BIM技術在高速公路互通立交設計及施工管理中的應用

劉志中，裴佑生

(1.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司 合肥市 230088； 2.公路交通節能環保技術交通運輸行業研發中心 合肥市 230088)

隨著交通行業的不斷發展，高速公路建設里程不斷增加，互通立交的數量也迅速增長。在設計中，項目受地理環境、交通等因素制約,互通立交工程越來越復雜[1]。互通立交中橋下限界高度和停車視距是保證公路行車安全的重要設計指標，工程進度則是保證項目按時竣工的保證[2]。傳統的CAD設計方式已經不能滿足項目模擬分析要求，近年來，隨著BIM 技術的發展，BIM技術突顯其三維可視化、參數化建模、可模擬分析性、協同化設計等優勢[1]，逐漸應用于項目建設中，能夠對高速公路設計和施工階段進行可視化模擬分析，并輔助工程進度管理。具有顯著的經濟效益和社會效益[3]。

在互通立交設計及施工中引進BIM技術，重點闡述 BIM技術在互通立交中的應用，為BIM技術的應用和推廣積累經驗與知識，為以后相關工程進行借鑒[4]。

1 項目概況

夏閣樞紐互通立交位于巢湖市夏閣鎮高家田埠村，是為連接明巢高速與G5011蕪合高速公路而設置的大型十字樞紐互通立交；根據互通區所處位置的地形地貌，結合與西側相鄰巢湖服務區間距、蕪合高速縱面等控制因素，采用對稱部分首蓿葉+半定向十字樞紐互通立交方案，主線及各匝道均上跨G5011蕪合高速公路。明巢高速公路設計速度為120km/h，路基寬度27m，雙向四車道。G5011蕪合高速公路設計速度為120km/h，路基寬度42m，雙向八車道。夏閣樞紐互通立交明巢高速主線長度為2255m，G5011蕪合高速主線長度為3768.495m，匝道總長10908.714m。

2 BIM三維模型

為了提高信息模型的創建效率、確保信息模型成果質量，針對本項目工程特點，信息模型創建之初創建工程構件模板庫與屬性模板庫，作為技術標準、效率工具的有效補充。基于Microstation的Cell、OpenRoadsDesigner(ORD)及OpenBridge Modeler(OBM)軟件的Libraries，建立多專業的常用構件的幾何模板庫，如圖1。

圖1 橋梁下部結構模板

基于Bentley軟件平臺的ORD、OBM、Microstation對道路、橋梁、涵洞、交安設施進行三維建模，并對模型賦予材料和工程信息。

2.1 道路三維建模

通過創建的路線平縱線位，根據實際工程需求，參數化控制橫斷面模板，形成項目所需的道路模型。

在已經激活的地模基礎上，參數化的道路模型可根據橫斷面模板中的末端條件直接模擬出真實邊坡，呈現出更加合理、精確的道路三維模型，如圖2。

圖2 夏閣樞紐互通立交道路三維模型

2.2 橋梁三維建模

根據總體創建的三維平縱線位，采用三維可視化的設計手段，充分考慮橋梁空間結構、與地形地貌間的聯合作用、造型展示等因素，通過建立橋梁參數化構件庫，包含橋面板、混凝土護欄、下部結構等構件，批量快速建模，如圖3。

圖3 夏閣樞紐互通立交所有橋梁三維模型

2.3 交安三維建模

在道路、橋梁模型完成以后，根據規范對互通方案交安設施進行設計并三維建模。

主要包含標線、標牌、護欄等，標志標牌可以從既有構件庫中直接調用，輸入合適的指示內容，插入到合適的位置上即可，如圖4。

圖4 夏閣樞紐互通交安三維模型

最后通過Microstation軟件對各專業模型進行匯總，導出到LumenRT進行可視化展示。

3 基于三維模型的設計校核

3.1 橋下限界高度分析

橋下限界高度是指上部結構最低邊緣到所跨越路面之間的距離，是保證橋下行車安全的必要條件。

根據三維信息模型，利用BIM可視化的特點，可以直觀地反映橋下凈高是否滿足要求，設計方案是否合理。提前發現不滿足凈高要求的部位，避免后期設計變更，從而縮短工期，節約成本。

本項目道路和橋梁均按施工圖設計圖紙進行建模，標高設計準確。通過建立與道路限界等效的模型，再通過軟件進行碰撞分析，通過碰撞結果判斷凈高是否滿足要求。

本項目為高速公路，橋下限高均為5.5m，經過碰撞分析，本項目橋下凈空均滿足設計要求。

3.2 三維視距分析

行車視距是否充分，直接關系著行車的安全與快速，是分析和評價公路設計和使用質量的重要指標之一。行車視距受平面線形、縱斷面和橫斷面等因素的影響，因此對公路進行三維視距分析是有必要的，便于找出視距不滿足的路段，優化設計。

