BIM輔助市政道路工程交互設計及協同管理應用

摘 要：文章將深入探討交互式設計在道路工程空間布局精細化和跨專業協作管理中的關鍵作用，研究基于交互設計的道路工程創新設計理念及其理論實踐，同時融合當前廣泛應用的BIM、VR等技術，搭建協同設計平臺，并通過選取具體工程案例，運用該理論框架與操作流程進行設計實踐，研究發現，該理論方法在提升道路工程多專業集成輔助設計的精確度、方案的科學性和協作的協調性方面均能產生顯著成效。

關鍵詞：BIM技術 市政道路工程 交互設計 協同管理

當前BIM在市政工程領域應用多集中于單體建筑，對道路工程全生命周期協同管理缺乏標準化流程與平臺支撐。為此，研究構建以BIM為核心的市政道路三維設計協同體系：首先建立涵蓋地形勘測、線形設計、結構建模的集成化三維設計流程；其次研發基于B/S架構的協同管理平臺，突破多專業數據交互瓶頸；最后通過典型市政道路工程實例，實證BIM技術在地形土方平衡計算等環節的應用價值。研究創新體現在三維設計流程的標準化重構、BIM+GIS雙引擎平臺架構設計以及全要素虛擬仿真技術集成，為智慧市政建設提供技術借鑒和參考。

1 道路三維設計流程體系

無人機傾斜攝影技術的快速發展，為現代道路工程的三維設計提供有力支持（如圖1）。

該技術在獲取載有GPS定位信息的影像數據后，首先通過對影像信息進行空間三角測量、幾何校正及聯合平差等處理，生成高精度的地形模型。這些處理步驟確保了數據的基礎準確性，為后續的工程設計奠定了堅實基礎。在處理過程中，通過創建DTM（數字地形模型）地形曲面，可以詳細表現道路周邊地表及景觀特征，實現逆向建模的目標。此階段的成果不僅用于路網設計，還提供了詳細的地形分析資料，有助于評估地形條件對道路建設的影響[1]。

道路三維設計的核心在于平行線路布置和縱斷面拉坡設計。設計師通過優化線路布置，結合創建橫斷面裝配的技術手段，生成符合工程需求的三維道路模型。該模型不僅具備視覺表現功能，還能進行后端分析，包括計算土方工程量和生成土方計算報告，確保設計方案的合理性和可行性。在三維設計過程中，通過創建平立剖面圖，可以更加直觀地展示設計方案，便于施工人員理解和實施[2]。此外，利用VR（虛擬現實）及渲染漫游技術，設計師可以在虛擬環境中模擬道路建設效果，提前發現潛在問題并作出調整，大幅提升了設計的精準度和效率。

最終，輸出道路三維模型，不僅為工程決策提供有力支持，也為后續的施工監理和運營管理提供便利。整個三維設計流程體系，通過無人機傾斜攝影技術、高精度數據處理及虛擬現實模擬，實現道路設計的精細化、可視化和智能化，極大地提高工程建設的效率和質量。

2 協同管理系統平臺架構設計

在當今市政道路工程中，BIM（Building Information Modeling）技術的應用日益廣泛，其強大的交互設計及協同管理功能極大地提高了項目的效率和質量。文章將重點闡述基于BIM的協同管理系統平臺架構設計，探討其在實際工程中的應用及優勢。

BIM協同管理系統平臺的核心是Project Wise系統。該系統通過Web Connection服務器和Integration服務器與SQL Server數據庫實現數據整合與管理。Web Connection服務器為業主、施工方、供應商及監理方提供了一個統一的交互平臺，使得各方能夠實時訪問、更新和共享項目信息。Integration服務器則負責將不同系統間的數據進行整合，確保信息的無縫對接[3]。

（1）在數據傳輸方面，系統采用多層網絡結構，包括廣域網（WAN）和局域網（LAN）。業主和施工方通過廣域網進行遠程連接，而供應商和監理方則在局域網范圍內進行內部連接。這種多層網絡結構不僅保證數據傳輸的穩定性和安全性，還提高系統的響應速度和可靠性。

