BIM技术在市政立交设计阶段的应用研究

周 游，陈建丰，范宇丰，夏诗画

(招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067)

0 引 言

BIM(建筑信息化模型)概念，最早由美国的E. CHUCK[1]在1975年提出。他提出一种假设的计算机系统，该系统可以对建筑物进行智能模拟，并能从中提取包括工程图纸、工程量、施工进度等工程相关信息。该系统被命名为“建筑描述系统(building description system, BIM)”。该系统为BIM的原型，虽然在之后相当长的一段时期内，BIM的发展受到了CAD冲击，但关于BIM的研究一直在持续[2]。

BIM的定义有多种版本，相对而言，美国国家BIM标准对BIM的定义比较完整，认为“BIM是一个设施(建设项目)物理和功能特性的数字表达；BIM是一个知识资源，是一个分享有关这个设施的信息，为该设施从概念到拆除全生命周期中的所有决策提供可靠依据的过程；项目不同阶段，不同利益相关方通过在BIM中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映其各自职责的协同作业”[3]。

BIM由欧特克公司在2002年引入中国建筑行业，现已被越来越多的行业及工程师所了解和使用。虽然国内已经开展了基于BIM技术的工程施工管理及运维管理的应用研究[4-5]，但目前国内BIM技术仍主要应用于设计阶段[6]。相较于建筑业，我国交通行业虽起步较晚，但发展极其迅速，从业者为提高项目建设及管理水平，对市政、公路、铁路等工程开展了BIM理论、方法、工具和标准的研究[7-8]。但是总体而言，缺少整个工程全生命周期总的规划，造成了目前各阶段的BIM信息及应用成果无法相互使用[9]。

2016年8月住房和城乡建设部印发的《2016—2020年建筑业信息化发展纲要》，以及2017年1月交通运输部印发的《推进智慧交通发展行动计划2017—2020年》中，都指出将加强BIM技术在基础建设领域的作用。笔者依托重庆市蔡家嘉陵江大桥工程项目，以设计阶段模型建立和应用为主要研究内容，以期为BIM技术在立交工程设计阶段的应用提供实践经验与思路。

1 立交工程BIM模型建立

1.1 模型组成

图1 立交工程BIM模型结构Fig. 1 BIM model structure in interchange project

1.2 模型建立

小湾立交比较复杂，笔者通过Civil 3D、Power Civil、Micro Station和Generative Components等软件相结合的方式来建立立交模型。

1.2.1 三维地形模型建立

立交工程是与实际地形发生关系的构造物。BIM模型的建立基于地形图，只不过地形模型由二维CAD图变成了三维数字地形模型。笔者采用Civil 3D或Power Civil先对CAD图纸进行高程点和等高线提取，再通过控制三角网最大长度来建立三维地形模型，对于错误的高程孤点，采用筛选功能进行删除，逐步完成一个精确的三维地形模型[10]，如图2。

图2 数字地形模型Fig. 2 Digital terrain model

1.2.2 路线设计

笔者主要是将DICAD绘制的路线导入到Power Civil软件中，用平面几何工具提取平面线形，由于立交是由多条匝道组成，因此分别提取各匝道平面线形并绘制纵断面线，进而完成整个立交线形绘制，如图3。

图3 路线设计Fig. 3 Route design

1.2.3 参数化横断面设计

语文和传统文化的关系非常紧密。教师作为语文教学的引导者，肩负着培养学生的语文综合素养，传播中华传统文化的责任。教师一定要认识到传统文化中的精髓，自觉加强语文和文化修养，使语文课堂不但成为学生学习语文知识的课堂，而且也是学生接触和认识中华传统文化的重要课堂。

横断面是线形构造物的重要组成部分，它随线形反映着整个构造物的外部及内部形态。在传统二维设计当中，横断面的设计大多都是按20 m一个阶段进行设计，但立交段地形结构复杂，传统设计会造成设计的横断面与实际有很大出入。笔者使用的Power Civil参数化横断面设计，可以对整条道路进行“戴帽子”，并且按照设计师设置的各个构件之间的空间逻辑关系，自动随所处地形条件的不同而变化，见图4。

