市政立交设计阶段BIM 的应用

崔丽元，苏晓玉

（1.重庆两江新区水土高新技术产业园建设投资有限公司，重庆 400714；2.河南省科达水利勘测设计有限公司，河南 郑州 450003）

0 引言

在我国城市化进程不断推进的大环境下，市政立交工程越来越多，同时对市政立交设计的质量提出了更高的要求，常规CAD 设计的局限性愈发突出。BIM技术的出现为市政立交设计提供了新的途径。BIM 技术就是建筑信息建模技，是一种随着计算机技术发展起来的新型技术，在土木工程领域中得到了良好应用。和CAD 技术相比BIM 技术在很多方面都有非常显著的优势，主要体现在设计的可视化、协调性、模拟性、优化性、出图便利等方面，现有被广泛应用到土建工程设计领域。

1 案例分析

1.1 工程概述

某市政立交工程是由8 条转向匝道、1 条高速公路和3 条在建市政道路工程共同组成的全互通式立交，匝道合计总长8426.58m，桥梁总长5464.38m，道路总长3846.71m，桥梁箱涵总长度为210m。路面都是沥青混凝土路面，涵洞都是普通钢筋混凝土箱涵。结构比较复杂，传统CAD 设计难以满足具体的要求。因此，本文采取了BIM 设计技术进行了研究，取得良好效果。

1.2 重难点

就案例工程而言，规模比较大，设计建设难度大，主要体现在以下4 个方面。

（1）立交线路复杂，横坡和梁截面尺寸变化复杂，如何有效控制线形是本工程施工的重难点之一。

（2）异性结构体量大，工程量核算难度大，传统CAD 设计统计方法难以顺利完成。

（3）现浇箱梁结构比较多，预应力波纹管和钢筋之间存在交叉碰撞问题，如何有效进行全面优化和查缺补漏也是本工程的重难点。

（4）参建工种多，各部门协调难度大。

2 BIM 在市政立交设计中应用的建模要点

案例工程结构组成复杂，需要同时用到多种BIM软件技术，包括：Civil 3D、Power Civil、Micro Station、Generative Components 等相互软件相互结合的方法来构建起三维立体可视化市政立交模型。

2.1 地形建模

市政立交可看作是一种和周围地形之间有相互关联的一种构筑物，BIM 建模并不能凭空而成，需要建立起一定的地形图之上。只是地形模型不在采取传统二维模型，而是选择了三位数字化地型模型。案例工程比较复杂，仅凭一种技术完成地形建模，而是采取了Civil3D 和PowerCivil 软件来获得CAD 图纸上的高程点和等高线性，然后再通过控制三角网最大长度来建立起三维地形模型。对那些错误的高程点而言，采取软件系统自动的筛选功能就能快速去除，从而逐步建立起精确的三维地形模型。

2.2 路线建模

路线建模也是BIM 市政立交建模的主要内容之一，具体的建模方法为将DICAD 上绘制而成的路线参数全部都导入PowerCivil 软件中。再利用该软件中自带的平面几何工具就能快速提取出平面线形，但案例市政立交由8 条转向匝道、1 条高速公路和3 条在建市政道路工程共同组成，路线组成比较复杂，在具体建模操作中需要结合不同路线的特点，进行有针对性的建模，需要分别提取每条线路的平面线形，并绘制出相应的纵断面线，在相互叠加和融合，就能建立起基于BIM 的市政立交线路模型。

