基于BIM技術的道路三維聯動設計方法探究

摘" 要：鑒于傳統輔助工具在市政快速道路規劃與擴展設計中存在的局限性，引入基于BIM（Building Information Modeling）技術的創新方法，特別是在設計初期階段，結合Bentley軟件和MicroStation平臺的綜合功能，尤其適用于構建大規模基礎設施三維模型。通過集成化流程，能夠在三維空間中利用BIM模型實現市政快速道路的正向設計，顯著提升設計效率與精準度。該文通過實證分析我國北方某市政快速道路設計工程實例，證實BIM技術在三維建模領域的應用可顯著提升設計階段的工程品質與效能，該技術不但有助于預先識別并解決設計過程中的碰撞沖突，還能避免不必要的資源和人力損耗。

關鍵詞：BIM技術；市政道路；三維聯動；正向設計；實證分析

中圖分類號：U412.37" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）08-0146-04

Abstract： In view of the limitations of traditional auxiliary tools in municipal expressway planning and extended design， innovative methods based on BIM （Building Information Modeling） technology are introduced， especially in the early stage of design， combined with the comprehensive functions of Bentley software and MicroStation platform， especially suitable for building large-scale three-dimensional models of infrastructure. Through the integrated process， BIM models can be used to achieve forward design of municipal expressways in three-dimensional space， significantly improving design efficiency and accuracy. This paper analyzes an example of a municipal expressway design project in northern China through empirical analysis， confirming that the application of BIM technology in the field of 3D modeling can significantly improve the engineering quality and efficiency during the design stage. This technology not only helps to identify and resolve collisions in advance during the design process， but also avoids unnecessary resource and labor losses.

Keywords： BIM technology; municipal roads; three-dimensional linkage; forward design; empirical analysis

市政快速道路作為確保城市交通流暢的關鍵組成部分，其設計特性在于不配置常規紅綠交通信號燈，能夠顯著提升車輛通行速率并降低因等待信號燈而產生的延誤時間，該獨特的決策規劃賦予市政快速道路在城市中的最高級別道路地位，通過此配置可有效優化城市交通運行效率，對于緩解城市交通擁堵具有顯著作用。輔助設計軟件的運用是推動城市化道路迅速發展的關鍵因素，我國大多數快速道路的設計主要依托于CAD（計算機輔助設計）軟件，該傳統軟件一定程度上會限制設計范圍，使得諸多環境影響因素難以納入考量，設計人員的經驗與創新思路往往無法通過該軟件完全實現，上述局限性可能導致設計規劃與實際施工階段出現偏差，進而引發交叉路口的交通擁堵問題，該狀況不僅會導致材料、設備和人力等資源的無效消耗，而且無法有效改善城市交通狀況，甚至可能加劇交通擁堵，對城市的整體交通流暢性構成威脅。鑒于此，有必要優化設計思路，集成BIM等創新策略來應對現有挑戰[1]。

1" 工程概況

我國北方地區某城市核心區域的道路路網布局密集，存在各類管線交織的狀況，迫切需要實施市政基礎設施的改造升級來提升管理效能，該項目遵循城市主干路與輔助路的建設準則進行規劃與設計，其設計范疇涉及橋梁建構、交通布局、道路網絡、綜合管線廊道、環境綠化和相關輔助設施等多個關鍵環節。快速道路的總長度為39.5 km，主要道路設定通行速度為100 km/h，采用雙線六車道設計，輔助道路設定通行速度為60 km/h，采用雙線四車道設計，橋梁路段設定通行速度為60 km/h，同樣設為雙線六車道，總計設置5座互通式立交橋與6處分離式立交橋。為了實現工程項目目標，采用BIM技術進行前瞻性綜合設計，確保施工標準與品質來提升施工效率。

2" BIM快速道路建模

將快速道路建設任務分解為地質模型建立、路線布局、道路工程設計、橋梁及互通式立交結構、管線廊道體系和附屬設施等部分，并運用BIM技術對各個組成部分進行三維建模與設計，借助Bentley的ProjectWise協作平臺與工程項目信息管理系統集成應用，實現多專業間的高效協同工作與信息共享。管理界面能夠支持項目管理者實施設計指令，設定設計成員的角色與職責并定義對應操作權限，同時提供功能來即時監控開發進程和評估設計方案，確保多領域合作順暢，促進即時信息交流，以此增強生產效能并有效識別設計階段潛在問題。

