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

劉志中，裴佑生

(1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司 合肥市 230088； 2.公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運輸行業(yè)研發(fā)中心 合肥市 230088)

隨著交通行業(yè)的不斷發(fā)展，高速公路建設(shè)里程不斷增加，互通立交的數(shù)量也迅速增長。在設(shè)計中，項目受地理環(huán)境、交通等因素制約,互通立交工程越來越復(fù)雜[1]?；ネ⒔恢袠蛳孪藿绺叨群屯＼囈暰嗍潜ＷC公路行車安全的重要設(shè)計指標，工程進度則是保證項目按時竣工的保證[2]。傳統(tǒng)的CAD設(shè)計方式已經(jīng)不能滿足項目模擬分析要求，近年來，隨著BIM 技術(shù)的發(fā)展，BIM技術(shù)突顯其三維可視化、參數(shù)化建模、可模擬分析性、協(xié)同化設(shè)計等優(yōu)勢[1]，逐漸應(yīng)用于項目建設(shè)中，能夠?qū)Ω咚俟吩O(shè)計和施工階段進行可視化模擬分析，并輔助工程進度管理。具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益[3]。

在互通立交設(shè)計及施工中引進BIM技術(shù)，重點闡述 BIM技術(shù)在互通立交中的應(yīng)用，為BIM技術(shù)的應(yīng)用和推廣積累經(jīng)驗與知識，為以后相關(guān)工程進行借鑒[4]。

1 項目概況

夏閣樞紐互通立交位于巢湖市夏閣鎮(zhèn)高家田埠村，是為連接明巢高速與G5011蕪合高速公路而設(shè)置的大型十字樞紐互通立交；根據(jù)互通區(qū)所處位置的地形地貌，結(jié)合與西側(cè)相鄰巢湖服務(wù)區(qū)間距、蕪合高速縱面等控制因素，采用對稱部分首蓿葉+半定向十字樞紐互通立交方案，主線及各匝道均上跨G5011蕪合高速公路。明巢高速公路設(shè)計速度為120km/h，路基寬度27m，雙向四車道。G5011蕪合高速公路設(shè)計速度為120km/h，路基寬度42m，雙向八車道。夏閣樞紐互通立交明巢高速主線長度為2255m，G5011蕪合高速主線長度為3768.495m，匝道總長10908.714m。

2 BIM三維模型

為了提高信息模型的創(chuàng)建效率、確保信息模型成果質(zhì)量，針對本項目工程特點，信息模型創(chuàng)建之初創(chuàng)建工程構(gòu)件模板庫與屬性模板庫，作為技術(shù)標準、效率工具的有效補充?；贛icrostation的Cell、OpenRoadsDesigner(ORD)及OpenBridge Modeler(OBM)軟件的Libraries，建立多專業(yè)的常用構(gòu)件的幾何模板庫，如圖1。

圖1 橋梁下部結(jié)構(gòu)模板

基于Bentley軟件平臺的ORD、OBM、Microstation對道路、橋梁、涵洞、交安設(shè)施進行三維建模，并對模型賦予材料和工程信息。

2.1 道路三維建模

通過創(chuàng)建的路線平縱線位，根據(jù)實際工程需求，參數(shù)化控制橫斷面模板，形成項目所需的道路模型。

在已經(jīng)激活的地?；A(chǔ)上，參數(shù)化的道路模型可根據(jù)橫斷面模板中的末端條件直接模擬出真實邊坡，呈現(xiàn)出更加合理、精確的道路三維模型，如圖2。

圖2 夏閣樞紐互通立交道路三維模型

2.2 橋梁三維建模

根據(jù)總體創(chuàng)建的三維平縱線位，采用三維可視化的設(shè)計手段，充分考慮橋梁空間結(jié)構(gòu)、與地形地貌間的聯(lián)合作用、造型展示等因素，通過建立橋梁參數(shù)化構(gòu)件庫，包含橋面板、混凝土護欄、下部結(jié)構(gòu)等構(gòu)件，批量快速建模，如圖3。

圖3 夏閣樞紐互通立交所有橋梁三維模型

2.3 交安三維建模

在道路、橋梁模型完成以后，根據(jù)規(guī)范對互通方案交安設(shè)施進行設(shè)計并三維建模。

主要包含標線、標牌、護欄等，標志標牌可以從既有構(gòu)件庫中直接調(diào)用，輸入合適的指示內(nèi)容，插入到合適的位置上即可，如圖4。

圖4 夏閣樞紐互通交安三維模型

最后通過Microstation軟件對各專業(yè)模型進行匯總，導(dǎo)出到LumenRT進行可視化展示。

3 基于三維模型的設(shè)計校核

3.1 橋下限界高度分析

橋下限界高度是指上部結(jié)構(gòu)最低邊緣到所跨越路面之間的距離，是保證橋下行車安全的必要條件。

根據(jù)三維信息模型，利用BIM可視化的特點，可以直觀地反映橋下凈高是否滿足要求，設(shè)計方案是否合理。提前發(fā)現(xiàn)不滿足凈高要求的部位，避免后期設(shè)計變更，從而縮短工期，節(jié)約成本。

本項目道路和橋梁均按施工圖設(shè)計圖紙進行建模，標高設(shè)計準確。通過建立與道路限界等效的模型，再通過軟件進行碰撞分析，通過碰撞結(jié)果判斷凈高是否滿足要求。