（2）Caching服務器在系統中起到緩存數據、提高訪問速度的作用。通過與SQL Server數據庫的連接，Caching服務器能夠快速響應用戶的查詢請求，減少數據庫的負載，提高系統的整體性能。

（3）在功能實現方面，BIM協同管理系統平臺提供文檔管理、協同管理、資料互提、設計校審、辦公自動化、合同管理和人事管理等多種功能模塊。這些功能模塊相互協作，形成一個完整的協同管理系統，滿足市政道路工程中各方的工作需求。

3 工程實例分析

3.1 工程背景

某市新城區規劃建設一條雙向六車道的城市主干道，道路全長5.3km，設計車速60km/h，紅線寬度50m，包含中央分隔帶、非機動車道及人行道。項目需穿越復雜地形區域，涉及填挖方量約120萬m3，地下管線種類涵蓋給水、雨水、污水、電力及通信等五大類，需與周邊商業區、居住區及交通樞紐銜接。工程實施面臨地形高差大、管線交叉復雜、交通組織協調難度高等挑戰，傳統二維設計難以滿足精細化施工需求，故采用BIM技術進行全流程三維協同設計與仿真優化。

3.2 案例應用

3.2.1 分析三維地形與填挖方量

基于多旋翼無人機（大疆M300 RTK）搭載五鏡頭傾斜攝影相機（2000萬像素）與激光雷達（RIEGL VUX-1LR，點密度≥500點/m2）開展項目區域三維地形數據采集，通過預設飛行航線（航高120米、旁向重疊率80%、航向重疊率85%）獲取分辨率為3cm的傾斜影像及激光點云數據，經點云去噪、植被分類及地面濾波處理后，提取有效地形點云1.2億個。

在Autodesk Civil 3D平臺中，利用三角網法構建格網尺寸1m×1m的高精度數字高程模型（DEM），通過等高線分析識別出場地西北側存在最大高差27.3m的陡坡區域（坐標X：356245，Y：478512），并標注3處潛在滑坡風險點。結合道路縱斷面設計參數（設計高程、橫坡率2%），系統基于DTM體積曲面法自動劃分樁號段（每20米一個斷面），計算各樁號填挖方量及運距優化方案，生成包含土方類型（普通土、巖石）、壓實系數（0.92-0.95）及調配方向的動態平衡表，如表1。

結果顯示，總填方量65.2萬m3，挖方量54.8萬m3，土方平衡率達89.6%，減少外運土方成本約12%。通過可視化分析，優化邊坡坡率與擋土墻位置，降低地質災害風險。

?3.2.2 道路主體設計?

基于BIM參數化建模技術，項目團隊依據《城市道路工程設計規范》（CJJ37-2012）構建了包含行車道、路緣石、中央分隔帶、綠化帶及人行道等12類標準化橫斷面組件的參數化裝配庫，通過設定道路等級、設計車速（60km/h）、路基寬度（50m）等核心參數，實現橫斷面要素的自動匹配與動態調整。在平面線形設計中，利用Civil 3D的“設計速度一平曲線半徑”關聯算法，將最小平曲線半徑從規范要求的300米優化至450米，并結合縱斷面設計模塊對最大縱坡（3.5%）和豎曲線長度進行多方案比選，最終使停車視距從75米提升至92米，行車舒適性指標（如橫向力系數）降低15%。

針對K2+150～K3+000段復雜交叉口區域，采用InfraWorks搭建交通仿真模型，輸入早晚高峰時段交通流量數據（標準車流量4500pcu/h），模擬不同車道拓寬方案（由原3車道增至4車道）與信號燈相位配時組合，結果顯示通行能力提升23%、平均延誤減少18秒。此外，通過BIM模型與MIDAS Civil的結構計算接口，對跨河橋梁（跨度35m）及箱涵（尺寸4m×3m）進行聯合受力分析，采用荷載組合（恒載+活載+溫度效應）驗算結構應力與變形，發現原設計鋼筋配筋率不足問題，優化后減少混凝土用量8%，避免施工階段返工3次，縮短工期15天，節約成本約120萬元。

?3.2.3 管網設施設計?

