BIM技術(shù)在高速公路互通立交規(guī)劃設(shè)計中的應(yīng)用

摘要 傳統(tǒng)的高速公路互通立交規(guī)劃設(shè)計往往只考慮單個互通立交的設(shè)計，導(dǎo)致高速公路實際施工時進(jìn)度緩慢，為此，文章研究了BIM技術(shù)在高速公路互通立交規(guī)劃設(shè)計中的應(yīng)用。首先選擇高速公路互通立交設(shè)計指標(biāo)，利用選擇的指標(biāo)實施現(xiàn)場航測，再根據(jù)現(xiàn)場航測反饋的數(shù)據(jù)開展可視化三維設(shè)計，接著進(jìn)行基于BIM技術(shù)的工程量統(tǒng)計，最后校核整個高速公路互通立交規(guī)劃設(shè)計。實驗結(jié)果表明：與GIS技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)在高速公路互通立交規(guī)劃設(shè)計應(yīng)用中，BIM技術(shù)的應(yīng)用可以顯著提高工程進(jìn)度和整體效益，具有實際的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞 BIM技術(shù)；高速公路；互通立交規(guī)劃；互通立交

中圖分類號 K928.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）04-0050-03

0 引言

隨著科技的迅速進(jìn)步，各種技術(shù)在工程建設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。其中GIS技術(shù)可以提供高速公路互通立交周邊的地形、地貌、水文等地理信息，有助于項目團隊進(jìn)行方案設(shè)計和評估。但數(shù)據(jù)獲取需要大量的地理信息數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)的獲取往往受到一些限制。數(shù)值模擬技術(shù)可以對高速公路互通立交的結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，提高結(jié)構(gòu)的強度和穩(wěn)定性，但需要高性能的計算機和相關(guān)的軟件，成本較高。為此，該文研究BIM技術(shù)在高速公路互通立交規(guī)劃設(shè)計中的應(yīng)用，旨在揭示其如何提高設(shè)計效率和質(zhì)量，降低工程成本和風(fēng)險，并為實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展提供支持。通過可持續(xù)發(fā)展的理念和技術(shù)應(yīng)用，可以實現(xiàn)工程建設(shè)與環(huán)境保護的和諧共生。

1 BIM技術(shù)在高速公路互通立交規(guī)劃設(shè)計中的應(yīng)用

1.1 高速公路互通立交設(shè)計指標(biāo)選擇

1.1.1 視距設(shè)計

由于行車視線受到縱、橫斷面等多種因素的影響，所以需要對高速公路進(jìn)行立體視距分析，以便發(fā)現(xiàn)視線不符合要求的路段并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計^[1]。

針對高速公路互通立交，由于該路段有中間分區(qū)，匝道上沒有對向車輛，所以在高速公路上，停車視距通常都是要檢查的。停車觀察距離應(yīng)該符合規(guī)定（見表1）。

停車視距是指司機在發(fā)現(xiàn)前方障礙物后，為達(dá)到安全停車的目的需要行駛的距離。這個距離包括兩部分：一是司機發(fā)現(xiàn)障礙物到停車制動所需要的距離，二是為了確保安全而額外添加的5～10 m距離。在實際應(yīng)用中，停車視距需要大于規(guī)定的取值以確保安全，計算公式如下：

式中，S_c——車輛在互通立交處安全停車所需的距離；v——車輛最佳行駛速度（km/h）；t——駕駛員響應(yīng)時間（s）；g——重力常數(shù)（m/s²）；f——路面摩擦系數(shù)，受路面結(jié)構(gòu)和車輛輪胎等多種因素影響。

1.1.2 平面和縱斷面線形標(biāo)準(zhǔn)

（1）平曲線半徑：設(shè)計高速公路互通立交匝道圓弧半徑應(yīng)綜合考慮多方面的因素，包括用地、規(guī)模和工程造價等，同時要與行車速度和超高橫坡舒適性相匹配，需滿足如下公式：

式中，R——山區(qū)互通立交匝道換面半徑的計算公式；V——以km/h為單位的理想行駛速度；u——路面與輪胎之間的側(cè)向作用力，以無量綱形式表示；i——縱坡度^[2]。根據(jù)式（2），當(dāng)坡道的設(shè)計速度恒定時，超高橫坡和側(cè)向力系數(shù)決定圓曲線的最小半徑。

（2）縱坡度：在高速公路互通立交規(guī)劃設(shè)計中，縱斷面線形指標(biāo)對于確保行車安全和舒適度至關(guān)重要。其中一個常用的縱斷面線形指標(biāo)是縱坡度i，它表示道路中心線的縱向傾斜程度?？v坡度i的計算公式如下：

式中，h——縱斷面上任意兩點的垂直高差（m）；L——該兩點間的水平距離（m）。在高速公路互通立交規(guī)劃設(shè)計中，主要考慮合理的縱坡度和變坡點位置，以實現(xiàn)安全、舒適、經(jīng)濟和環(huán)保的設(shè)計目標(biāo)。根據(jù)不同的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，縱坡度i的取值范圍也會有所不同。

