BIM技術(shù)在城市主干道立交工程中的應(yīng)用研究

徐利成，于澤江，冀盼彧，趙辰洋，林沛元

（1、廣州市交通設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣州 511430；2、中山大學(xué)土木工程學(xué)院 廣州 510275）

0 引言

隨著城市化和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷推進(jìn)，道路交通系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜性正呈現(xiàn)一種迅猛增長(zhǎng)的趨勢(shì)。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，建筑信息模型（BIM）技術(shù)［1-5］作為一種創(chuàng)新的數(shù)字化設(shè)計(jì)和建造方法，逐漸在工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文以廣州番禺某城市主干道項(xiàng)目中的BIM 實(shí)施為例，探討了BIM技術(shù)在該工程中的應(yīng)用及其對(duì)項(xiàng)目的影響。

某項(xiàng)目主干道立交工程作為廣州市道路交通系統(tǒng)的重要組成部分，承擔(dān)著連接該市主干道和分支道路的關(guān)鍵任務(wù)。隨著城市交通流量的增加，該立交工程的規(guī)劃和設(shè)計(jì)必須充分考慮復(fù)雜的道路結(jié)構(gòu)，以確保交通效率和安全性。在這一背景下，BIM 技術(shù)以其在項(xiàng)目全生命周期中提供一體化數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，成為提高設(shè)計(jì)、建造和管理效率的有力工具。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在BIM 技術(shù)對(duì)公路工程的應(yīng)用方面進(jìn)行了積極探索，并取得了一些不錯(cuò)的成果。張建平等人［6］通過(guò)創(chuàng)建邢汾高速公路的BIM 施工模型，實(shí)現(xiàn)了基于BIM 的宏觀、中觀和精細(xì)化管理相結(jié)合的多層次4D施工管理和可視化模擬；張艷平［7］結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目研究了BIM 技術(shù)在東莞某綜合體項(xiàng)目施工過(guò)程中的具體應(yīng)用；李書(shū)鋒［8］通過(guò)探討B(tài)IM 技術(shù)在公路工程中的應(yīng)用揭示了該技術(shù)可以促進(jìn)公路工程的建設(shè)以及提高工程的效率和質(zhì)量；趙玉石［9］查閱大量文獻(xiàn)，預(yù)測(cè)和總結(jié)了BIM 技術(shù)在未來(lái)工程應(yīng)用中的發(fā)展趨勢(shì)；CHEN 等人［10］基于京滬高速公路改擴(kuò)建工程提出高速公路的三維地形生成和輕量化轉(zhuǎn)換方法；RONG［11］以問(wèn)卷調(diào)查和現(xiàn)場(chǎng)訪談的形式進(jìn)一步調(diào)查了BIM 技術(shù)在公路施工管理中的應(yīng)用，其調(diào)研結(jié)果能夠清晰反映BIM 在公路工程中應(yīng)用的實(shí)際情況，并為工程行業(yè)信息化提供良好的技術(shù)支撐；WU［12］通過(guò)介紹BIM 概念的相關(guān)內(nèi)容和分析BIM 軟件在建筑設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用，揭示了BIM 技術(shù)能夠推動(dòng)建筑設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展。

通過(guò)以上的國(guó)內(nèi)外進(jìn)展情況表明，BIM 技術(shù)作為一種集成的、協(xié)同的工程設(shè)計(jì)和管理方法，已經(jīng)在全球范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，并且能夠提高工程項(xiàng)目的效率和質(zhì)量?；诖?，本論文中將詳細(xì)研究BIM 技術(shù)在廣州番禺某城市主干道立交工程中的應(yīng)用。通過(guò)這一研究，旨在為城市的交通改善提供有效的改造方案，同時(shí)也為BIM技術(shù)在大型城市基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目中的應(yīng)用提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目主干道位于廣州市番禺區(qū)，路線自西向東延伸，全長(zhǎng)約11 km。該主干道沿線自西往東依次途經(jīng)多個(gè)行政村。此外，還連接了多個(gè)大型居住小區(qū)、客運(yùn)站和商業(yè)場(chǎng)所。由于近年來(lái)沿線土地的開(kāi)發(fā)利用和交通量的急劇增長(zhǎng)，廣州番禺某城市主干道的部分路段面臨嚴(yán)重的交通擁堵問(wèn)題。為緩解該主干道的交通擁堵問(wèn)題，因此啟動(dòng)城市主干道立交工程改造計(jì)劃。具體而言，該工程是對(duì)主干道立交節(jié)點(diǎn)的改造，路線全長(zhǎng)1.26 km。該主干道主線規(guī)劃為城市主干路，輔道為次干路，標(biāo)準(zhǔn)段主線為雙向八車(chē)道，輔道為雙向四車(chē)道，路基標(biāo)準(zhǔn)段寬度為80 m。在此次改造中，將新建1 座主線跨線橋、1座人行天橋，以及進(jìn)行沿線主輔道的出入口改造和相關(guān)配套附屬工程改造等。

