BIM技術在樞紐立交凈空優化的應用研究

梁 穎 慧

(上海城建職業學院，上海 200438)

1 概述

建筑信息模型(Building Information Model，BIM)的概念由美國Autodesk公司2002年首次提出。目前已經在全球范圍內得到業界的廣泛認可，它可以幫助實現建筑信息的集成，從建筑的設計、施工、運行直至建筑全壽命周期的終結[1]。

凈空是道路設計需考慮的關鍵因素，道路設計時必須滿足道路最小凈空要求，如各種機動車最小凈空4.5 m，自行車、三輪車最小凈空2.5 m[2]。現有常用的多種道路設計軟件如EICAD等在立交設計方面已較成熟，雖然利用EICAD進行立交平面設計較為方便，但縱斷面設計即涉及到錯綜復雜的上下層主線或匝道關系時仍略顯欠缺。

現有二維設計中凈空的考慮方法為：結合樁號對應關系，利用空間交叉的兩條或多條中心線的縱斷面高程結合橋梁結構厚度、橫坡推算，以檢查主線或不同匝道的空間交叉點是否能夠滿足凈空要求。此方法可用于簡單的雙層立交檢查，對于具有較近空間交叉點的三層或多層立交則變得異常復雜，效率較低。即使經過多次計算后，各交叉點雖然能夠滿足凈空要求，但為了保證車輛行駛安全，在部分空間交叉點處通常留有一定富余，造成了資源浪費。

BIM技術中可用于檢查凈空的軟件有多種，如Infraworks，Navisworks，Civil 3D等，但前兩者更傾向于粗略測量和估計，Civil 3D可快速精確的檢查且方便對凈空進行優化調整。Civil 3D是一款針對多領域、一體化均適用的三維市政設計軟件，由Autodesk公司在城市基礎設施行業推出[3]。

2 立交凈空優化原理

在Civil 3D中，數字地形模型稱為“曲面”，以一塊土地的三維空間模型表示，該模型由柵格或三角形組成。Civil 3D可以通過各種三維數據源如等高線、高程點等構建三維曲面，并可以對等高線、高程分布、坡度等進行分析。Civil 3D中共四種曲面：三角網曲面、柵格曲面、三角網體積曲面、柵格體積曲面，本文樞紐立交凈空分析時，采用三角網體積曲面。

三角網體積曲面是從對照曲面和基準曲面中的點的組合創建的組合曲面，也稱為差值曲面[4]。它能夠表示出基準曲面和對照曲面之間的精確差異，從而得出精確的體積計算成果。三角網體積曲面中任何點的Z值都等于對照曲面與基準曲面在該點處Z值的差。在立交空間交叉處，可利用上層橋梁底部與下層道路或橋梁頂部先分別形成三角網曲面，進而利用兩個三角網曲面形成交叉區域的三角網體積曲面，并分析三角網體積曲面的最小值，判斷立交限界內能否滿足最小凈空要求。

3 立交凈空優化方法

立交凈空優化的流程見圖1。

以下以立交中兩條有空間交叉點的匝道SW與WN為例加以說明，其中WN匝道為上層匝道，SW匝道為下層匝道。

3.1 匝道裝配

凈空分析時只需分析交叉點處投影面重合的部分，故匝道裝配時可根據樁號范圍需要進行選擇，無需在整條匝道起終點范圍內進行。橋梁段匝道橫斷面裝配、SW與WN匝道裝配后的結果如圖2所示。

3.2 匝道三角網曲面

利用SW，WN匝道平面、縱斷面、橫斷面裝配生成道路后，提取各條匝道的三角網曲面，為三角網體積曲面的生成提供條件。另外，橫斷面裝配設計時設置“頂部”與“底部”代碼，因WN為上層匝道，SW為下層匝道，故提取WN匝道底部曲面，SW匝道頂部曲面，此兩者曲面高差的大小即為凈空值。提取后的匝道曲面如圖3所示。