1.2 現(xiàn)場航測

為了保證無人機在航測過程中能正常發(fā)揮作用，必須事先勘察工程場地，根據(jù)上述指標(biāo)，開展現(xiàn)場航測工作^[3]：

（1）確定禁飛區(qū)域：在了解現(xiàn)場環(huán)境之后，需要確定是否存在禁飛區(qū)域。

（2）選擇合適的起飛位置：選擇一個合適的起飛位置可以確保無人機的安全飛行。這個位置應(yīng)該遠(yuǎn)離可能干擾無人機的物體，并且能夠使無人機在飛行過程中保持視線良好。

（3）考慮天氣條件：在選擇飛行日期之前，需要關(guān)注天氣預(yù)報并選擇適合無人機的天氣條件。惡劣的天氣條件，如強風(fēng)、雷暴、雨雪等，可能會對無人機的飛行產(chǎn)生不利影響，因此需要避免在這些天氣條件下進(jìn)行航測。

（4）做好飛行前的準(zhǔn)備：在執(zhí)行航測任務(wù)之前，檢查無人機的電池壽命、校準(zhǔn)無人機的GPS系統(tǒng)、檢查攝像設(shè)備和傳感器等，做好充分的準(zhǔn)備工作。

值得注意的是，該文還根據(jù)高速公路互通立交工程的具體情況，對測量工程進(jìn)行區(qū)塊劃分^[4]。將航測項目分為尺寸約為1 000 m×1 200 m的2個區(qū)塊。針對工程建設(shè)中存在的橋梁墩柱、路基擋墻等建筑物或構(gòu)筑物，通過對航攝角度進(jìn)行調(diào)整，使航攝角度達(dá)到最大程度，為航空攝影設(shè)定攝像機的傾斜角α=55 °，航線重合率H=75%，旁向重疊率S=75%。綜上所述，結(jié)合高速公路互通立交工程實際，對飛行區(qū)域、相機傾角、航向重疊率、側(cè)向重疊率等參數(shù)進(jìn)行了合理規(guī)劃，并在需要的時候補充拍攝，確保各區(qū)域全部測量完畢。

1.3 可視化三維設(shè)計

通過航測獲得的高速公路互通立交數(shù)據(jù)，進(jìn)行基于BIM技術(shù)的高速公路互通立交規(guī)劃可視化三維設(shè)計，將設(shè)計方案以更加直觀的方式呈現(xiàn)出來，具體如圖1所示。

可視化三維設(shè)計主要涉及以下步驟：

（1）建立三維模型：利用BIM軟件，根據(jù)設(shè)計圖紙以及導(dǎo)入地形數(shù)據(jù)、道路線形數(shù)據(jù)和其他相關(guān)數(shù)據(jù)來建立高速公路互通立交的三維模型。

（2）渲染與可視化：通過調(diào)整模型的角度、光照和顏色等參數(shù)，將三維模型渲染成具有真實感的圖像。可視化效果可以通過計算視覺指標(biāo)如視角、視距、視高、色彩等來評估。其中視角θ是指觀察者與被觀察物體之間的夾角，可以用以下公式計算：

θ=arctan（h/L） （4）

而視高h(yuǎn)′是指被觀察物體在觀察者眼中的高度，可以用以下公式計算：

（3）動畫模擬：通過計算車輛行駛軌跡、速度、交通量等參數(shù)來進(jìn)行動畫模擬，展示高速公路互通立交在不同交通流量和速度條件下的運行情況^[5]。

1.4 基于BIM技術(shù)的工程量統(tǒng)計

接著通過可視化三維圖提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行批量布置、建模，再比對施工圖紙，檢查是否有結(jié)構(gòu)標(biāo)高沖突、坐標(biāo)偏差、設(shè)計參數(shù)矛盾等問題^[6]。還可通過BIM技術(shù)查詢各結(jié)構(gòu)的體積及鋼筋數(shù)量，進(jìn)一步對數(shù)量進(jìn)行復(fù)核，以便排除圖紙的差、錯、漏、碰問題，及時將發(fā)現(xiàn)的問題納入圖紙會審問題庫進(jìn)行上報修正。

但值得注意的是，三維模型中難以自動獲取模型和構(gòu)件的部分屬性數(shù)量，例如不同直徑的鋼筋用量、小型零配件和預(yù)埋件的材料用量等。設(shè)計師仍然需要手動輸入這一部分的屬性，完成表格的填充、編輯^[7]。在將組件的全部屬性輸入到BIM模型中后，按照組件分項劃分、組件分類以及每一個組件的不同材料用量等屬性信息，自動生成一個標(biāo)準(zhǔn)化的列表，以實現(xiàn)工程量的自動統(tǒng)計。

