基于BIM的高速公路互通式立體交叉設(shè)計

摘要：文章以桂林—恭城—賀州高速公路（桂林至鐘山段）第三標(biāo)段三江鄉(xiāng)互通為例，結(jié)合機載激光雷達測量技術(shù)，應(yīng)用BIM技術(shù)構(gòu)建了三維模型，根據(jù)三江鄉(xiāng)互通的控制因素設(shè)計了三種互通方案，通過BIM的評價指標(biāo)對三種方案進行比選，以基本農(nóng)田成為限制互通方案選擇的重要因素，兼顧造價及社會、環(huán)境的影響，在BIM正向設(shè)計下選擇出了最優(yōu)方案。

關(guān)鍵詞：互通式立體交叉設(shè)計；機載激光雷達測量；BIM正向設(shè)計；可視化

中圖分類號：U413.35+2.1" " " " " " 文獻標(biāo)識號：A" " " "DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.018

文章編號：1673-4874（2024）11-0057-02

引言

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）是工程建設(shè)項目實現(xiàn)數(shù)字化、可視化的重要技術(shù)革新。當(dāng)前，BIM技術(shù)在國內(nèi)公路行業(yè)發(fā)展較為迅速，技術(shù)更新迭代快速。BIM技術(shù)以信息流為核心，具有數(shù)據(jù)集成、可視化、高仿真、高協(xié)同等優(yōu)勢，能更好地適用交通領(lǐng)域，是傳統(tǒng)工程向數(shù)字化工程轉(zhuǎn)型升級的有效手段［1］。

目前BIM技術(shù)主要應(yīng)用于建筑工程領(lǐng)域，但在公路工程領(lǐng)域主要依靠傳統(tǒng)CAD圖紙進行三維建模，大部分基于三維BIM正向設(shè)計的公路工程軟件仍然處于探索發(fā)展階段，正向設(shè)計應(yīng)用仍在發(fā)展階段［2］。

BIM技術(shù)可以將公路設(shè)計由抽象的二維向三維可視化轉(zhuǎn)變，可以幫助設(shè)計人員在設(shè)計過程中快速判斷設(shè)計的合理性，以便設(shè)計人員盡快完善設(shè)計，得到最優(yōu)的設(shè)計方案。同時，該技術(shù)可以輔助匯報，更直觀地展現(xiàn)設(shè)計成果。

本文基于桂林—恭城—賀州高速公路（桂林至鐘山段）第三標(biāo)段三江鄉(xiāng)互通實例，介紹BIM正向設(shè)計在互通式立體交叉設(shè)計中的應(yīng)用，為設(shè)計人員提供參考。

1互通概況

三江鄉(xiāng)互通式立交位于三江鄉(xiāng)西南側(cè)，主要服務(wù)于三江鄉(xiāng)交通的出行，屬服務(wù)性互通式立交（平面圖見圖1）。主線交點樁號為K124+671.775，主線設(shè)計速度為100 km/h，路基寬度為26 m，為雙向四車道高速公路。

被交路現(xiàn)狀：該互通被交路為S302，公路等級為二級，設(shè)計速度為40 km/h，路基寬度為8.5 m，采用瀝青路面，采用T型渠化平面交叉。

地形地貌條件：勘察場地屬構(gòu)造砂巖丘陵洼地地貌，設(shè)計路線大致呈西向東從洼地跨過，地勢起伏大，地面高程為475.3～691.9 m，相對高差為216.6 m。場地周邊均為峰叢山峰，基巖裸露，洼地底部被第四系殘坡積層覆蓋，山體地表植被零星分布，多為稀疏草灌，洼地為開墾旱地，主要種植玉米。場地山體均有基巖出露，河溝內(nèi)沖積花崗巖風(fēng)化砂礫較多，未發(fā)現(xiàn)其他不良地質(zhì)現(xiàn)象。

2交通量預(yù)測

該互通根據(jù)預(yù)測交通量，到2044年，立交匝道預(yù)測轉(zhuǎn)向交通量如圖2所示。

3互通控制因素

本互通布設(shè)主要受控因素為：（1）K123+698處犁頭山隧道凈距；（2）在建S302省道；（3）交通量分布及地形條件；（4）村莊分布以及基本農(nóng)田分布。

4互通方案BIM正向設(shè)計

4.1基礎(chǔ)資料采集

BIM技術(shù)在公路中的應(yīng)用得益于先進測量技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，基于機載激光雷達測量技術(shù)在公路中的應(yīng)用，為公路設(shè)計提供了準(zhǔn)確、便捷、高效的原始資料，同時也為設(shè)計成果的準(zhǔn)確性提供了保障。

4.1.1機載激光雷達測量

機載激光掃描的地面基站采用網(wǎng)絡(luò)基站模式，采用測區(qū)布設(shè)的GPS點作為網(wǎng)絡(luò)基站點，基站數(shù)據(jù)均能夠進行GPS解算，無失鎖現(xiàn)象。平面采用GPS-RTK進行測量，流動站與基準(zhǔn)站的最大距離≤5 km。平面測量范圍為航飛數(shù)據(jù)采集范圍內(nèi)，主要采集地面上能分辨出明顯拐角的特征點。

外業(yè)作業(yè)完成后，利用軟件提取得到機載原始掃描數(shù)據(jù)文件，并利用數(shù)據(jù)處理軟件進行POS數(shù)據(jù)解算，解算出傳感器的運動軌跡和姿態(tài)參數(shù)。IMU/GPS數(shù)據(jù)的精度達到技術(shù)指標(biāo)的精度要求即可進行下一步工作。

