BIM技術在高速公路互通立交規劃設計中的應用

摘要 傳統的高速公路互通立交規劃設計往往只考慮單個互通立交的設計，導致高速公路實際施工時進度緩慢，為此，文章研究了BIM技術在高速公路互通立交規劃設計中的應用。首先選擇高速公路互通立交設計指標，利用選擇的指標實施現場航測，再根據現場航測反饋的數據開展可視化三維設計，接著進行基于BIM技術的工程量統計，最后校核整個高速公路互通立交規劃設計。實驗結果表明：與GIS技術和數值模擬技術在高速公路互通立交規劃設計應用中，BIM技術的應用可以顯著提高工程進度和整體效益，具有實際的應用價值。

關鍵詞 BIM技術；高速公路；互通立交規劃；互通立交

中圖分類號 K928.4 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）04-0050-03

0 引言

隨著科技的迅速進步，各種技術在工程建設領域的應用日益廣泛。其中GIS技術可以提供高速公路互通立交周邊的地形、地貌、水文等地理信息，有助于項目團隊進行方案設計和評估。但數據獲取需要大量的地理信息數據，而這些數據的獲取往往受到一些限制。數值模擬技術可以對高速公路互通立交的結構設計進行優化，提高結構的強度和穩定性，但需要高性能的計算機和相關的軟件，成本較高。為此，該文研究BIM技術在高速公路互通立交規劃設計中的應用，旨在揭示其如何提高設計效率和質量，降低工程成本和風險，并為實現綠色可持續發展提供支持。通過可持續發展的理念和技術應用，可以實現工程建設與環境保護的和諧共生。

1 BIM技術在高速公路互通立交規劃設計中的應用

1.1 高速公路互通立交設計指標選擇

1.1.1 視距設計

由于行車視線受到縱、橫斷面等多種因素的影響，所以需要對高速公路進行立體視距分析，以便發現視線不符合要求的路段并進行優化設計^[1]。

針對高速公路互通立交，由于該路段有中間分區，匝道上沒有對向車輛，所以在高速公路上，停車視距通常都是要檢查的。停車觀察距離應該符合規定（見表1）。

停車視距是指司機在發現前方障礙物后，為達到安全停車的目的需要行駛的距離。這個距離包括兩部分：一是司機發現障礙物到停車制動所需要的距離，二是為了確保安全而額外添加的5～10 m距離。在實際應用中，停車視距需要大于規定的取值以確保安全，計算公式如下：

式中，S_c——車輛在互通立交處安全停車所需的距離；v——車輛最佳行駛速度（km/h）；t——駕駛員響應時間（s）；g——重力常數（m/s²）；f——路面摩擦系數，受路面結構和車輛輪胎等多種因素影響。

1.1.2 平面和縱斷面線形標準

（1）平曲線半徑：設計高速公路互通立交匝道圓弧半徑應綜合考慮多方面的因素，包括用地、規模和工程造價等，同時要與行車速度和超高橫坡舒適性相匹配，需滿足如下公式：

式中，R——山區互通立交匝道換面半徑的計算公式；V——以km/h為單位的理想行駛速度；u——路面與輪胎之間的側向作用力，以無量綱形式表示；i——縱坡度^[2]。根據式（2），當坡道的設計速度恒定時，超高橫坡和側向力系數決定圓曲線的最小半徑。

（2）縱坡度：在高速公路互通立交規劃設計中，縱斷面線形指標對于確保行車安全和舒適度至關重要。其中一個常用的縱斷面線形指標是縱坡度i，它表示道路中心線的縱向傾斜程度。縱坡度i的計算公式如下：

式中，h——縱斷面上任意兩點的垂直高差（m）；L——該兩點間的水平距離（m）。在高速公路互通立交規劃設計中，主要考慮合理的縱坡度和變坡點位置，以實現安全、舒適、經濟和環保的設計目標。根據不同的設計標準和規范，縱坡度i的取值范圍也會有所不同。

1.2 現場航測

為了保證無人機在航測過程中能正常發揮作用，必須事先勘察工程場地，根據上述指標，開展現場航測工作^[3]：

（1）確定禁飛區域：在了解現場環境之后，需要確定是否存在禁飛區域。

（2）選擇合適的起飛位置：選擇一個合適的起飛位置可以確保無人機的安全飛行。這個位置應該遠離可能干擾無人機的物體，并且能夠使無人機在飛行過程中保持視線良好。

（3）考慮天氣條件：在選擇飛行日期之前，需要關注天氣預報并選擇適合無人機的天氣條件。惡劣的天氣條件，如強風、雷暴、雨雪等，可能會對無人機的飛行產生不利影響，因此需要避免在這些天氣條件下進行航測。

（4）做好飛行前的準備：在執行航測任務之前，檢查無人機的電池壽命、校準無人機的GPS系統、檢查攝像設備和傳感器等，做好充分的準備工作。

值得注意的是，該文還根據高速公路互通立交工程的具體情況，對測量工程進行區塊劃分^[4]。將航測項目分為尺寸約為1 000 m×1 200 m的2個區塊。針對工程建設中存在的橋梁墩柱、路基擋墻等建筑物或構筑物，通過對航攝角度進行調整，使航攝角度達到最大程度，為航空攝影設定攝像機的傾斜角α=55 °，航線重合率H=75%，旁向重疊率S=75%。綜上所述，結合高速公路互通立交工程實際，對飛行區域、相機傾角、航向重疊率、側向重疊率等參數進行了合理規劃，并在需要的時候補充拍攝，確保各區域全部測量完畢。

