是設計細化，利用BIM平臺的優勢，對路線平縱橫以及橋梁布置進行優化、細化，尤其是匝道不同位置的變寬、出入口處端部等細部位置的設計，本次設計為施工圖設計。

2 項目概況

江西上饒至浦城高速公路新建工程路線全長50.805 km，主線路基寬度26 m，設計速度100 km/h，其中銅鈸山互通段落起始樁號K35+960，終點樁號K37+200。該互通共設匝道5座，路基寬度為16 m以及9 m，設計速度40 km/h。

3 BIM正向設計

3.1 地形曲面創建

傳統CAD二維地形圖由簡單的點線構成，而Civil 3D中的三維地形圖由具有高程信息的高程點及等高線等圖元構成。相比于傳統二維地形，三維地形圖更能反映地勢的起伏狀況，同時還能通過編輯曲面特性進行高程分析以及流域分析等。三維地形有助于道路專業進行線位比較、放坡分析，同時有利于橋梁專業對橋墩布置合理性進行分析。

通過航測、GPS、衛星遙感等方式獲取原始地形數據，將其導入Civil 3D中，在排除異常高程點及等高線后，根據需要對曲面樣式和特性進行編輯，即可獲得三維地形曲面。該互通段二維地形及三維地形見圖1、圖2。

圖1 二維地形圖

圖2 三維地形圖

3.2 道路模型創建

在傳統CAD設計過程中，道路的平面線位、縱斷面與橫斷面之間相互分開設計，缺乏相應的聯系。公路工程由于其里程長，地勢變化大的特點，對平縱橫任何一處的手動調整都可能造成大量的修正工作，且均需手動完成，極大的影響了設計效率。得益于Civil 3D的參數驅動機制，由參數構成的平縱橫相互之間有著動態聯系，對任何一者的修改道路模型都能夠進行自動更新，見圖3。

圖3 道路模型創建流程

3.2.1 路線平縱設計

Civil 3D創建路線平面的方法有多種，包含：（1）對象法：直接繪制多段線，以多段線為對象創建路線，其中多段線應為連續對象。（2）圖元法：先建立固定圖元，再依次創建浮動圖元與自由圖元，該法常適用于復雜線型設計。（3）交點法：運用路線布局工具直接創建路線，同時還能夠精確修改曲線半徑以及緩和曲線長度等參數。本項目由于包含多個匝道段落，使用交點法創建路線更為合適。

利用Civil 3D的快速縱斷面功能，可以高效地形成路線縱斷面，并對沿線的填挖量有大致的預估。在同一縱斷面圖中可以實現多條縱斷面設計線的同時創建，這樣便于對不同的方案進行比選。倘若在設計過程中調整平面線位，縱斷面地面線將自動更新，但縱斷面設計線需進行手動調整。在多視口模式下利用“樁號追蹤器”功能可實現路線具體樁號與縱斷面的一一對應，實現縱斷面的精確調整。銅鈸山互通路線平面見圖4。

圖4 銅鈸山互通路線平面

3.2.2 橫斷面裝配

Civil 3D軟件提供了一系列預定義構件，包括行車道、路肩、擋土墻等，這些預定義構件可直接調配使用。但在設計過程中不難發現這些預定義構件存在著一定的局限性，尤其是在地形復雜的段落，很多構件難以滿足放坡要求，而運用Civil 3D的部件編輯器（SAC）對橫斷面進行參數化設計可實現復雜地形下的多級邊坡設置。

在部件編輯器中，通過設置邏輯判斷關系與目標參數可實現邊坡填挖的控制；而對于匝道斷面，可通過設置行車道偏移目標實現匝道的變寬。部件編輯器使得橫斷面裝配變得更加靈活，適用性相較于預定義構件也更加廣泛。利用部件編輯器進行參數化橫斷面設計的過程見圖5。