建立一个适应多种地形条件的参数化横断面模板，需满足以下几个条件：

1)边坡的挖填根据实际地面线自动判断；

2)边坡的高度及坡度应随着边坡级数不同，按要求自动调整变化；

3)可通过设计师设置的条件(如边坡多于3级时，自动设置路肩或路堑挡土墙)，减少填方的工程量；

4)根据边坡的形式，自动判断是否生成排水沟、截水沟或碎落台等结构。

参数化横断面模板制作过程中，可以定义多项参数[11]，其中构件的命名、尺寸、材质和标记应符合设计文件要求，并按资产管理的方式对其进行编码，使模型在工程量计算和运维管理时能更加精确及便捷。

1.2.4 立交桥梁模型建立

立交桥梁大多同时位于纵曲线和平曲线上，使用Generative Components对上部进行建模。建模过程利用了可视化编程技术，箱梁截面根据参数实时修改，解决了曲线复杂箱梁参数化建模这一技术难题。箱梁建模思路采用了中心线驱动加参数化横断面的模式，对箱梁的外轮廓、内腔、倒角、横隔板等都采用了参数驱动，可动态修改箱梁的宽度、长度、腹板厚度等信息，确保了箱梁建模的精确性，如图5。

图5 箱梁模型建立Fig. 5 Box girder model establishment

桥梁桥台及桥墩采用Micro Station建立参数化桥墩或桥台构件(构件的桩长、桩径、承台长等几何参数及材质参数皆可按实际调整)，并参照坐标及支座高程放置在桥梁文件中。

1.2.5 其他部分模型

排水工程模型采用Power Civil中的排水模块进行制作。整体思路是先将各个检查井作为节点，先插入到对应的高程及坐标位置，再设置不同的管道直径，将各个节点连接起来，形成完整的排水工程。

附属设置的布置采用Micro Station制作所有的交安及照明设施构件，并参照附属设施的平面布置图，按照平面所在位置布置相关构件。由于立交工程空间交叉复杂，在进行附属构件布置时，容易造成错误，因此在建立模型时应提前规划好文件结构组成(笔者是以专业及结构物段落来划分)分别布置，模型完成后总装，并附上卫片贴图后导入LumenRT软件，如图6。

图6 立交模型总装Fig. 6 Interchange model assembly drawings

2 立交BIM模型在设计阶段的应用

BIM模型建立后，如何运用模型才是BIM技术的重点，笔者主要论述在设计阶段利用BIM技术对道路线行进行优化，并实现工程量统计和出图功能，以及与VR技术结合。

2.1 道路线形优化

2.1.1 利用实时更新的功能优化路线方案

传统二维设计在土方调整时整个过程繁琐复杂，在设计过程中由于主要参考的纵断面设计线，会出现大填大挖的情况。通过BIM模型的三维可视化、实时动态更新土方统计功能，对照三维模型横断面填挖土方量的实际情况来调整线形，达到工程土方平衡的目的。例如对蔡家大桥工程主线路基段K3+123.637—K3+561.672段(位于立交段范围内)进行纵断面调整，根据调整后的土方平衡情况再进行反复优化，调整后路基段土方总量由116 260 m3减少为66 912 m3，填挖相差由56 829 m3减少为8 915 m3，基本达到土方平衡目的，如图7。BIM模型还有高程及土方分析功能，可对地形及工程模型进行高程分析，并通过场地的高程，分析所建场地到地形所需挖填土方量，为前期路线方案及土方平衡提供参考依据。

图7 土方调整Fig. 7 Earthwork adjustment

2.1.2 利用视距检查功能优化路线线形

城市道路停车视距是在路线设计过程中比较难以判断的参数，传统路线设计未考虑附属结构物在曲线段对视线的遮挡情况，因此会发生施工完成后道路视距不足的情况，但BIM模型是模拟的施工完成后的整体三维模型，可以准确的利用BIM软件视距检查功能运算出视距是否符合要求，根据CJJ 193—2012《城市道路路线设计规范》对最小视距和视线、障碍高的规定，对模型主线路基段进行视距检查，可根据检查结果对线性进行调整。

2.1.3 利用碰撞检查功能优化路线及管道线形

立交线路之间交错复杂，路、结构、边坡、管线专业之间交互设计较传统单条道路更为复杂。碰撞检测是BIM技术针对复杂结构物的一项重要应用。笔者对小湾立交雨水管道、污水管道以及桥梁下部进行了碰撞检测，解决了管道工程与桥梁下部结构间存在的碰撞冲突，优化路线平面线形设计，减少施工变更。由于建模时已将不同种类的模型建立在不同文件与特征中，检测管道间的碰撞时只需将雨水管道放入A集，污水管道放入B集；检查管道工程与桥梁下部结构时，将雨水管道与污水管道放入A集，桥梁下部结构放入B集，然后将A集与B集进行碰撞检测。检测一共发现小湾立交雨水管道与污水管道有5处发生碰撞，管道工程与桥梁下部共发生2处碰撞，具体碰撞结果如图8，并根据检查结果对道路匝道平面线形进行调整，避免碰撞的发生。