1.3 可視化三維設計

通過航測獲得的高速公路互通立交數據，進行基于BIM技術的高速公路互通立交規劃可視化三維設計，將設計方案以更加直觀的方式呈現出來，具體如圖1所示。

可視化三維設計主要涉及以下步驟：

（1）建立三維模型：利用BIM軟件，根據設計圖紙以及導入地形數據、道路線形數據和其他相關數據來建立高速公路互通立交的三維模型。

（2）渲染與可視化：通過調整模型的角度、光照和顏色等參數，將三維模型渲染成具有真實感的圖像。可視化效果可以通過計算視覺指標如視角、視距、視高、色彩等來評估。其中視角θ是指觀察者與被觀察物體之間的夾角，可以用以下公式計算：

θ=arctan（h/L） （4）

而視高h′是指被觀察物體在觀察者眼中的高度，可以用以下公式計算：

（3）動畫模擬：通過計算車輛行駛軌跡、速度、交通量等參數來進行動畫模擬，展示高速公路互通立交在不同交通流量和速度條件下的運行情況^[5]。

1.4 基于BIM技術的工程量統計

接著通過可視化三維圖提供的數據進行批量布置、建模，再比對施工圖紙，檢查是否有結構標高沖突、坐標偏差、設計參數矛盾等問題^[6]。還可通過BIM技術查詢各結構的體積及鋼筋數量，進一步對數量進行復核，以便排除圖紙的差、錯、漏、碰問題，及時將發現的問題納入圖紙會審問題庫進行上報修正。

但值得注意的是，三維模型中難以自動獲取模型和構件的部分屬性數量，例如不同直徑的鋼筋用量、小型零配件和預埋件的材料用量等。設計師仍然需要手動輸入這一部分的屬性，完成表格的填充、編輯^[7]。在將組件的全部屬性輸入到BIM模型中后，按照組件分項劃分、組件分類以及每一個組件的不同材料用量等屬性信息，自動生成一個標準化的列表，以實現工程量的自動統計。

1.5 設計校核

最后利用BIM技術進行設計圖紙校核以檢驗高速公路互通立交規劃設計的完整性和規范性。

首先在BIM模型中添加相應的參數，包括工程量、工程造價等數據。利用BIM技術的碰撞檢測功能，對設計圖紙進行復核。碰撞檢測可以發現圖紙中可能存在的沖突和問題，如空間布局不合理、管線碰撞等。接著利用BIM技術的數據統計和分析功能，統計和分析設計圖紙中的數據和信息^[8]。在審核和調整過程中，需要注意保持BIM模型與設計圖紙以及高速公路設計規范的一致性和準確性。公路互通式立交在大城市和重要工業園區附近的平均間距建議為5～10 km，其他地區宜為15～25 km。公路互通式立交間距示意圖如圖2所示。

最后將最終復核結果輸出為相應的文件和報告，包括工程量統計表、工程造價清單、施工進度模擬圖等。為后續的施工和管理提供參考。綜上所述，利用BIM技術完成設計圖紙的校核。

2 實驗

2.1 實驗準備

以某市高速公路互通立交為例，該高速公路互通立交位于禾馱鎮東側，與G316線相接。從車流的流向和立交區域的地形地貌出發，立交設計為梨形立交，主要跨越于該工程的申都樞紐16.385 km處。G316線全線為一級公路，路基寬度7.5 m，雙向車道，設計時速40 km/h。平面圖如圖3所示。

互通立交主要技術指標及工程規模如表2所示。

2.2 實驗結果與分析

為了驗證BIM技術在高速公路互通立交規劃設計中的應用效果，以工程施工周期為指標，將BIM技術、GIS技術和數值模擬技術對高速公路互通立交施工周期進行對比，這三種技術對工程進度影響結果如表3所示。

通過以上實驗表格可以看出，BIM技術在高速公路互通立交規劃設計中對施工周期的影響最為顯著。BIM技術可優化設計方案，減少返工和變更，從而顯著縮短施工周期。相比之下，GIS技術和數值模擬技術在工程施工周期方面的影響相對較小。因此，在高速公路互通立交規劃設計中，BIM技術的應用可以顯著提高工程進度和整體效益。

3 結束語

基于BIM技術的高速公路互通立交規劃設計具有顯著的優勢，通過引入BIM技術，可以提高設計效率和質量，降低工程成本和風險，并為實現綠色可持續發展提供支持。然而，目前基于BIM技術的高速公路互通立交規劃設計應用還存在一些問題，如數據交換標準不統一、協同設計難度大等。未來需要進一步研究和探索基于BIM技術的高速公路互通立交規劃設計的最佳實踐方式和技術創新方向。

參考文獻

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收稿日期：2023-12-05

作者簡介：焦秦州（1988—），男，本科，工程師，研究方向：道路工程。