2.3 横断面建模

市政立交是一种立体化的构筑物，横断面是线形构筑物的主要组成部分，通过线形可以很好的反映出整个构筑物的外部和内部形态。在CAD 设计，横断面的设计大多是按照20m 为一个路段进行设计的，但案例市政立交组成结构比较复杂，如果继续采取CAD 设计方法，则无法很好的反映出实际情况，只是设计和实际差距差过大，降低设计效果。而采取PowerCivil 软件可实现断面的参数化设计，可对整条道路进行有针对性的设计，而且可按照设计师的要求，清楚展示每个构件之间的空间逻辑关系，能够按照地形条件的不同进行实时调整[1]。但横断面参数化建模是一项非常复杂的涉及内容，其设计效果对市政立交建设质量有很大影响，因此在具体建模中需要综合考虑很多方面的内容，具体如下：①边坡的挖填必须根据实际地面线进行自动化判断和分析。②边坡的高度和坡度需要随着坡度级数对不同，进行自动有效的调整。③能确保通过设计师布设的条件，减少填方的工程量，比如，如果边坡多于三级，可自动设置路肩。在进行横断面参数化建模中可定义多项参数，但每个构建的名称、尺寸、材质以及标记都必须符合设计文件的相关要求。

2.4 市政立交桥梁建模

案例中市政立交桥梁同时位于纵向曲线和平曲线之上，需要结合桥梁的特点，对上部结构和下部结构进行分别建模。在进行上部建模中可采取Generative Components 软件进行建模，利用可视化编程技术构建起桥梁上部结构模型，此种软件可结合箱梁截面的实际情况，进行实时调整和修改，Generative Components软件的出现有效解决了传统设计中桥梁曲线箱梁参数化建模难度太大的问题。可采取中心线驱动参数化横断的模式，可对箱梁的外部轮廓、内腔、横隔板等都进行参数驱动设计，可对箱梁的宽度、长度、厚度等进行参数和相关信息进行动态化调整，更好地保证桥梁建模的准确性[2]。

在进行桥梁下部结构如桥台、桥墩等设计中，需要用到Micro Station 软件，进行参数化设计，Micro Station软件能够对构件的桩长、桩径、承台尺寸等进行调整设计，而且可以按照坐标和支座高程放置到桥梁文件中。

3 市政立交设计阶段中BIM 的应用思路

利用BIM 技术建立起市政立交模型之后，如何将BIM 模型应用到实际设计中，才是BIM 技术在市政立交设计阶段应用的重点，具体的应用思路如下。

3.1 在路线优化设计中的应用

在传统CAD 设计中要进行土方调整是一项非常复杂的工作，而且难度很大，任何一个细节控制不当都会大幅度提升挖填量，增加成本，延误工期。而利用BIM 技术则可以有效解决这一问题，可对土方进行实时动态化的调整，可按照三模型的横断面填挖来对线形进行实时调整，从而达到土方平衡的设计效果。比如：在案例工程主线路基设计中，进行了纵断面调整，按照调整之后的土方平衡再进行多次反复设计，经过调整之后，原土方量从 12.6 万 m3，减少到 6.7 万 m3，相差量达到5.6 万m3，达到了土方平衡的目的。此外，在BIM 模型还自带高程和土方分析的功能，可按照现场实际情况对地形和工程模型的高程进行对比分析，通过场地高程，就能得到所建场地到地形所需的实际土方量，为路线方案设计土方平衡提供有针对性的参考和依据。

3.2 在路线路形优化设计中的应用

在市政立交设计中停车视距长期以来都是路线路形设计的重难点，在传统设计中，经常会忽略附属结构物在曲线段对视线的遮挡，致使完工之后经常出现道路实现不足的问题。BIM 模型可建立起市政立交建设完成之后的整体三维模型，通过BIM 技术自带的视距检查功能可及时发现视距是否达到设计要求。按照《城市道路路线设计规范》中对最小视距和视线、障碍高的规定，可对建立起的模型进行视距检查，再按照实际的检查结果就能对路线的线形进行全面系统的优化，更好地保障设计效果[3]。

3.3 在线路和管道线形优化设计中的应用

案例中市政立交道路组成比较多，道路、结构、边坡、管线需要由不同的设计单位联合设计，大大提升了设计的复杂性，容易发生交叉碰撞问题。而交叉碰撞检查是BIM 技术最基础的功能，可通过三维立体可视化的方法，对各专业之间的设计进行全方位的交叉碰撞检查，以便及时进行有针对性的调整。案例工程在应用BIM 技术对市政立交雨水管道、污水管道、桥梁下部进行全方位的碰撞检查，有效解决了管道工程和桥梁下部结构之间存在的交叉碰撞情况，不但优化了路线的平面线形，也减少了施工变更，可大幅度度提升施工效率，控制工程造价。