2.1" 地質模型建立

快速道路的網絡密度高且周邊環境復雜，目前地質勘查信息多以文件形式存在，并以二維圖樣為主，在與BIM軟件的整合過程中會遇到數據不一致和信息傳遞障礙等問題。通過應用OpenRoads Designer（ORD）平臺配套的gINT工程解決方案，可以將地質勘查成果的數據集成為三維模型，以此輔助道路工程設計。該過程不僅包括將地質信息融入模型來支撐道路結構的設計工作，還能夠對地質數據進行有效組織并生成報告，從而確保在項目啟動階段擁有詳盡基礎數據支持。

2.2" 主路一號路段路線及縱截面設計

在考慮周邊環境和未來的拓展需求后，城市主干道設計采納主路與輔路并行的模式。主線鋪設為雙向六車道的路面，某些路段通過設置雙向四車道的高架橋來優化，同時，輔助道路規劃為雙向六車道布局。通過ContextCapture系統構建真實場景的三維模型，以1∶1 000的比例精確復原，采用無人機傾斜攝影測量法，在模型上布置58個高分辨率的無人機拍攝點位，這些點位用于全面展現道路表面及其周邊環境的視角特征與道路的地理布局，對該程序導入我國道路建設標準，運用節點方法來進行道路縱截面及橫截面規劃，完成特定區段的BIM模型制作，生成精確的軸線來展現道路的地理分布、路面狀態和高程數據。

2.3" 主路一號路段標準橫截面設計

在完成縱截面設計之后，構建分層的路基橫截面模型，并依據實際情況對路基進行合理劃分。基于主路一號段的路線長度，設計其橫截面三維模型，以便確保設計的工程量精確無誤和施工流程的高效性與可行性。借助BIM軟件，不僅能夠精確統計道路路廊在施工過程中的材料使用情況，還能生成詳盡物料明細報表，為工程管理提供高效數據支撐。在市政快速道路整體規劃與建設中，路口的設計環節尤為重要，直接影響著整個道路網絡的交通流通狀況。路口的結構連接與高程寬度理論上應實現無縫連接，但在實際操作中，達到這一標準往往較為困難，因此通常需要進行后期的修正工作，并允許存在一定的誤差范圍，以上調整可以通過自定義的工程單元在特定的時間框架內進行優化與實施。在一號路段的交叉路口設計中，為了確保主路與輔路之間實現平面交叉，通過軟件選定所需的路口形式，能夠將主路的縱截面精確映射到輔路上，如圖1所示。此過程能夠對過渡區的方向進行靈活調整，并自動構建出所需交叉路口的結構，實現高效和安全的道路交匯[2]。

通過重新規劃路口布局并自動化生成優化后的路口設計后，應將其整合并保存為可復用的組件模板。在構建快速道路網絡時，重復的交叉點可通過復用組件模板實現，以此免去三重設計與建模步驟，顯著提升設計流程的效率。

2.4" 綜合管廊設計

在規劃管廊時，應全面考慮現有道路狀況，確保管廊建設既不干擾正常的交通流動，也不對周邊的建筑或設施構成威脅。同時，需合理安排市政管線的走向與布局，避免在施工過程中對既有管線系統造成損害而阻礙其正常運行。依據周邊樓宇的排列狀態，選取適當方位來繞過建筑物的基礎結構，設置地點選定于南面的人行道與非機動車道下方，來減小挖掘及施工活動對鄰近的道路與建筑物的干擾。在特定的樁號路段中，依據地質特性和環境因素，實施適宜的永久性支撐策略來進行挖掘，而對于無特殊限制的區域，可采取斜坡挖掘法。將由無人機攝影采集的廊道路段三維真實場景數據輸入至ORD工具，采用精細繪圖技術繪制出平面線路與縱剖面，并在此基礎上設定坐標系，計量填筑與開挖工程。借助BIM技術與三維地貌模型融合，能實現自動的坡度布置，并自動生成所需參數。在構建管道走廊的模型階段，采用橫截面模板庫的方法，依據模板的特性來對管道走廊中非關鍵連接點的部分進行建模操作，在進行線性建模之后，依據平縱橫的測量數據構建管廊斷面的三維模型。

