淺談BIM 技術(shù)在高速公路互通工程中的應(yīng)用

摘要 為了提升高速公路互通立交建設(shè)水平，文章總結(jié)了BIM 技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)和建模方法，并以某高速公路單喇叭互通為研究對(duì)象，基于Civil 3D 軟件探討了BIM 技術(shù)在互通立交地形建模、平面線形設(shè)計(jì)、縱斷面線形設(shè)計(jì)、橫斷面裝配、碰撞檢測(cè)、安全性評(píng)價(jià)、工程量統(tǒng)計(jì)等方面的具體應(yīng)用，研究成果可為高速公路互通立交設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞 BIM 技術(shù)；高速公路；互通立交；建模方法；路線設(shè)計(jì)；Civil 3D 軟件

中圖分類號(hào) U417 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2023）15-0027-03

0 引言

隨著交通路網(wǎng)的不斷完善，高速公路建設(shè)里程逐年增加，互通立交的建設(shè)數(shù)量也越來(lái)越多。傳統(tǒng)的互通立交設(shè)計(jì)是基于CAD 軟件，建立二維線形來(lái)表達(dá)互通立交各構(gòu)件的空間關(guān)系，在方案展示、細(xì)部?jī)?yōu)化等方面具有明顯的不足，且難以實(shí)現(xiàn)平面線形、縱斷面線形、橫斷面之間的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)。為了解決這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者提出了BIM 技術(shù)（Building Information Modeling），以互通立交三維模型為基礎(chǔ)，提高互通立交的設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。但是，BIM 技術(shù)在高速公路中的應(yīng)用起步較晚，相關(guān)建設(shè)理論不完善，可參考的落地項(xiàng)目少，且技術(shù)人員對(duì)BIM 技術(shù)的理解較膚淺[1]。因此，進(jìn)一步研究BIM 技術(shù)在高速公路互通立交中的具體應(yīng)用意義重大。

1 BIM 技術(shù)特點(diǎn)和建模方法

1.1 BIM 技術(shù)特點(diǎn)

BIM 技術(shù)并不是單純地指某一個(gè)軟件，而是一種新型設(shè)計(jì)理念，即通過(guò)建立互通立交的三維模型，將工程的基本建設(shè)信息儲(chǔ)存在其中，使參與互通立交設(shè)計(jì)的各專業(yè)人員能共享信息，快速高效地完成互通立交的設(shè)計(jì)。大量工程實(shí)踐表明，BIM 技術(shù)用于高速公路互通立交設(shè)計(jì)中具有以下特點(diǎn)[2]：

（1）可視化程度高。傳統(tǒng)的高速公路互通立交設(shè)計(jì)是以二維線條設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，直觀性較差，對(duì)于復(fù)雜的互通立交難以滿足匯報(bào)要求。利用BIM 技術(shù)可建立三維模型，使設(shè)計(jì)人員及業(yè)主能直觀地看到互通立交上各結(jié)構(gòu)物的細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)“ 所見即所得” 的效果，也可以盡量地避免工程信息的錯(cuò)漏。

（2）協(xié)同性好。高速公路互通立交項(xiàng)目所涉及的專業(yè)較多，包括路線、路基路面、橋梁涵洞、綠化、機(jī)電、交安設(shè)施等，不同專業(yè)人員之間的設(shè)計(jì)交流主要依靠Word、Excel、CAD 文件，數(shù)據(jù)傳遞性差，容易出現(xiàn)不同專業(yè)間的沖突。而BIM 技術(shù)可以使各專業(yè)人員共用一個(gè)三維模型，動(dòng)態(tài)地從模型上下載設(shè)計(jì)所需的數(shù)據(jù)，增強(qiáng)各專業(yè)之間的協(xié)同性。

（3）可模擬性。BIM 模型具有強(qiáng)大的模擬能力，比如模擬高速公路互通立交施工時(shí)的日照、降雨、施工方案等。設(shè)計(jì)人員可結(jié)合互通立交在實(shí)際環(huán)境中的運(yùn)行情況對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)，還可以在三維模型中，加入5D 造價(jià)管理，準(zhǔn)確計(jì)算出互通立交的造價(jià)，為其成本控制提供依據(jù)。