在管網設計中，基于Revit平臺建立給水（球墨鑄鐵管DN300）、雨水（鋼筋混凝土管DN800～DN1000）、污水（HDPE雙壁波紋管DN500）及電力通信管線（PVC管φ110）的三維參數化模型，通過Navisworks的Clash Detective模塊進行全專業碰撞檢測，設置碰撞規則（最小凈距0.3m）后識別出17處高程沖突，其中6處為雨水管與電力管交叉矛盾，經調整管位高程（最大降深0.8m）后誤差控制在±0.05m以內。利用StormCAD水力計算模塊模擬50年一遇暴雨強度（降雨量125mm/h），對雨水管網進行動態流量分析，發現K1+200段管道滿流率為98%，通過將管徑從DN800升級至DN1000并增設檢查井（間距40m），使排水能力達標率從82%提升至100%。

電力與通信管線采用預制拼裝式綜合管廊（斷面尺寸2.5m×2.0m），基于BIM模型導出管節加工圖（精度±2mm），工廠預制率提升至85%，現場采用激光定位儀輔助安裝，拼裝誤差率低于1%，施工效率提高30%，減少現場焊接作業量60%。此外，通過BIM協同平臺實現管線屬性信息（如材質、埋深、防腐等級）的自動關聯與施工進度模擬，使管線隱蔽工程驗收一次通過率從75%提高至95%。

3.3 道路虛擬仿真場景設計?

依托BIM精細化模型（LOD400精度）與UE5引擎的Nanite虛擬化幾何系統，構建覆蓋全路段（5.3km）的實時渲染仿真場景，集成交通信號燈（紅綠燈周期120秒）、智能路燈（色溫4000K）、行道樹（香樟樹種）及交通標牌（反光等級Ⅳ級）等2000余個動態交互元素[4]。

通過駕駛模擬器（六自由度運動平臺）采集不同車速（40～80km/h）下駕駛員視野數據，分析發現K3+500彎道處標志牌可視距離不足50m，經調整安裝高度（從5m升至6.5m）并采用高反射率膜（逆反射系數≥500cd/lx/m2），使夜間識別距離增加40%。利用UE5的Lumen全局光照系統模擬路燈照明效果，通過光線追蹤計算得出原設計（燈桿間距35m）的路面照度均勻度為0.4（標準要求≥0.7），優化后縮短燈桿間距至30m并采用非對稱配光透鏡，使平均照度從15lx提升至25lx，均勻度達標率提高至95%。

在應急管理方面，構建交通事故（如車輛追尾、燃氣泄漏）與自然災害（暴雨積水）多場景仿真模型，基于AI算法動態規劃疏散路徑，將人員撤離時間從8分鐘縮短至5分鐘。該虛擬仿真系統已應用于施工交底（累計培訓300人次）與公眾參與展示（VR設備體驗1500人次），使設計變更溝通效率提升35%，降低圖紙誤解導致的返工成本約20%。

4 結語

綜上所述，在道路工程的實踐中，交互設計的角色已經超越了單純的產品設計，更注重于設計活動的行為和流程本身。通過具體道路工程設計案例的檢驗，文章所提出的方法在處理復雜城市道路設計中多專業整合環節所遇到的組件沖突和施工圖混亂問題方面，展現出顯著的優化效果。此外，該方法還確保各專業工程與工藝信息的順暢流通，對工程主次任務的描述更加明確。實際操作的結果表明，與傳統二維設計相比，這種方法在促進不同專業設計人員之間的信息交流，以及與施工、建設單位的溝通協調方面，展現出更高的效率和科學性，為項目參與方提供了滿意的、有效的工程實體表達方式。

參考文獻：

[1]李爍，董繼星，呂若丹.基于BIM+GIS三維協同設計的道路保通設計研究應用[J].價值工程，2024，43（21）：94-96.

[2]賈設. BIM技術在市政道路設計中的應用探討[J].新城建科技，2024，33（12）：76-78.

[3]洪啟智. BIM技術在市政道路設計中的應用探討[J].四川水泥，2025（02）：108-110.

[4]張宗昌.基于BIM技術的市政道路智能模型設計與應用[J].智能建筑與智慧城市，2025（03）：97-99.