1.5 設(shè)計校核

最后利用BIM技術(shù)進(jìn)行設(shè)計圖紙校核以檢驗高速公路互通立交規(guī)劃設(shè)計的完整性和規(guī)范性。

首先在BIM模型中添加相應(yīng)的參數(shù)，包括工程量、工程造價等數(shù)據(jù)。利用BIM技術(shù)的碰撞檢測功能，對設(shè)計圖紙進(jìn)行復(fù)核。碰撞檢測可以發(fā)現(xiàn)圖紙中可能存在的沖突和問題，如空間布局不合理、管線碰撞等。接著利用BIM技術(shù)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析功能，統(tǒng)計和分析設(shè)計圖紙中的數(shù)據(jù)和信息^[8]。在審核和調(diào)整過程中，需要注意保持BIM模型與設(shè)計圖紙以及高速公路設(shè)計規(guī)范的一致性和準(zhǔn)確性。公路互通式立交在大城市和重要工業(yè)園區(qū)附近的平均間距建議為5～10 km，其他地區(qū)宜為15～25 km。公路互通式立交間距示意圖如圖2所示。

最后將最終復(fù)核結(jié)果輸出為相應(yīng)的文件和報告，包括工程量統(tǒng)計表、工程造價清單、施工進(jìn)度模擬圖等。為后續(xù)的施工和管理提供參考。綜上所述，利用BIM技術(shù)完成設(shè)計圖紙的校核。

2 實驗

2.1 實驗準(zhǔn)備

以某市高速公路互通立交為例，該高速公路互通立交位于禾馱鎮(zhèn)東側(cè)，與G316線相接。從車流的流向和立交區(qū)域的地形地貌出發(fā)，立交設(shè)計為梨形立交，主要跨越于該工程的申都樞紐16.385 km處。G316線全線為一級公路，路基寬度7.5 m，雙向車道，設(shè)計時速40 km/h。平面圖如圖3所示。

互通立交主要技術(shù)指標(biāo)及工程規(guī)模如表2所示。

2.2 實驗結(jié)果與分析

為了驗證BIM技術(shù)在高速公路互通立交規(guī)劃設(shè)計中的應(yīng)用效果，以工程施工周期為指標(biāo)，將BIM技術(shù)、GIS技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)對高速公路互通立交施工周期進(jìn)行對比，這三種技術(shù)對工程進(jìn)度影響結(jié)果如表3所示。

通過以上實驗表格可以看出，BIM技術(shù)在高速公路互通立交規(guī)劃設(shè)計中對施工周期的影響最為顯著。BIM技術(shù)可優(yōu)化設(shè)計方案，減少返工和變更，從而顯著縮短施工周期。相比之下，GIS技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)在工程施工周期方面的影響相對較小。因此，在高速公路互通立交規(guī)劃設(shè)計中，BIM技術(shù)的應(yīng)用可以顯著提高工程進(jìn)度和整體效益。

3 結(jié)束語

基于BIM技術(shù)的高速公路互通立交規(guī)劃設(shè)計具有顯著的優(yōu)勢，通過引入BIM技術(shù)，可以提高設(shè)計效率和質(zhì)量，降低工程成本和風(fēng)險，并為實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展提供支持。然而，目前基于BIM技術(shù)的高速公路互通立交規(guī)劃設(shè)計應(yīng)用還存在一些問題，如數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、協(xié)同設(shè)計難度大等。未來需要進(jìn)一步研究和探索基于BIM技術(shù)的高速公路互通立交規(guī)劃設(shè)計的最佳實踐方式和技術(shù)創(chuàng)新方向。

參考文獻(xiàn)

[1]楊森順， 楊虹. BIM技術(shù)在高速公路施工預(yù)算中的應(yīng)用[J]. 中國招標(biāo)， 2023（11）： 153-155.

[2]饒登宇， 王哲世， 趙斌. BIM技術(shù)在城區(qū)高速公路復(fù)雜互通立交建設(shè)中的應(yīng)用[J]. 中國建設(shè)信息化， 2023（19）： 88-93.

[3]趙歡. BIM技術(shù)在高速公路橋梁養(yǎng)護綜合管理中的應(yīng)用[J]. 工程技術(shù)研究， 2023（16）： 123-125.

[4]高鵬云. BIM技術(shù)在高速公路設(shè)計施工一體化中的應(yīng)用研究[J]. 科技創(chuàng)新與生產(chǎn)力， 2023（8）： 54-57.

[5]張博， 閆晶， 吳瓊. 淺談BIM技術(shù)在高速公路互通工程中的應(yīng)用[J]. 交通科技與管理， 2023（15）： 27-29.

[6]黃炎. BIM技術(shù)在公路改擴建設(shè)計中的應(yīng)用[J]. 中外公路， 2022（6）： 255-259.

[7]張科超， 王玨， 朱秀玲， 等. BIM技術(shù)在高速公路改擴建工程建設(shè)期的應(yīng)用研究[J]. 公路， 2022（4）： 287-291.

[8]劉志中， 裴佑生. BIM技術(shù)在高速公路互通立交設(shè)計及施工管理中的應(yīng)用[J]. 北方交通， 2022（2）： 50-53+56.

收稿日期：2023-12-05

作者簡介：焦秦州（1988—），男，本科，工程師，研究方向：道路工程。