在構建AECOsim Building Designer（ABD）節點模型環節，借助ABD工具，針對管道走廊的布局，精心設計并構建各個節點的三維模型。嚴格遵照消防法規與標準，沿著管道走廊的路徑布置防火區域的通風孔，并預留緊急情況下供人員疏散的安全出口。考慮到周邊環境因素，確保在消防出口外規劃有用于緊急疏散及日常通行的行人通道，其間距應嚴格控制在300 m以內。建筑布局呈現雙層結構，底層設在地下，頂層建在地面以上，2層間高差約8.6 m，總面積規劃為900 m2，確保每處管廊吊裝口之間的距離均不超過500 m，建筑物的入口共有8個，其間距設定為60 m，確保人員能夠順利疏散。在一樓的建筑空間內，布置管廊內的設備設施和監控中心，通過精確的坐標圖繪制與管廊模型的結合使用，為機電工程提供詳細的布局規劃指導。地下一層規劃為輔助設施區域并供管理人員出入，通過整合實際環境因素和專業人員的經驗知識，運用AECOsim軟件構建管道與支撐結構的三維實體模型，如圖2所示。

在完成綜合管廊三維模型的整合后，將設計好的三維模型導入到ORD軟件內，作為后續管廊設計工作的基礎平臺。整理起始點的里程編號并按序列組織，指定圖層的表現形式和選用材料，以便能夠按個性化設定通道模板構建新的組件，保證后續執行模型構建工作的便利性，優化三維線性結構，個性化設定并整合特性場景。基于所規劃的廊道生成工程物料清單，整合安置節點、工程所需材料及類型標識、誤差標記點和設計選用的材料形式等關鍵數據元素。將三維模型細分為獨立的組件單元，提取并輸出典型橫截面、入口、結構接點、出口和線路出口等模型組件，進一步將其解析為不同類型的圖表。通過匯總這些圖表，全面計算并歸納支撐結構的數量與布局策略[3]。

2.5" 橋梁立交模型設計

依據OBM參數化方法，構建橋梁的參數化構件庫，橋梁的設計主要集中在互通式立交區，其結構形態多樣，大體分為上下2層，上層采用鋼混凝土組合梁的構建方式，包括鋼箱梁等復合結構，下層以復雜的花瓶型墩作為支撐結構。實施高架橋梁建設時，通常會引發顯著的交通干擾，鑒于此，應采取標準化跨徑設計并提前進行梁體預制，以便提高構件的質量與效率，同時減少現場施工對既有道路的干擾，確保交通流的相對順暢。由于道路兩旁密集的建筑物限制大型橋梁的整體遷移，采取模塊化組裝的方法，能有效克服上述挑戰，借助OBM軟件，設計參數能夠被有效轉化為與橋梁相關的詳細報告。利用OBM工具對橋梁特定區域實施三維構造，配置相應的設定值，在此平臺上模擬建造鋼結構橋梁、懸臂式橋梁和鋼筋混凝土橋梁，個性化設定參數的限制條件以構建模型，從而生成具備可調整寬度與高度屬性的橋梁模型。迅速搭建連續梁與簡支梁結構，并將橋梁設計參數整合到DGN模型，促進數據流通與項目交接的便捷性。在橋梁的上部結構實施解耦構建策略時，沿橋梁全長合理規劃并布置墩臺與欄桿橋墩等關鍵組件的位置，確保各部件能夠精確組合，進而組建成完整的三維橋梁立體模型[4]。

2.6" 附屬設施設計

橋梁、主干道、支路和管廊等工程完成后，應構建橫截面模板庫，該庫包含道路與橋梁模板和管廊模板等元素。正面規劃的輔助構造包括橋柱、防護欄、行人坡道、指示燈、標識板、橋端和照明柱等元素，通過分析切片立方體模型來審查其內部與橫截面特征。在交通網絡密集和運輸活動頻繁的區域，道路設計工作不僅要注重提升道路的運輸效能，降低設計階段的潛在問題，還應高效規劃確保道路系統具備未來優化與持續發展的潛力。基于當前的三維建模框架，可以前瞻性運用虛擬現實技術來仿真場景，構建周邊環境的視覺效果，還能融入持續發展的路徑設計與景觀元素。模型將以OBJ或FBX格式輸出，繼而導入到LumenRT平臺中，用戶能夠精細調整環境的光照強度和模擬車輛的動態行為，并對材質進行細致渲染，從而實現全面而真實的場景再現。綠化區域規劃展示栽種各類綠化植被，通過將開花植物與色彩多變植物交錯布局，實現全年均能欣賞到美景的目標。通過將城市獨特性與人文歷史元素融合，不僅能夠有效傳播城市獨特文化特質，還能夠促進城市生態綠化進程，顯著提升城市的美觀度與文化內涵，從而達到獲取最佳設計策略的目標。