2 BIM信息模型建模及主要設(shè)計(jì)

為了盡快解決廣州番禺某城市主干道交通擁堵的問(wèn)題和及時(shí)完成工程改造，我們采用BIM 技術(shù)對(duì)該工程進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)。相比于傳統(tǒng)的CAD 軟件，BIM 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于以下3個(gè)方面：

⑴BIM技術(shù)能夠運(yùn)用參數(shù)代替數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)三維建模，更加清晰地呈現(xiàn)公路工程設(shè)計(jì)中的對(duì)象關(guān)系；

⑵BIM 技術(shù)在展示設(shè)計(jì)圖紙關(guān)鍵點(diǎn)的同時(shí)，具備了整體工程的三維展現(xiàn)功能，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)軟件的不足之處。

⑶BIM 技術(shù)能夠直觀展示施工各個(gè)環(huán)節(jié)的具體情況，有助于最大程度地規(guī)避公路設(shè)計(jì)中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，降低經(jīng)濟(jì)損失。

2.1 建模范圍

本項(xiàng)目主干道立交工程建模范圍為：主干道立交范圍，包括主線跨線橋、人行天橋，以及地面輔道等。

本節(jié)點(diǎn)主要模型組成如下：

⑴設(shè)計(jì)范圍包括沿線主輔出入口改造、配套附屬工程改造等；

⑵新建主線跨線橋1座；⑶新建人行天橋1座。

2.2 主要設(shè)計(jì)

2.2.1 道路設(shè)計(jì)

在道路平面設(shè)計(jì)中，本項(xiàng)目主干道立交主線規(guī)劃了新建的雙向4 車(chē)道跨線橋，同時(shí)把兩側(cè)道路改造為輔道，實(shí)現(xiàn)了主輔道的分離。此外，在路口還新增了一座人行過(guò)街天橋。道路平面設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 立交平面設(shè)計(jì)Fig.1 Interchange Plan Design

在縱斷面設(shè)計(jì)中，整體線路的長(zhǎng)度約為1.26 km。主線設(shè)有3 個(gè)變坡點(diǎn)，而輔道則設(shè)有4 個(gè)變坡點(diǎn)。一般路段均采用不小于0.3%的縱坡，對(duì)于現(xiàn)狀部分縱坡小于0.3%的路段，采取增設(shè)排水措施的方式。設(shè)計(jì)中確保凸曲線能夠滿足良好的視距和視覺(jué)要求，而凹曲線則能夠滿足良好的視距和行車(chē)舒適性要求。主線道路的最小坡長(zhǎng)為257.57 m（主線），最大縱坡為4%，豎曲線最小長(zhǎng)度為106.1 m；輔道的最小坡長(zhǎng)為110 m，最大縱坡為0.35%，豎曲線最小長(zhǎng)度為91 m。立交縱斷面如圖2所示。

