BIM技术在高速公路互通立交规划设计中的应用

摘要 传统的高速公路互通立交规划设计往往只考虑单个互通立交的设计，导致高速公路实际施工时进度缓慢，为此，文章研究了BIM技术在高速公路互通立交规划设计中的应用。首先选择高速公路互通立交设计指标，利用选择的指标实施现场航测，再根据现场航测反馈的数据开展可视化三维设计，接着进行基于BIM技术的工程量统计，最后校核整个高速公路互通立交规划设计。实验结果表明：与GIS技术和数值模拟技术在高速公路互通立交规划设计应用中，BIM技术的应用可以显著提高工程进度和整体效益，具有实际的应用价值。

关键词 BIM技术；高速公路；互通立交规划；互通立交

中图分类号 K928.4 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）04-0050-03

0 引言

随着科技的迅速进步，各种技术在工程建设领域的应用日益广泛。其中GIS技术可以提供高速公路互通立交周边的地形、地貌、水文等地理信息，有助于项目团队进行方案设计和评估。但数据获取需要大量的地理信息数据，而这些数据的获取往往受到一些限制。数值模拟技术可以对高速公路互通立交的结构设计进行优化，提高结构的强度和稳定性，但需要高性能的计算机和相关的软件，成本较高。为此，该文研究BIM技术在高速公路互通立交规划设计中的应用，旨在揭示其如何提高设计效率和质量，降低工程成本和风险，并为实现绿色可持续发展提供支持。通过可持续发展的理念和技术应用，可以实现工程建设与环境保护的和谐共生。

1 BIM技術在高速公路互通立交规划设计中的应用

1.1 高速公路互通立交设计指标选择

1.1.1 视距设计

由于行车视线受到纵、横断面等多种因素的影响，所以需要对高速公路进行立体视距分析，以便发现视线不符合要求的路段并进行优化设计^[1]。

针对高速公路互通立交，由于该路段有中间分区，匝道上没有对向车辆，所以在高速公路上，停车视距通常都是要检查的。停车观察距离应该符合规定（见表1）。

停车视距是指司机在发现前方障碍物后，为达到安全停车的目的需要行驶的距离。这个距离包括两部分：一是司机发现障碍物到停车制动所需要的距离，二是为了确保安全而额外添加的5～10 m距离。在实际应用中，停车视距需要大于规定的取值以确保安全，计算公式如下：

式中，S_c——车辆在互通立交处安全停车所需的距离；v——车辆最佳行驶速度（km/h）；t——驾驶员响应时间（s）；g——重力常数（m/s²）；f——路面摩擦系数，受路面结构和车辆轮胎等多种因素影响。

1.1.2 平面和纵断面线形标准

（1）平曲线半径：设计高速公路互通立交匝道圆弧半径应综合考虑多方面的因素，包括用地、规模和工程造价等，同时要与行车速度和超高横坡舒适性相匹配，需满足如下公式：

式中，R——山区互通立交匝道换面半径的计算公式；V——以km/h为单位的理想行驶速度；u——路面与轮胎之间的侧向作用力，以无量纲形式表示；i——纵坡度^[2]。根据式（2），当坡道的设计速度恒定时，超高横坡和侧向力系数决定圆曲线的最小半径。

（2）纵坡度：在高速公路互通立交规划设计中，纵断面线形指标对于确保行车安全和舒适度至关重要。其中一个常用的纵断面线形指标是纵坡度i，它表示道路中心线的纵向倾斜程度。纵坡度i的计算公式如下：

式中，h——纵断面上任意两点的垂直高差（m）；L——该两点间的水平距离（m）。在高速公路互通立交规划设计中，主要考虑合理的纵坡度和变坡点位置，以实现安全、舒适、经济和环保的设计目标。根据不同的设计标准和规范，纵坡度i的取值范围也会有所不同。

1.2 现场航测

为了保证无人机在航测过程中能正常发挥作用，必须事先勘察工程场地，根据上述指标，开展现场航测工作^[3]：

（1）确定禁飞区域：在了解现场环境之后，需要确定是否存在禁飞区域。

（2）选择合适的起飞位置：选择一个合适的起飞位置可以确保无人机的安全飞行。这个位置应该远离可能干扰无人机的物体，并且能够使无人机在飞行过程中保持视线良好。

（3）考虑天气条件：在选择飞行日期之前，需要关注天气预报并选择适合无人机的天气条件。恶劣的天气条件，如强风、雷暴、雨雪等，可能会对无人机的飞行产生不利影响，因此需要避免在这些天气条件下进行航测。

（4）做好飞行前的准备：在执行航测任务之前，检查无人机的电池寿命、校准无人机的GPS系统、检查摄像设备和传感器等，做好充分的准备工作。

值得注意的是，该文还根据高速公路互通立交工程的具体情况，对测量工程进行区块划分^[4]。将航测项目分为尺寸约为1 000 m×1 200 m的2个区块。针对工程建设中存在的桥梁墩柱、路基挡墙等建筑物或构筑物，通过对航摄角度进行调整，使航摄角度达到最大程度，为航空摄影设定摄像机的倾斜角α=55 °，航线重合率H=75%，旁向重叠率S=75%。综上所述，结合高速公路互通立交工程实际，对飞行区域、相机倾角、航向重叠率、侧向重叠率等参数进行了合理规划，并在需要的时候补充拍摄，确保各区域全部测量完毕。