图8 碰撞检测Fig. 8 Collision inspection

2.1.4 利用三维可视化功能优化路线线形及高程

立交设计由于线形复杂且空间相互交错，传统的二维设计由于其局限性，往往设计得较为保守，净空会留有很大富余使工程量增加。而采用BIM辅助设计可以优化线形，使立交设计更为合理，减少因保守带来的工程量浪费，并通过三维可视性，检查调整后的净空高度是否满足规范要求，如图9。

图9 净空检查Fig. 9 Headroom inspection

在传统二维设计过程中，立交段的匝道桥梁设计由于地形复杂，确定承台标高十分困难，因此承台高度经常超过实际地面高度。而根据BIM模型的三维可视化特点，可对模型桥梁下部结构进行高程检查，如图10。龙溪河大桥Z6～Z8和Y9号桥墩承台和桩基露出地面，可在设计阶段依照检查结果对道路纵断面或桥墩的结构进行优化调整，减少施工变更的发生。

图10 桥墩高程检查Fig. 10 Bridge pier elevation inspection

2.2 工程量统计及清单

传统的二维设计中工程量统计时，以道路为例，一般是以断面法进行计算。由于地形的复杂程度不同，其计算的误差很大。而BIM模型工程量统计，是依据路基段和匝道桥梁段模型的横断面模板及参数化构件的定义自动进行分类统计，从而得出不同廊道段精确的各项工程量数据。根据《公路工程工程量清单及计量规范》对清单项进行构件编码，通过BIM软件生成工程量Excel文件，使用VBA程序，对照相应构件编码，把相关的工程量数据读入对应项的工程量清单中，完成符合现阶段设计概预算要求的工程量清单，整个工作流程如图11。

图11 工程量信息编码及清单编制Fig. 11 Engineering information coding and compiling the bill of quantities

2.3 三维出图及深化

设计优化完成后，可以通过BIM软件对模型及构件进行局部平、立、剖分面，或将三维构件调整至需要的视角，加入尺寸标注，即可对蔡家嘉陵江大桥项目BIM模型三维出图。嘉陵江大桥项目包含道路、桥梁、隧道等专业，通过BIM模型出图的内容和标注满足现行规范及标准的要求，如图12。

图12 BIM模型Fig. 12 BIM model

2.4 VR虚拟现实

在设计方案汇报时，往往使采用传统的二维总体图纸进行讲解，由于立交结构复杂交错，短时间内很难将设计思路清晰的传达给业主管理人员。BIM优秀的三维可视化能力可在汇报时，将蔡家嘉陵江大桥BIM模型与VR虚拟现实技术进行结合，通过动态漫游和三维展示，提升了BIM模型与业主管理人员之间的交互体验，使模型在整个使用和展示过程显得更为直观和具体化，并能更好的将设计意图准确的传达给业主。

3 结 语

笔者结合重庆市蔡家嘉陵江大桥小湾立交项目，通过BIM模型的建立和应用，对传统二维设计成果进行了优化和调整。认为将BIM技术应用在立交工程上是具有实际价值的，且该技术的要点和优点如下：

1)BIM模型的精确性决定了后续技术应用的准确性。对于立交工程这类专业多、空间交叉复杂的结构物模型建立，应提前规划好建模思路，梳理出一个清晰的模型文件组成结构，从而保证建立准确的BIM模型；

2)BIM技术可以提高设计成果的质量，依靠BIM模型优秀的三维可视化性、实时协调性和交互性的特点，检查设计文件的准确性，并通过BIM技术优化道路路线的设计，减少变更及返工的发生；

3)在模型建立足够精确和完整的条件下，BIM模型可以完成准确的工程量计算，并可按照要求进行出图；

4)BIM模型在汇报时可更加直观的展示整个立交项目的位置分布和空间交叉情况，使工程各方提升沟通效率，减少因理解不同造成的工期和资金的浪费。