圖5 參數化橫斷面設計

3.2.3 道路三維模型創建

傳統CAD道路模型為二維模型，對道路的填挖情況反映不夠直觀。Civil 3D創建道路模型的原理是將橫斷面裝配中相同代碼的點線相連接，這樣便在路線縱向上形成了要素線與邊坡面，兩者組合而成三維的道路模型，見圖6。與二維模型相比較，三維道路模型將道路的平縱橫三者更好地結合在了一起，通過曲面粘貼命令可實現道路模型與三維曲面的融合，這樣路線的填挖情況將更加直觀明了。這種直觀的交互方式能幫助設計人員迅速的判斷填挖的合理性，對不合理斷面的修改工作也變得相對高效。在調整過程中對平縱橫任何一者的修改，道路模型都將自動更新。

圖6 三維道路模型

Civil 3D可通過曲面面積計算與放坡體積計算等方法統計道路工程量，由于三維道路模型與曲面模型的融合更接近于實際地形，不論是在土石方量的統計還是防護工程數量的統計上，三維模型都相較二維平面模型更加準確。

3.3 橋梁BIM設計

傳統橋梁設計常基于路線資料與二維地形圖完成，這樣相對獨立的設計往往會出現設計沖突，同時橋梁與被跨構造物之間的位置關系也不清晰明確。而在BIM設計過程中不同專業可協同完成設計內容，在已經創建完成的三維道路模型的基礎上，橋梁專業可對橋梁位置與橋型布置進行方案比選，高效地獲得最優方案。

3.3.1 橋梁BIM正向設計關鍵步驟

橋梁BIM設計通常基于Revit軟件完成橋梁模型的建立，整個流程常包含如下幾步：

（1）通過Infraworks導入基于Civil 3D創建的地形曲面，同時覆蓋高清衛星圖像，在實景地形下確定橋墩平面位置、橋梁控制點高程等基本要素。

（2）為了滿足路線線形的要求，尤其是在互通段落路線復雜的情況下，橋梁的上部結構形式與尺寸通常存在較大差異。各號梁節段在不同跨上往往尺寸不一致，若采用傳統重復建模的方式效率較低。為了實現主體結構部件正向參數化設計，應根據其外形尺寸與結構形式上的差異建立標準化參數族，族庫中的內容可在初次創建完成后永久使用。因此，建立族庫能夠極大地提高橋梁設計效率，是橋梁BIM設計的關鍵內容。創建標準化參數族的關鍵是控制好尺寸和角度等約束條件，在構件的不同位置以文字或者字母的形式設置好不同的參數加以調整。最后，建立與該族同類型的族類目錄并導入族庫中，即完成該類型族構件的參數化建模。

（3）模型的建立，按橋梁結構將橋梁拆分為上部結構、下部結構與附屬結構三個部分。分別為三者創建對應的族或者直接從已有的族庫中調用，放置在框架模型中并進行整合，最后還可根據設計要求調整相應的參數，見圖7。

圖7 橋梁族庫

3.3.2 橋梁BIM模型應用

建立完成的三維互通立交BIM模型，可以直觀的判斷互通方案對周邊建筑物的影響，使設計人員切實感受布設橋梁下的通透性，擇優選擇互通布設方案。值得注意的是，在互通樞紐中常存在的視距問題，應在完成互通模型建立之后利用BIM軟件中的視距核查插件逐樁檢查，規避匝道車輛匯入主道時視線被遮擋的問題，包括匝道之間的凈空問題，也應在建模完成后逐一核查，避免匝道之間凈空不夠甚至產生相互碰撞。

4 結語

本文以BIM設計軟件為基礎，結合實際工程，闡述了公路互通立交BIM正向設計的關鍵步驟，所得結論如下：

（1）三維地形曲面相比傳統二維地形圖更加直觀，且可進行多項分析，有利于各專業BIM設計工作的展開。

（2）利于BIM完成互通式立交的設計的關鍵在于工可階段的方案比選以及施工圖階段的細部設計。

（3）利用BIM完成路線平縱設計，可實現方案的精細化調整；采用部件編輯器編制的參數化橫斷面可適用于各種復雜地形的橫斷面放坡。

（4）基于Revit建立橋梁族庫，即橋梁的參數化構件，可極大提高橋梁的設計效率，并可利用三維互通模型進行視距及凈高核查。