1.3 可视化三维设计

通过航测获得的高速公路互通立交数据，进行基于BIM技术的高速公路互通立交规划可视化三维设计，将设计方案以更加直观的方式呈现出来，具体如图1所示。

可视化三维设计主要涉及以下步骤：

（1）建立三维模型：利用BIM软件，根据设计图纸以及导入地形数据、道路线形数据和其他相关数据来建立高速公路互通立交的三维模型。

（2）渲染与可视化：通过调整模型的角度、光照和颜色等参数，将三维模型渲染成具有真实感的图像。可视化效果可以通过计算视觉指标如视角、视距、视高、色彩等来评估。其中视角θ是指观察者与被观察物体之间的夹角，可以用以下公式计算：

θ=arctan（h/L） （4）

而视高h′是指被观察物体在观察者眼中的高度，可以用以下公式计算：

（3）动画模拟：通过计算车辆行驶轨迹、速度、交通量等参数来进行动画模拟，展示高速公路互通立交在不同交通流量和速度条件下的运行情况^[5]。

1.4 基于BIM技术的工程量统计

接着通过可视化三维图提供的数据进行批量布置、建模，再比对施工图纸，检查是否有结构标高冲突、坐标偏差、设计参数矛盾等问题^[6]。还可通过BIM技术查询各结构的体积及钢筋数量，进一步对数量进行复核，以便排除图纸的差、错、漏、碰问题，及时将发现的问题纳入图纸会审问题库进行上报修正。

但值得注意的是，三维模型中难以自动获取模型和构件的部分属性数量，例如不同直径的钢筋用量、小型零配件和预埋件的材料用量等。设计师仍然需要手动输入这一部分的属性，完成表格的填充、编辑^[7]。在将组件的全部属性输入到BIM模型中后，按照组件分项划分、组件分类以及每一个组件的不同材料用量等属性信息，自动生成一个标准化的列表，以实现工程量的自動统计。

1.5 设计校核

最后利用BIM技术进行设计图纸校核以检验高速公路互通立交规划设计的完整性和规范性。

首先在BIM模型中添加相应的参数，包括工程量、工程造价等数据。利用BIM技术的碰撞检测功能，对设计图纸进行复核。碰撞检测可以发现图纸中可能存在的冲突和问题，如空间布局不合理、管线碰撞等。接着利用BIM技术的数据统计和分析功能，统计和分析设计图纸中的数据和信息^[8]。在审核和调整过程中，需要注意保持BIM模型与设计图纸以及高速公路设计规范的一致性和准确性。公路互通式立交在大城市和重要工业园区附近的平均间距建议为5～10 km，其他地区宜为15～25 km。公路互通式立交间距示意图如图2所示。

最后将最终复核结果输出为相应的文件和报告，包括工程量统计表、工程造价清单、施工进度模拟图等。为后续的施工和管理提供参考。综上所述，利用BIM技术完成设计图纸的校核。

2 实验

2.1 实验准备

以某市高速公路互通立交为例，该高速公路互通立交位于禾驮镇东侧，与G316线相接。从车流的流向和立交区域的地形地貌出发，立交设计为梨形立交，主要跨越于该工程的申都枢纽16.385 km处。G316线全线为一级公路，路基宽度7.5 m，双向车道，设计时速40 km/h。平面图如图3所示。

互通立交主要技术指标及工程规模如表2所示。

2.2 实验结果与分析

为了验证BIM技术在高速公路互通立交规划设计中的应用效果，以工程施工周期为指标，将BIM技术、GIS技术和数值模拟技术对高速公路互通立交施工周期进行对比，这三种技术对工程进度影响结果如表3所示。

通过以上实验表格可以看出，BIM技术在高速公路互通立交规划设计中对施工周期的影响最为显著。BIM技术可优化设计方案，减少返工和变更，从而显著缩短施工周期。相比之下，GIS技术和数值模拟技术在工程施工周期方面的影响相对较小。因此，在高速公路互通立交规划设计中，BIM技术的应用可以显著提高工程进度和整体效益。

3 结束语

基于BIM技术的高速公路互通立交规划设计具有显著的优势，通过引入BIM技术，可以提高设计效率和质量，降低工程成本和风险，并为实现绿色可持续发展提供支持。然而，目前基于BIM技术的高速公路互通立交规划设计应用还存在一些问题，如数据交换标准不统一、协同设计难度大等。未来需要进一步研究和探索基于BIM技术的高速公路互通立交规划设计的最佳实践方式和技术创新方向。

参考文献

[1]杨森顺， 杨虹. BIM技术在高速公路施工预算中的应用[J]. 中国招标， 2023（11）： 153-155.

[2]饶登宇， 王哲世， 赵斌. BIM技术在城区高速公路复杂互通立交建设中的应用[J]. 中国建设信息化， 2023（19）： 88-93.

[3]赵欢. BIM技术在高速公路桥梁养护综合管理中的应用[J]. 工程技术研究， 2023（16）： 123-125.

[4]高鹏云. BIM技术在高速公路设计施工一体化中的应用研究[J]. 科技创新与生产力， 2023（8）： 54-57.

[5]张博， 闫晶， 吴琼. 浅谈BIM技术在高速公路互通工程中的应用[J]. 交通科技与管理， 2023（15）： 27-29.

[6]黄炎. BIM技术在公路改扩建设计中的应用[J]. 中外公路， 2022（6）： 255-259.

[7]张科超， 王珏， 朱秀玲， 等. BIM技术在高速公路改扩建工程建设期的应用研究[J]. 公路， 2022（4）： 287-291.

[8]刘志中， 裴佑生. BIM技术在高速公路互通立交设计及施工管理中的应用[J]. 北方交通， 2022（2）： 50-53+56.

收稿日期：2023-12-05

作者简介：焦秦州（1988—），男，本科，工程师，研究方向：道路工程。