BIM技术在高速公路互通立交设计及施工管理中的应用

刘志中，裴佑生

(1.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司 合肥市 230088； 2.公路交通节能环保技术交通运输行业研发中心 合肥市 230088)

随着交通行业的不断发展，高速公路建设里程不断增加，互通立交的数量也迅速增长。在设计中，项目受地理环境、交通等因素制约,互通立交工程越来越复杂[1]。互通立交中桥下限界高度和停车视距是保证公路行车安全的重要设计指标，工程进度则是保证项目按时竣工的保证[2]。传统的CAD设计方式已经不能满足项目模拟分析要求，近年来，随着BIM 技术的发展，BIM技术突显其三维可视化、参数化建模、可模拟分析性、协同化设计等优势[1]，逐渐应用于项目建设中，能够对高速公路设计和施工阶段进行可视化模拟分析，并辅助工程进度管理。具有显著的经济效益和社会效益[3]。

在互通立交设计及施工中引进BIM技术，重点阐述 BIM技术在互通立交中的应用，为BIM技术的应用和推广积累经验与知识，为以后相关工程进行借鉴[4]。

1 项目概况

夏阁枢纽互通立交位于巢湖市夏阁镇高家田埠村，是为连接明巢高速与G5011芜合高速公路而设置的大型十字枢纽互通立交；根据互通区所处位置的地形地貌，结合与西侧相邻巢湖服务区间距、芜合高速纵面等控制因素，采用对称部分首蓿叶+半定向十字枢纽互通立交方案，主线及各匝道均上跨G5011芜合高速公路。明巢高速公路设计速度为120km/h，路基宽度27m，双向四车道。G5011芜合高速公路设计速度为120km/h，路基宽度42m，双向八车道。夏阁枢纽互通立交明巢高速主线长度为2255m，G5011芜合高速主线长度为3768.495m，匝道总长10908.714m。

2 BIM三维模型

为了提高信息模型的创建效率、确保信息模型成果质量，针对本项目工程特点，信息模型创建之初创建工程构件模板库与属性模板库，作为技术标准、效率工具的有效补充。基于Microstation的Cell、OpenRoadsDesigner(ORD)及OpenBridge Modeler(OBM)软件的Libraries，建立多专业的常用构件的几何模板库，如图1。

图1 桥梁下部结构模板

基于Bentley软件平台的ORD、OBM、Microstation对道路、桥梁、涵洞、交安设施进行三维建模，并对模型赋予材料和工程信息。

2.1 道路三维建模

通过创建的路线平纵线位，根据实际工程需求，参数化控制横断面模板，形成项目所需的道路模型。

在已经激活的地模基础上，参数化的道路模型可根据横断面模板中的末端条件直接模拟出真实边坡，呈现出更加合理、精确的道路三维模型，如图2。

图2 夏阁枢纽互通立交道路三维模型

2.2 桥梁三维建模

根据总体创建的三维平纵线位，采用三维可视化的设计手段，充分考虑桥梁空间结构、与地形地貌间的联合作用、造型展示等因素，通过建立桥梁参数化构件库，包含桥面板、混凝土护栏、下部结构等构件，批量快速建模，如图3。

图3 夏阁枢纽互通立交所有桥梁三维模型

2.3 交安三维建模

在道路、桥梁模型完成以后，根据规范对互通方案交安设施进行设计并三维建模。

主要包含标线、标牌、护栏等，标志标牌可以从既有构件库中直接调用，输入合适的指示内容，插入到合适的位置上即可，如图4。

图4 夏阁枢纽互通交安三维模型

最后通过Microstation软件对各专业模型进行汇总，导出到LumenRT进行可视化展示。

3 基于三维模型的设计校核

3.1 桥下限界高度分析

桥下限界高度是指上部结构最低边缘到所跨越路面之间的距离，是保证桥下行车安全的必要条件。

根据三维信息模型，利用BIM可视化的特点，可以直观地反映桥下净高是否满足要求，设计方案是否合理。提前发现不满足净高要求的部位，避免后期设计变更，从而缩短工期，节约成本。

本项目道路和桥梁均按施工图设计图纸进行建模，标高设计准确。通过建立与道路限界等效的模型，再通过软件进行碰撞分析，通过碰撞结果判断净高是否满足要求。

本项目为高速公路，桥下限高均为5.5m，经过碰撞分析，本项目桥下净空均满足设计要求。

3.2 三维视距分析

行车视距是否充分，直接关系着行车的安全与快速，是分析和评价公路设计和使用质量的重要指标之一。行车视距受平面线形、纵断面和横断面等因素的影响，因此对公路进行三维视距分析是有必要的，便于找出视距不满足的路段，优化设计。