將原始激光數(shù)據(jù)進行預(yù)處理生成原始的三維激光點云數(shù)據(jù)，然后將原始點云數(shù)據(jù)依據(jù)實測的平面和高程控制點進行平面和高程校正，計算出地表目標(biāo)物的空間三維坐標(biāo)（圖3）。利用校正后的三維激光點云在相關(guān)配套軟件中進行分類生成地面點和非地面點，并使用該軟件進行精度評價。

4.1.2三維數(shù)字化地面模型

利用機載激光雷達進行測繪后，得到高精度的三維點云數(shù)據(jù)以及影像資料，利用BIM技術(shù)構(gòu)建三維高精度數(shù)字化地面模型（圖4），并疊加影像數(shù)據(jù)，為各專業(yè)的三維正向設(shè)計提供依據(jù)，極大地縮短了設(shè)計周期。

4.2互通BIM方案總體布設(shè)

在搭建好的三維數(shù)字模型及影像的基礎(chǔ)上，根據(jù)三江鄉(xiāng)互通的控制因素，布置互通方案（圖5～7）。

方案一：選擇在山嶺中間布設(shè)，喇叭互通環(huán)圈選擇倒掛的形式，利用山包布設(shè)，A匝道下穿主線，減少橋梁規(guī)模，省道S302與主線分離交叉，上跨主線。

方案二：采用移位梨形方案，遠離隧道出入口，降低坡高。

4.3各專業(yè)BIM正向設(shè)計

在BIM模型初步搭建以后，導(dǎo)出相應(yīng)的專業(yè)設(shè)計文件，供其他專業(yè)在模型的基礎(chǔ)上搭建各專業(yè)的細部設(shè)計及數(shù)量統(tǒng)計工作。

4.4BIM的評價指標(biāo)輸出及方案比選

4.4.1評價指標(biāo)輸出

根據(jù)BIM各專業(yè)設(shè)計結(jié)果，集成后生成全專業(yè)BIM設(shè)計模型，根據(jù)標(biāo)定后的各指標(biāo)單價情況，輸出互通設(shè)計指標(biāo)及造價，得到工程數(shù)量及造價對比情況（表1）。

4.4.2方案比選

方案一雖然存在兩處高邊坡，但較方案二占基本農(nóng)田少，遠離村莊，拆遷量較少，項目實施難度小，工程規(guī)模較省。方案二雖然邊坡規(guī)模小，但較方案一拆遷增加5 997.15 m2，拆遷20戶，總體基本農(nóng)田占用數(shù)量增加6 086.67 m2，實施難度大，不利于農(nóng)田保護。經(jīng)綜合比選后，推薦選用方案一。

5結(jié)語

隨著道路設(shè)計軟件以及勘測手段的不斷創(chuàng)新發(fā)展，極大地方便了設(shè)計人員的方案設(shè)計，BIM技術(shù)正向設(shè)計在互通設(shè)計的應(yīng)用，可提高各專業(yè)的可視化及協(xié)同設(shè)計，為互通方案比選及互通數(shù)量計算提供了快捷的工具。本文針對BIM正向設(shè)計的應(yīng)用主要有以下意見及建議，供設(shè)計人員參考：

（1）為保證BIM正向設(shè)計結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要以精準(zhǔn)的數(shù)字地面模型及影像作為依撐，高精度數(shù)據(jù)的獲得通常采用機載激光雷達、車載激光雷達、傾斜攝影技術(shù)完成。

（2）以往匯報通常采用二維的總平圖進行匯報，設(shè)計的成果比較抽象，非專業(yè)人士理解較為困難，BIM技術(shù)的三維可視化將設(shè)計成果直觀顯示出來，提高了溝通的效率，尤其是當(dāng)主線或者匝道空間關(guān)系分布較為復(fù)雜時，BIM技術(shù)可以將其簡單展示出來，有著巨大的應(yīng)用優(yōu)勢。

（3）在傳統(tǒng)BIM技術(shù)視頻漫游演示的基礎(chǔ)上，BIM技術(shù)在交通領(lǐng)域的正向設(shè)計應(yīng)用越來越廣泛，該技術(shù)可以有效解決專業(yè)間協(xié)同的錯漏，并且可以直觀地呈現(xiàn)設(shè)計的實踐效果，為設(shè)計人員自查提供有效途徑，提高設(shè)計的準(zhǔn)確性。

（4）互通方案的選擇受到多方面因素的影響，隨著國家土地政策的收緊，基本農(nóng)田成為限制互通方案選擇的重要因素，在方案選擇時需要將其重點關(guān)注，同時需要兼顧造價及社會、環(huán)境的影響。BIM正向設(shè)計成果有助于快速判斷互通方案的優(yōu)劣，綜合各項指標(biāo)選擇最優(yōu)的方案。

（5）BIM技術(shù)可服務(wù)于設(shè)計、施工、管理等方面，貫穿整個工程的建設(shè)周期，為信息共享、信息查詢、工程可視化、實時進度監(jiān)督、提高工作效率等方面提供有效工具，也是交通現(xiàn)代化的體現(xiàn)。

參考文獻：

［1］彭欣，龐聰，韋繼寧，等.基于BIM技術(shù)的公路工程正向設(shè)計方法研究［J］.西部交通科技，2020（4）：32-36.

［2］林杰.BIM技術(shù)應(yīng)用下公路工程設(shè)計的創(chuàng)新發(fā)展路徑分析［J］.西部交通科技，2021（7）：56-69.

［3］吳興禮.公路工程中機載激光雷達技術(shù)的應(yīng)用探討［J］.綠色交通，2022（4）：117-119.

作者簡介：楊亞（1992—），工程師，主要從事道路交通勘察、設(shè)計等工作。

收稿日期：2024-05-16