本項目為高速公路，橋下限高均為5.5m，經(jīng)過碰撞分析，本項目橋下凈空均滿足設(shè)計要求。

3.2 三維視距分析

行車視距是否充分，直接關(guān)系著行車的安全與快速，是分析和評價公路設(shè)計和使用質(zhì)量的重要指標之一。行車視距受平面線形、縱斷面和橫斷面等因素的影響，因此對公路進行三維視距分析是有必要的，便于找出視距不滿足的路段，優(yōu)化設(shè)計。

視距一般分為停車視距、會車視距、超車視距和錯車視距，本項目為高速公路互通立交，高速公路存在中分帶，匝道無對向車，故不存在會車問題，因此，高速公路一般驗算停車視距。停車視距應(yīng)滿足表1要求。

表1 停車視距表

根據(jù)《公路路線設(shè)計規(guī)范》(JTG D20—2017)對平曲線半徑較小的匝道內(nèi)側(cè)車道進行停車視距檢驗，視點軌跡線(也即行車軌跡線)為內(nèi)側(cè)車道中心線，視點距路面高1.2m，用于視距檢驗的障礙物高0.1m，放置于最內(nèi)側(cè)車道的外邊緣與內(nèi)邊緣之間，障礙物沿行車方向沿視點軌跡線每隔5m長度放置，人眼以第一視角所能看見的最遠處的障礙物與視點構(gòu)成的三角形為本車道內(nèi)視線棱體頂面，能看見的最遠障礙物與視點在視點軌跡線上的投影距離為停車視距，如圖5。

本項目對A、B、C、D、G、H匝道小半徑位置處進行了三維視距分析，A匝道、B匝道、C匝道、D匝道停車視距不滿足要求，G匝道、H匝道停車視距滿足要求，報告如表2。

圖5 三維視距分析圖

表2 夏閣樞紐互通視距分析報告

經(jīng)過三維視距分析，A、B、C、D匝道停車視距不滿足要求，擬通過對A、B匝道小半徑處調(diào)整標線設(shè)計，采用單車道；C、D匝道擬調(diào)整設(shè)計速度為50km/h，經(jīng)過設(shè)計調(diào)整，行車視距滿足要求。通過視距分析，避免了運營期視距不夠?qū)е碌男熊嚢踩珕栴}。

4 基于BIM技術(shù)的工程進度可視化管理系統(tǒng)

我們根據(jù)國內(nèi)高速公路建設(shè)管理的需要，基于最新的BIM+GIS技術(shù)框架，自主開發(fā)面向建設(shè)管理工作的應(yīng)用平臺，提高了工程建設(shè)項目管理工作信息化水平，并成功在多個公路、市政建設(shè)管理項目中進行應(yīng)用。

我們將基于現(xiàn)有研發(fā)成果，針對本項目特點，定制開發(fā)出一套基于BIM的工程進度可視化管理系統(tǒng)，主要包含工程進度4D可視化表達、基于地理空間數(shù)字化的進度表達、基于構(gòu)件的進度業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)檢索、基于二維圖表的工程進度宏觀統(tǒng)計、進度對比分析等功能。

(1)工程進度的4D可視化表達：利用三維模型以不同顏色及透明度可視化地展示項目整體施工進度，BIM專員通過后臺功能錄入的實際施工信息，利用三維模型進行可視化表達，幫助項目建設(shè)方管理人員、視察領(lǐng)導(dǎo)對項目整體施工進度進行形象、宏觀、實時了解，如圖6。

圖6 工程進度的4D可視化表達

(2)基于構(gòu)件的進度業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)檢索：基于三維模型構(gòu)件進行實際進度信息檢索、開工完工記錄等施工信息的查詢檢索。

(3)基于二維圖表的工程進度宏觀統(tǒng)計：按照時間維度和空間維度，對工程計劃進度數(shù)據(jù)、工程實際進度數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計計算完成數(shù)量、百分比，并以柱狀圖、折線圖等方式進行實時的表達，如圖7。

圖7 進度對比分析

(4)進度對比分析：將系統(tǒng)收集的工程計劃進度數(shù)據(jù)、工程實際進度數(shù)據(jù)進行對比，分析工程內(nèi)所有構(gòu)件的按計劃實施情況，并自動實時地統(tǒng)計逾期未開工、逾期未完工的構(gòu)件，同時支持系統(tǒng)消息和短信兩種方式的提醒功能。

基于工程WBS分解(工程分部分項檢驗批劃分)及三維模型構(gòu)件，通過對計劃和實際進度數(shù)據(jù)進行采集、存儲、整合及統(tǒng)計分析，實現(xiàn)工程進度的4D模擬、實際進度與計劃進度的對比分析，輔助業(yè)主組織施工、設(shè)計、監(jiān)理等部門分階段進行施工進度檢查。根據(jù)統(tǒng)計分析，本項目工程進度滿足要求。

5 結(jié)語

本項目在高速公路互通立交設(shè)計和施工中引入BIM技術(shù)，建議全專業(yè)的三維信息模型，并通過BIM可視化分析，主要結(jié)論如下：

(1)通過BIM技術(shù)進行橋下限界高度分析，本項目橋下凈空均滿足設(shè)計要求。

(2)通過BIM技術(shù)對匝道進行三維視距分析，發(fā)現(xiàn)A、B、C、D匝道停車視距不滿足要求，擬通過對A、B匝道小半徑處調(diào)整標線設(shè)計，采用單車道；C、D匝道擬調(diào)整設(shè)計速度為50km/h，經(jīng)過設(shè)計調(diào)整，行車視距滿足要求。

(3)自主研發(fā)基于BIM技術(shù)的工程進度可視化管理系統(tǒng)，基于工程WBS分解(工程分部分項檢驗批劃分)及三維模型構(gòu)件，對工程進度進行對比分析，實現(xiàn)工程進度的管理。