1.2 BIM 技術(shù)建模方法

1.2.1 建模實(shí)現(xiàn)途徑

BIM 技術(shù)用于高速公路互通立交設(shè)計(jì)需要多個(gè)軟件相互協(xié)作。目前國(guó)內(nèi)外常用的BIM 技術(shù)平臺(tái)有Autodesk平臺(tái)、Bentley 平臺(tái)、Dassault Systemes 平臺(tái)、鴻業(yè)路易軟件、EIBIM 軟件等，其中國(guó)外的BIM 技術(shù)平臺(tái)相對(duì)成熟，尤其是Autodesk 平臺(tái)的Civil 3D 軟件在國(guó)內(nèi)路橋項(xiàng)目中的應(yīng)用較廣。因此，該文借助Civil 3D 軟件來(lái)闡述互通立交的設(shè)計(jì)方法，其實(shí)現(xiàn)途徑見圖1[3]。

1.2.2 具體建模方法

BIM 技術(shù)用于高速公路互通立交中的建模方法有線框建模、實(shí)體建模、面片建模、參數(shù)化建模等。

線框建模法是假設(shè)互通立交中的每個(gè)實(shí)體都是由邊界組成的封閉區(qū)域，則線框模型就是邊界邊的空間集合。實(shí)體建模法是先定義若干個(gè)基本要素（體、面、邊等），將基本要素按既定規(guī)定進(jìn)行組合，生成互通立交的各個(gè)構(gòu)件，其最大特點(diǎn)是三維實(shí)體和表面可同步生成。面片建模法是通過(guò)Surface 修改器將二維線條直接轉(zhuǎn)化成面，只需要很少的控制點(diǎn)就能建立完整的互通立交模型。參數(shù)化建模是利用參數(shù)和約束來(lái)建立互通立交模型，其參數(shù)化對(duì)象并不僅僅是幾何圖元。

2 基于BIM 技術(shù)的互通立交線形設(shè)計(jì)

高速公路互通立交包括主線和匝道兩部分，其中主線屬于互通立交的主體，匝道是服務(wù)于主線的功能。為了提高互通立交設(shè)計(jì)質(zhì)量，必須嚴(yán)格控制主線和匝道的平面線形、縱斷面線形、橫斷面等。在開展互通立交線形設(shè)計(jì)時(shí)，匝道線形應(yīng)盡量服從主線線形。

2.1 工程概況

該文以某高速公路單喇叭互通立交為研究對(duì)象，探討B(tài)IM 技術(shù)在互通立交中的具體應(yīng)用。互通立交的A 匝道是主匝道，選取房屋較少處穿越，以減少拆遷規(guī)模。其余四個(gè)匝道均與主線、主匝道連接，入口匝道采用平行式變速車道，出口匝道采用直接式減速車道，見圖2。

2.2 地形建模

2.2.1 建立地形曲面

在進(jìn)行高速公路互通立交設(shè)計(jì)前，要根據(jù)地形圖測(cè)量資料（等高線、高程點(diǎn)、特征線等元素）來(lái)建立地形曲面。地形曲面是某個(gè)地形區(qū)域的三維幾何表示，是Civil 3D 軟件建立互通立交三維模型的基礎(chǔ)。大量工程實(shí)踐表明，Civil 3D 軟件創(chuàng)建地形曲面的方法有三種[4]：第一，利用DEM 數(shù)據(jù)創(chuàng)建。利用DEM 數(shù)據(jù)可創(chuàng)建格柵曲面和三角網(wǎng)曲面。其中格柵曲面適用于地勢(shì)平坦的平原地區(qū)，三角網(wǎng)曲面適用于地形復(fù)雜，地勢(shì)起伏大的山地丘陵區(qū)；第二，利用點(diǎn)文件創(chuàng)建。利用區(qū)域內(nèi)各個(gè)點(diǎn)的X、Y、Z 坐標(biāo)來(lái)創(chuàng)建地形曲面，但該方法所需要的數(shù)據(jù)量大，對(duì)計(jì)算機(jī)的性能要求高；第三，從已有電子地形圖創(chuàng)建曲面。該方法是最實(shí)用的地形曲面創(chuàng)建方法，設(shè)計(jì)人員可用Civil 3D 軟件的“ 轉(zhuǎn)換文本點(diǎn)” 或“ 地形點(diǎn)賦值” 命令，對(duì)高程點(diǎn)賦予高程信息，剔除粗差點(diǎn)后即可生成地形曲面。