視距一般分為停車視距、會車視距、超車視距和錯車視距，本項目為高速公路互通立交，高速公路存在中分帶，匝道無對向車，故不存在會車問題，因此，高速公路一般驗算停車視距。停車視距應滿足表1要求。

表1 停車視距表

根據《公路路線設計規范》(JTG D20—2017)對平曲線半徑較小的匝道內側車道進行停車視距檢驗，視點軌跡線(也即行車軌跡線)為內側車道中心線，視點距路面高1.2m，用于視距檢驗的障礙物高0.1m，放置于最內側車道的外邊緣與內邊緣之間，障礙物沿行車方向沿視點軌跡線每隔5m長度放置，人眼以第一視角所能看見的最遠處的障礙物與視點構成的三角形為本車道內視線棱體頂面，能看見的最遠障礙物與視點在視點軌跡線上的投影距離為停車視距，如圖5。

本項目對A、B、C、D、G、H匝道小半徑位置處進行了三維視距分析，A匝道、B匝道、C匝道、D匝道停車視距不滿足要求，G匝道、H匝道停車視距滿足要求，報告如表2。

圖5 三維視距分析圖

表2 夏閣樞紐互通視距分析報告

經過三維視距分析，A、B、C、D匝道停車視距不滿足要求，擬通過對A、B匝道小半徑處調整標線設計，采用單車道；C、D匝道擬調整設計速度為50km/h，經過設計調整，行車視距滿足要求。通過視距分析，避免了運營期視距不夠導致的行車安全問題。

4 基于BIM技術的工程進度可視化管理系統

我們根據國內高速公路建設管理的需要，基于最新的BIM+GIS技術框架，自主開發面向建設管理工作的應用平臺，提高了工程建設項目管理工作信息化水平，并成功在多個公路、市政建設管理項目中進行應用。

我們將基于現有研發成果，針對本項目特點，定制開發出一套基于BIM的工程進度可視化管理系統，主要包含工程進度4D可視化表達、基于地理空間數字化的進度表達、基于構件的進度業務數據檢索、基于二維圖表的工程進度宏觀統計、進度對比分析等功能。

(1)工程進度的4D可視化表達：利用三維模型以不同顏色及透明度可視化地展示項目整體施工進度，BIM專員通過后臺功能錄入的實際施工信息，利用三維模型進行可視化表達，幫助項目建設方管理人員、視察領導對項目整體施工進度進行形象、宏觀、實時了解，如圖6。

圖6 工程進度的4D可視化表達

(2)基于構件的進度業務數據檢索：基于三維模型構件進行實際進度信息檢索、開工完工記錄等施工信息的查詢檢索。

(3)基于二維圖表的工程進度宏觀統計：按照時間維度和空間維度，對工程計劃進度數據、工程實際進度數據進行統計計算完成數量、百分比，并以柱狀圖、折線圖等方式進行實時的表達，如圖7。

圖7 進度對比分析

(4)進度對比分析：將系統收集的工程計劃進度數據、工程實際進度數據進行對比，分析工程內所有構件的按計劃實施情況，并自動實時地統計逾期未開工、逾期未完工的構件，同時支持系統消息和短信兩種方式的提醒功能。

基于工程WBS分解(工程分部分項檢驗批劃分)及三維模型構件，通過對計劃和實際進度數據進行采集、存儲、整合及統計分析，實現工程進度的4D模擬、實際進度與計劃進度的對比分析，輔助業主組織施工、設計、監理等部門分階段進行施工進度檢查。根據統計分析，本項目工程進度滿足要求。

5 結語

本項目在高速公路互通立交設計和施工中引入BIM技術，建議全專業的三維信息模型，并通過BIM可視化分析，主要結論如下：

(1)通過BIM技術進行橋下限界高度分析，本項目橋下凈空均滿足設計要求。

(2)通過BIM技術對匝道進行三維視距分析，發現A、B、C、D匝道停車視距不滿足要求，擬通過對A、B匝道小半徑處調整標線設計，采用單車道；C、D匝道擬調整設計速度為50km/h，經過設計調整，行車視距滿足要求。

(3)自主研發基于BIM技術的工程進度可視化管理系統，基于工程WBS分解(工程分部分項檢驗批劃分)及三維模型構件，對工程進度進行對比分析，實現工程進度的管理。