视距一般分为停车视距、会车视距、超车视距和错车视距，本项目为高速公路互通立交，高速公路存在中分带，匝道无对向车，故不存在会车问题，因此，高速公路一般验算停车视距。停车视距应满足表1要求。

表1 停车视距表

根据《公路路线设计规范》(JTG D20—2017)对平曲线半径较小的匝道内侧车道进行停车视距检验，视点轨迹线(也即行车轨迹线)为内侧车道中心线，视点距路面高1.2m，用于视距检验的障碍物高0.1m，放置于最内侧车道的外边缘与内边缘之间，障碍物沿行车方向沿视点轨迹线每隔5m长度放置，人眼以第一视角所能看见的最远处的障碍物与视点构成的三角形为本车道内视线棱体顶面，能看见的最远障碍物与视点在视点轨迹线上的投影距离为停车视距，如图5。

本项目对A、B、C、D、G、H匝道小半径位置处进行了三维视距分析，A匝道、B匝道、C匝道、D匝道停车视距不满足要求，G匝道、H匝道停车视距满足要求，报告如表2。

图5 三维视距分析图

表2 夏阁枢纽互通视距分析报告

经过三维视距分析，A、B、C、D匝道停车视距不满足要求，拟通过对A、B匝道小半径处调整标线设计，采用单车道；C、D匝道拟调整设计速度为50km/h，经过设计调整，行车视距满足要求。通过视距分析，避免了运营期视距不够导致的行车安全问题。

4 基于BIM技术的工程进度可视化管理系统

我们根据国内高速公路建设管理的需要，基于最新的BIM+GIS技术框架，自主开发面向建设管理工作的应用平台，提高了工程建设项目管理工作信息化水平，并成功在多个公路、市政建设管理项目中进行应用。

我们将基于现有研发成果，针对本项目特点，定制开发出一套基于BIM的工程进度可视化管理系统，主要包含工程进度4D可视化表达、基于地理空间数字化的进度表达、基于构件的进度业务数据检索、基于二维图表的工程进度宏观统计、进度对比分析等功能。

(1)工程进度的4D可视化表达：利用三维模型以不同颜色及透明度可视化地展示项目整体施工进度，BIM专员通过后台功能录入的实际施工信息，利用三维模型进行可视化表达，帮助项目建设方管理人员、视察领导对项目整体施工进度进行形象、宏观、实时了解，如图6。

图6 工程进度的4D可视化表达

(2)基于构件的进度业务数据检索：基于三维模型构件进行实际进度信息检索、开工完工记录等施工信息的查询检索。

(3)基于二维图表的工程进度宏观统计：按照时间维度和空间维度，对工程计划进度数据、工程实际进度数据进行统计计算完成数量、百分比，并以柱状图、折线图等方式进行实时的表达，如图7。

图7 进度对比分析

(4)进度对比分析：将系统收集的工程计划进度数据、工程实际进度数据进行对比，分析工程内所有构件的按计划实施情况，并自动实时地统计逾期未开工、逾期未完工的构件，同时支持系统消息和短信两种方式的提醒功能。

基于工程WBS分解(工程分部分项检验批划分)及三维模型构件，通过对计划和实际进度数据进行采集、存储、整合及统计分析，实现工程进度的4D模拟、实际进度与计划进度的对比分析，辅助业主组织施工、设计、监理等部门分阶段进行施工进度检查。根据统计分析，本项目工程进度满足要求。

5 结语

本项目在高速公路互通立交设计和施工中引入BIM技术，建议全专业的三维信息模型，并通过BIM可视化分析，主要结论如下：

(1)通过BIM技术进行桥下限界高度分析，本项目桥下净空均满足设计要求。

(2)通过BIM技术对匝道进行三维视距分析，发现A、B、C、D匝道停车视距不满足要求，拟通过对A、B匝道小半径处调整标线设计，采用单车道；C、D匝道拟调整设计速度为50km/h，经过设计调整，行车视距满足要求。

(3)自主研发基于BIM技术的工程进度可视化管理系统，基于工程WBS分解(工程分部分项检验批划分)及三维模型构件，对工程进度进行对比分析，实现工程进度的管理。