2.2.2 地形曲面分析

互通立交的地形曲面建立后，對(duì)其進(jìn)行高程分析和流域分析。高程分析能直接反映地勢(shì)情況，全面掌握互通區(qū)域的地形信息，為主線和匝道線形設(shè)計(jì)提供依據(jù)。流域分析則主要用來(lái)判斷地形區(qū)域內(nèi)的地表徑流的方向、匯水面積大小。

2.3 平面線形設(shè)計(jì)

2.3.1 主線平面線形

在條件允許時(shí)，主線線形可盡量用較高的指標(biāo)，具體設(shè)計(jì)方法可采用交點(diǎn)法、積木法和單元法。

交點(diǎn)法是利用直線來(lái)確定互通立交主線的方向，圓曲線和緩和曲線在交點(diǎn)處僅起到過(guò)渡作用，其構(gòu)建的線形難以滿足復(fù)雜地形；積木法是基于“ 化整為零” 的思想，將互通立交主線的平面線形拆分成直線、圓曲線、緩和曲線三種要素，從路線起點(diǎn)以積木搭接的方式逐個(gè)單元計(jì)算，直到構(gòu)建一條連續(xù)完整的平面線形。使用積木法設(shè)計(jì)主線平面線形的最大問(wèn)題是累計(jì)誤差，即從路線起點(diǎn)到路線終點(diǎn)會(huì)不斷累積長(zhǎng)度誤差、角度誤差，且路線中的一個(gè)單元改變，其他單元的參數(shù)都會(huì)受到影響，不適用于較長(zhǎng)的路線設(shè)計(jì)；單元法是一種改進(jìn)的“ 積木法”，單元不是某個(gè)平面線形要素，而是多個(gè)要素的組合。

2.3.2 匝道平面線形

互通立交的匝道由行車道、分流連接點(diǎn)、合流連接點(diǎn)3 部分組成，采用單元法進(jìn)行平面線形設(shè)計(jì)效率更高。在開展平面線形設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮地形、地物、交通量等因素，保證匝道上行車的安全性和舒適性，需注意事項(xiàng)如下：在交通量較大的路段應(yīng)盡量選擇較大的線形指標(biāo)，反之亦然；在匝道的分流點(diǎn)和合流點(diǎn)容易出現(xiàn)交通事故，平面線形指標(biāo)要保證視距。

2.4 縱斷面線形設(shè)計(jì)

互通立交在開展縱斷面設(shè)計(jì)之前，要先基于地形曲面模型生成曲面縱斷面（地面線），以反映互通立交主線和匝道沿線的地形地勢(shì)起伏狀況。隨后建立設(shè)計(jì)縱斷面（道路中心線）。需注意，曲面縱斷面和設(shè)計(jì)縱斷面是相互關(guān)聯(lián)的，只要道路中心線設(shè)計(jì)指標(biāo)更改，其所對(duì)應(yīng)的地面線數(shù)據(jù)也隨之變化，便于設(shè)計(jì)人員隨時(shí)調(diào)整縱斷面線形，從而大幅提升了互通立交縱斷面設(shè)計(jì)效率。

2.5 橫斷面線形設(shè)計(jì)

Civil 3D 軟件設(shè)計(jì)互通立交橫斷面是利用裝配法，認(rèn)為路基橫斷面由行車道部件、邊坡部件、土路肩部件、邊溝部件等組成。

裝配橫斷面的每個(gè)部件都是由點(diǎn)（Point）、連接（Link）、造型（Shape）三個(gè)基本單元組成，點(diǎn)是部件的幾何節(jié)點(diǎn)，連接是點(diǎn)與點(diǎn)之間的連線，造型是多個(gè)連接圍成的閉合區(qū)域[5]。每個(gè)部件都可以由多個(gè)點(diǎn)、連接和造型構(gòu)成。在橫斷面組裝前，要先明確基準(zhǔn)線和基準(zhǔn)線點(diǎn)，前者位于路基中心線的法線方向，用于確定裝配方向，后者位于縱斷面設(shè)計(jì)線上，是裝配部件的初始位置。橫斷面應(yīng)分段裝配，裝配時(shí)要結(jié)合路基設(shè)計(jì)參數(shù)。

在互通立交主線和匝道的平面線形、縱斷面線形、橫斷面設(shè)計(jì)完成后，可利用Civil 3D 軟件中內(nèi)置的設(shè)計(jì)規(guī)范編輯器檢查各項(xiàng)指標(biāo)。如果設(shè)計(jì)值不滿足現(xiàn)行規(guī)范，需及時(shí)調(diào)整。