3.4 在线路线形和高程优化设计中的应用

对案例工程而言，线性非常复杂，而且各路线在空间上存在相互交错的现象，这就使得传统二维设计难以满足实际设计的需求，存在设计过于保守的问题，净空通常会流出很大富余，致使工程量增加，无形中增加了市政立交的建设成本[4]。采用BIM 技术可有效解决这一问题，BIM 辅助设计能够很好的优化路线线形，及时解决和处理存在的不足和相关问题，促使市政立交设计更加科学合理，减少保守设计带来的工程量浪费。再通过三维立体可视化技术，就可以全面检查调整之后的净空高度，判断能否满足相关规范和标准的要求。

本工程匝道桥路段设计中受到地形复杂的影响，大大提升了承台标高确定的难度，如果采取二维设计方法，会出现承台标高超过实际地面高度的问题。而BIM 技术可实现整个市政立交的三维可视化设计，在计算机模型中就能对桥梁下部结构的标高进行检查，再按照具体的检查结果，就能对道路纵断面和桥墩结构进行全面系统的优化调整，从而达到减少施工变更的设计效果。

3.5 在工程量统计和清单设计中应用

在利用CAD 进行市政立交工程量统计，经常采取断面法进行计算分析，但不同地段的地形地貌复杂多变，仅凭断面法存在很大的误差，经常多计算工程量，从而增加了建设成本。而利用BIM 技术能够按照路基段和匝道桥两端模型的横断面模板和参数化结构的定义进行自动分类统计，可得到不同廊道段准确的工程量数据。从而严格的按照《公路工程工程量清单及计量规范》中的要求各清单量进行构件编码，在通过BIM 就能自动生成工程量Excel 文件，借助VBA 程度，可对每个构件进行清楚的编码，将相应的工程量数据读入对应项的工程量清单中，为市政立交设计概预算提供真实有效的工程量清单，更好的保证市政立交设计效果。

3.6 三维出图和深化设计

当市政立交设计完成之后，还可以利用BIM 软件对设计的模型和相关构件进行局部平面、立面、剖面分析和优化。也可以将三维构件调整到所需的视角，进行标注和说明。设计完成之后全部检查一遍，确认都得达到要求后，即可进行市政立交项目BIM 模型三维出图。在就案例工程而言，涉及的因素比较多，包括：道路、桥梁、地下管线、周围环境保护等众多业务。每个参建方都可以按照自己的需求输入自己所需的三维设计图纸，以便更好的直到后期施工。

3.7 VR 虚拟现实

BIM 技术是一种新型的设计技术，是在计算机软件基础上起来的，能够和其他计算机相配合使用。比如：在进行市政立交设计方案汇报时，传统的二维设计方法只能在图纸上进心讲解，阐述，但案例工程结构复杂，各道路交错布置，在段时间内，设计人员无法将全部的设计内容展示在业主眼前，致使一些业主对设计单位设计方案一知半解，投入施工中出现问题后，就会出现相互推卸责任的问题，影响施工进度和成本[5]。而采取BIM 技术在汇报设计方案时可利用BIM 自带的三维立体可视化能力，将市政立交BIM 设计模型和VR虚拟技术相互结合，为业主提供一个身临其境了解设计方案全貌的机会，可大幅度提升业主和设计人员之间的交互体验，将设计意图更加全面、准确传达给业主。

4 结语

综上所述，本文结合实际案例分析了市政立交设计阶段BIM 的应用。分析结果表明，BIM 技术的出现和应用为市政立交设计提供临时一种全新的技术。和传统CAD 设计技术相比，BIM 技术在设计速度、设计效率、设计直观性、设计方案表达等方面都有非常显著的优势，非常契合现代化市政立交结构复杂、道路交错的设计要求。在计算技术不断发展的背景下，BIM 技术的功能将会更加全面，在市政工程领域中的应用将会愈发广泛，促进我国市政事业持续健康发展。