3" BIM正向設計應用

在構建城市快速道路時，需要綜合考慮多個專業領域，利用BIM軟件進行正向設計，從項目初始階段即整合各專業需求，以便在設計完成前發現并修正潛在問題。然而，由于設計人員的經驗有限和城市規劃的不確定性，即便使用BIM技術，模型最終仍可能包含缺陷或需要進一步的模擬驗證。在處理大規模模型的仿真與驗證過程中，由于計算資源的高消耗，系統可能會因負載過重而導致程序意外終止或性能顯著下降。為解決這一問題，一種有效策略是將三維模型按專業領域分解為若干個獨立部分，每個部分由相關專業團隊負責最終的審查與優化工作，這樣不僅能夠合理分配計算資源，提高整體效率，還能確保專業團隊深入理解其負責區域的細節，從而提升模型的準確性和專業性。將集成模型以iModel格式發布，此操作支持模型的分解與重組，且便于在不同BIM軟件間進行數據交換與格式轉換。通過該過程，項目各方（業主與承包商）能夠在審查階段提前獲取模型，進而推動后續設計工作與實際應用的開展。i-Model架構支持單一或多重文檔組合打包壓縮，通過定制化地設定臨時有效時間、施加編輯限制和分配使用權等策略配置，來確保信息的安全與權限管理。

在設計審核過程中，采用Navigator軟件進行操作，通過生成模型動畫并實施漫游功能，實現動態碰撞檢測，確保設施在特定路徑線上的凈空安全。在不同的軟件平臺上發布的i-Model模型，通過實施靜態碰撞檢查技術實現集成與融合。在此過程中，一旦檢測到碰撞事件，系統將即時突出顯示碰撞點，同時統計碰撞事件的數量。設計團隊能夠基于所獲得的動態和靜態碰撞檢查反饋，對模型進行必要的修正與優化。通過設計人員的調整修改，將BIM模型轉化為遵循我國標準的二維圖紙及相應二維設計成果[5]。

4" 結束語

本文以我國北方某城市的市政快速道路設計項目為案例，采用BIM技術構建三維快速道路的虛擬模型。此項目中，針對快速道路建設過程中涵蓋的多個專業領域，包括地質勘察、立交橋構建、道路鋪設、景觀規劃和地下管廊設置，分別創建相應的三維模型，通過實施動態與靜態碰撞檢測，能夠及時識別并定位設計中存在的沖突或不兼容之處，設計人員基于檢測結果進行即時修正，從而有效避免后期可能出現的重復施工問題，顯著提升工程項目的效率與質量。然而，在當前的BIM技術應用領域，本土開發的軟件工具往往難以承擔部分核心設計職責，這一局限性預示未來的研究方向應聚焦于三維測繪等技術的應用，通過快速構建全面的道路體系數據庫，加速設計流程并促進設計標準化，進而顯著提升正向設計的工作效能。

參考文獻：

[1] 李德旭，喬文靖，王元戎，等.基于三維協同的公路工程BIM正向設計研究[J].科技通報，2024，40（7）：8-14.

[2] 唐洪軍，孫軍星.BIM技術在道路工程設計中的應用研究[J].工程技術研究，2024，9（10）：191-193.

[3] 劉建瑞.基于BIM技術的市政道路施工過程的協同管理研究[J].中國住宅設施，2024（4）：79-81.

[4] 范文曉，喬東閣，鄧雲汀.基于Revit+Dynamo建立道路三維空間曲線及精度評價研究[J].智能建筑與智慧城市，2024（2）：82-84.

[5] 雷運良.市政道路工程BIM正向設計應用研究[J].西部交通科技，2023（4）：198-202.