圖2 立交縱斷面Fig.2 Longitudinal View of the Interchange

關(guān)于橫斷面設(shè)計(jì)，一般路段的標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置為80 m，包括人行道、非機(jī)動(dòng)車(chē)道、側(cè)綠化帶、輔道、側(cè)綠帶、行車(chē)道、中央綠化帶、樹(shù)池等。在立體交叉路段的標(biāo)準(zhǔn)橫斷面設(shè)計(jì)中，主線的新建雙向4 車(chē)道跨線橋的道路標(biāo)準(zhǔn)橫斷面寬度為83.5 m，包括人行道、非機(jī)動(dòng)車(chē)道、側(cè)綠化帶、輔道、側(cè)分帶、雙向4 車(chē)道主線跨線橋、綠化帶、樹(shù)池等。一般路段和主線跨線橋路段的橫斷面布置設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 立交橫斷面Fig.3 Cross-section View of the Interchange （mm）

2.2.2 主線跨線橋

主線跨線橋采用鋼結(jié)構(gòu)，設(shè)置為1 聯(lián)，橋梁總體布置為（40+55+55+40）m，橋梁全長(zhǎng)198.2 m，橋梁平面如圖4所示。

圖4 立交橋梁平面示意圖Fig.4 Schematic Plan of the Bridge Girders of the Interchange

2.2.3 人行天橋

人行天橋采用鋼結(jié)構(gòu)，設(shè)置為1 聯(lián)，橋梁總體布置為（18.56+38.8+18.3）m，橋梁全長(zhǎng)75.66 m。人行天橋平面如圖5所示。

圖5 人行天橋平面示意圖Fig.5 Schematic Plan of the Footbridge

2.3 模型創(chuàng)建

對(duì)于本項(xiàng)目主干道立交工程，由于基于不同軟件工具在各自特定領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，因此選用Civil 3D 進(jìn)行創(chuàng)建路線模型，其他模型則選用Revit 進(jìn)行創(chuàng)建。模型精細(xì)度等級(jí)依據(jù)《公路工程設(shè)計(jì)信息模型應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》［13］。

2.3.1 主線及輔助路線模型

主線及輔助路線依據(jù)設(shè)計(jì)主線及輔助平曲線直曲轉(zhuǎn)角表、縱斷面主線及輔助豎曲線參數(shù)創(chuàng)建，路線模型架構(gòu)及組成如表1所示。

表1 路線模型架構(gòu)及組成Tab.1 Route Model Architectureand Composition

2.3.2 橋梁模型

主線跨線橋采用鋼結(jié)構(gòu)，橋梁全長(zhǎng)198.20 m。人行天橋采用鋼結(jié)構(gòu)，橋梁全長(zhǎng)75.66 m。橋梁模型架構(gòu)參考《公路工程信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》［14］，構(gòu)件采用分級(jí)嵌套。橋梁模型具體組成如表2 所示，示意圖如圖6所示。

表2 橋梁模型架構(gòu)及組成Tab.2 Bridge Model Architecture and Composition

圖6 橋梁模型示意圖Fig.6 Schematic Diagram of the Bridge Model

2.3.3 主線、輔道路面模型

主線、輔道路面模型架構(gòu)參考《公路工程信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》，構(gòu)件采用分級(jí)嵌套。具體組成如表3 所示，模型圖如圖7所示。

表3 主線、輔道路面模型架構(gòu)及組成Tab.3 Main line，Auxiliary Road Surface Model Architecture and Composition

圖7 路面模型示意圖Fig.7 Schematic Diagram of the Pavement Model

3 可視化分析

基于BIM 技術(shù)創(chuàng)建的信息模型的基礎(chǔ)上，采用Lumion10進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)展示，以呈現(xiàn)改造范圍內(nèi)主線跨線橋與主線、輔道、路線交叉口之間的空間位置關(guān)系。通過(guò)Lumion 10 軟件環(huán)境，以更真實(shí)的方式呈現(xiàn)建設(shè)成果，直觀地反映建成后的橋梁、天橋、道路及沿線設(shè)施的情況。

3.1 真實(shí)場(chǎng)景渲染

本項(xiàng)目主線跨線橋平面及其正射面和人行天橋的真實(shí)場(chǎng)景渲染結(jié)果如圖8 所示。Lumion10 的渲染生動(dòng)地展示了跨線橋、人行天橋，以及它們與路段交叉口的空間關(guān)系。通過(guò)逼真的光照條件設(shè)置，成功捕捉了陽(yáng)光和陰影的動(dòng)態(tài)交互，顯著提升了整體視覺(jué)吸引力。引入動(dòng)態(tài)元素，如交通流，更進(jìn)一步地為模擬成果增添了真實(shí)感。渲染結(jié)果圖不僅提高了項(xiàng)目的可視化效果，也為決策者和相關(guān)方提供了更清晰、更生動(dòng)的直觀感受。