3 BIM 技術(shù)在互通立交中的其他應(yīng)用

3.1 碰撞檢測(cè)

利用BIM 技術(shù)中的碰撞檢測(cè)功能可將互通立交復(fù)雜構(gòu)建中的問(wèn)題提前暴露，比如防撞護(hù)欄偏差、橋梁支座墊石位置偏差、箱梁鋼筋和波紋管碰撞等，可以減少后期設(shè)計(jì)變更，以免延誤施工工期，也不利于工程造價(jià)控制[6]。目前，Navisworks 軟件中的碰撞檢測(cè)功能有“ 硬碰撞” 與“ 軟碰撞”，前者是指各構(gòu)件間的接觸碰撞，后者是指構(gòu)件間距小于規(guī)范而產(chǎn)生的碰撞點(diǎn)。在互通立交碰撞檢測(cè)時(shí)，一般是采用“ 軟碰撞” 的方案。

3.2 工程量統(tǒng)計(jì)

傳統(tǒng)的互通立交工程量在統(tǒng)計(jì)時(shí)以人工為主，統(tǒng)計(jì)誤差大、統(tǒng)計(jì)效率低。而利用BIM軟件的算量功能可快速、高效、準(zhǔn)確地查明構(gòu)件三維尺寸，自動(dòng)計(jì)算混凝土方量、土石方、邊坡防護(hù)面積、路面面積、橋梁樁基長(zhǎng)度等參數(shù)，并匯總成工程量統(tǒng)計(jì)表。

3.3 安全性評(píng)價(jià)

高速公路互通立交在運(yùn)營(yíng)期間，其車輛運(yùn)行速度與設(shè)計(jì)速度并不完全相同，故需要對(duì)互通立交的主線和匝道開展安全性評(píng)價(jià)。根據(jù)《公路項(xiàng)目安全性評(píng)價(jià)規(guī)范》（JTG B05—2015），可以運(yùn)行速度和設(shè)計(jì)速度差值Δv作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。Civil 3D 軟件為設(shè)計(jì)人員提供了二次開發(fā)接口，可利用VBA 編程語(yǔ)言建立互通立交運(yùn)行速度計(jì)算插件，設(shè)計(jì)思路見表1。

4 結(jié)論

該文研究BIM 技術(shù)的特點(diǎn)和建模方法等，并以某高速公路單喇叭互通為研究對(duì)象，探討了BIM 技術(shù)在互通立交工程中的具體應(yīng)用，得到了以下幾個(gè)結(jié)論：

（1）BIM 技術(shù)是一種新型互通立交設(shè)計(jì)理念，具有可視化程度高、協(xié)同性好、可模擬性等優(yōu)勢(shì)，可借助Autodesk 平臺(tái)的Civil 3D 軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（2）利用Civil 3D 軟件建立地形曲面是互通立交設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，隨后才能對(duì)平面線形和縱斷面線形開展設(shè)計(jì)。

（3）互通立交橫斷面可采用裝配法設(shè)計(jì)，明確基準(zhǔn)線和基準(zhǔn)線點(diǎn)后分段裝配。

（4）為了提升高速公路互通立交設(shè)計(jì)的安全性、經(jīng)濟(jì)性、合理性，可利用Civil 3D 軟件實(shí)現(xiàn)碰撞檢測(cè)、安全性評(píng)價(jià)、工程量統(tǒng)計(jì)等功能。

參考文獻(xiàn)

[1] 魏崗， 閆會(huì)剛. BIM 技術(shù)在互通橋梁施工中的深化應(yīng)用研究[J]. 建筑機(jī)械化， 2023（5）： 79-81.

[2] 王凱. BIM 參數(shù)化建模技術(shù)在互通立交橋工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 四川水泥， 2022（12）： 254-256.

[3] 劉麗芬， 高遠(yuǎn). BIM+ 傾斜攝影融合技術(shù)在半地下互通立交設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 天津建設(shè)科技， 2022（5）： 20-22.

[4] 聶偉， 郭峰， 李婷， 等. 基于自動(dòng)建模的BIM 正向設(shè)計(jì)在互通立交橋中的應(yīng)用研究[J]. 湖南交通科技， 2022（1）：105-111.

[5] 馬文安， 馮春萌， 孫輝， 等. BIM 技術(shù)在樞紐互通立交中的應(yīng)用[J]. 公路， 2022（2）： 206-211.

[6] 程焰兵. BIM 技術(shù)在互通立交設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 中外公路， 2021（3）： 376-379.