圖8 真實(shí)場(chǎng)景渲染結(jié)果示意圖Fig.8 Schematic Diagram of the Real Scene Rendering Results

3.2 三維動(dòng)態(tài)漫游展示

本項(xiàng)目主線跨線橋的三維動(dòng)態(tài)漫游視頻的截圖如圖9 所示。該展示包括了整個(gè)場(chǎng)景的導(dǎo)覽，以三維方式瀏覽和感受建筑物、橋梁以及周?chē)h(huán)境的構(gòu)成。通過(guò)導(dǎo)覽整個(gè)場(chǎng)景，可以深入了解各個(gè)結(jié)構(gòu)元素的布局與相互關(guān)系。通過(guò)三維動(dòng)態(tài)漫游展示，用戶得以從多個(gè)視角對(duì)建設(shè)成果進(jìn)行直觀觀察，從而使其能夠全面理解建設(shè)結(jié)果。這一展示為工程項(xiàng)目的建成情況帶來(lái)更高的可視性，從而增進(jìn)對(duì)工程進(jìn)展的全面理解。

圖9 主線跨線橋漫游Fig.9 Mainline Span Bridge Roaming

3.3 可操作自由交互式應(yīng)用

主干道立交工程的可操作式自由交互式應(yīng)用界面如圖10所示。通過(guò)提供實(shí)時(shí)的用戶操作，例如移動(dòng)和視角切換等，以及選擇特定元素獲取其他詳細(xì)信息，提供了更靈活的交互式體驗(yàn)。Lumion10的自由交互式應(yīng)用為用戶提供了高度實(shí)時(shí)的場(chǎng)景導(dǎo)航、視角控制、空間位置關(guān)系展示以及建成后設(shè)施的實(shí)時(shí)反映，這種直觀、自由的交互方式極大地提高了溝通效率和施工效率，并且通過(guò)用戶體驗(yàn)與操作性的優(yōu)化，提供了更深入的理解和參與感，為城市主干道立交工程的設(shè)計(jì)和決策提供了強(qiáng)有力的支撐。

圖10 立交可操作式自由交互式應(yīng)用Fig.10 Operable Free Interactive Application of the Interchange Engineering

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)深入研究了BIM 技術(shù)在廣州番禺某城市主干道立交工程中的應(yīng)用可得出以下結(jié)論：

⑴本研究充分展示了BIM 技術(shù)在城市主干道立交工程中的詳細(xì)規(guī)劃和設(shè)計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵作用。通過(guò)BIM 技術(shù)的應(yīng)用，成功實(shí)現(xiàn)了主線規(guī)劃、輔道改造、跨線橋和人行天橋設(shè)計(jì)等多方面的一體化建設(shè)與管理，為工程的高效實(shí)施提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

⑵BIM 技術(shù)的引入使工程設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)更高效的協(xié)同工作。三維模型的建立使設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)更直觀地理解設(shè)計(jì)需求，減少了設(shè)計(jì)中的潛在沖突。設(shè)計(jì)階段的高效協(xié)同不僅縮短了設(shè)計(jì)周期，而且為工程提供了更精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)方案，從而優(yōu)化了設(shè)計(jì)質(zhì)量。

⑶BIM 技術(shù)的應(yīng)用能夠確保工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)與施工的高效對(duì)接。這不僅提高了工程的執(zhí)行效率，還減少了潛在的誤差，為工程的順利進(jìn)行奠定了基礎(chǔ)。

⑷BIM 技術(shù)在廣州番禺某城市主干道立交工程中的成功應(yīng)用為類(lèi)似的城市交通基礎(chǔ)設(shè)施改造提供了重要的借鑒意義。BIM 技術(shù)的引入不僅提高了工程規(guī)劃和設(shè)計(jì)的水平，還為類(lèi)似項(xiàng)目的可持續(xù)性發(fā)展提供了有力支持。