3.3 空間交叉點三角網體積曲面

SW匝道頂部與WN匝道底部三角網曲面生成后，可以利用兩者生成表示各點處Z值差的體積曲面，具體操作如圖4所示。曲面類型選定“三角網體積曲面”，并選取下層匝道SW的頂面作為基準曲面，上層匝道WN的底面作為對照曲面，點擊“確定”即可生成。

生成后的體積曲面利用高程特性表示，如圖5所示，根據圖例可以看到，體積曲面最小高程為5.71 m，最大高程6.25 m，而本次設計機動車道最小凈空采用5.0 m，故此節點存在優化空間。

3.4 縱斷面優化調整

立交凈空優化的根本在于交叉路線縱斷面的優化。上述兩條匝道之間最小凈空為5.71 m，能夠滿足規范中最小凈空要求，但存在富余，造成了資源浪費。在滿足其他交叉點凈空的前提下，可通過保持SW匝道縱斷面不變，降低上層WN匝道的縱斷面，使凈空保持在較合理的范圍區間。

首先可用WN匝道縱斷面作為基礎，創建疊合縱斷面，即將SW匝道縱斷面投影在WN匝道縱斷面上，標出交叉點的高程，如圖6所示。對WN匝道縱斷面進行調整，并實時查詢交叉點處高程值。調整后的WN匝道縱斷面高程平均下降約0.6 m，降低了匝道的整體高度，如圖7所示。

利用調整后的WN匝道縱斷面，對WN匝道的三角網曲面進行更新，并與SW匝道三角網曲面重新生成交叉點處的三角網體積曲面，如圖8所示。調整后的最小凈空為5.09 m，符合規范要求且富余較少，節約了資源。

4 應用實例

以下通過某正在設計的樞紐立交工程北半部實例，來體現Civil 3D在凈空優化設計中的應用。此立交位于某城市市區，周邊環境較復雜，用地局促，設計時不僅要求平面拆遷量少，同時要求立交縱向盡量節約空間，以與周圍建筑環境相匹配。為更好的體現Civil 3D在凈空設計中的意義，本次設計時首先在二維條件下經過多次調整主線和匝道縱斷面，得到現有二維設計條件下認為較合理的空間布置，然后利用Civil 3D進行立交凈空的分析與優化。

4.1 立交凈空分析

保留主線和匝道的中心線，將所有空間交叉的主線和匝道生成三角網曲面，并利用在地形投影面上有交集的三角網曲面兩兩生成三角網體積曲面(具體操作方法如3.3節)。 利用三角網體積曲面分析立交中所有空間交叉點的凈空情況，并用不同的顏色表示不同區段的凈空值，凈空值分布及凈空分布占比分別如圖9，圖10所示。

4.2 立交凈空優化

由圖9可以看出，立交北半部凈空值為5 m～6 m比例為18%，根據本次設計對于機動車道5.0 m凈空的要求，可判斷此部分優化空間較大。且由圖10可知，凈空分布大于9 m的占比為20%，整體上分析應該存在較大的優化空間，經過對其他節點的凈空值分析，可最終確定需進行調整的路線縱斷面。需要注意的是，因立交匝道間上下層關系較復雜，同一條匝道可能存在下穿和上跨幾條匝道的情況，故調整縱斷面時應在滿足規范的前提下，統籌考慮各縱斷面間的關系，經過多次調整，最終達到各空間交叉點合理的凈空值。

本文通過對多條匝道縱斷面的調整及驗證，最終得到優化后的立交凈空分布如圖11所示，分布比例如圖12所示。

通過凈空優化，立交北半部西段部分凈空值平均下降約1.0 m。綜合分析整個立交，第2層匝道凈空值平均下降約0.5 m，第3層匝道凈空值平均下降約0.8 m。調整后凈空分布大于9 m的占比為14%，相對優化前下降6%。凈空優化降低了立交的整體高度，使立交縱向空間設計更為緊湊且節約了工程造價。

由此可見， Civil 3D中的三角網體積曲面可反映任何立交空間交叉范圍內的凈空值，進而更準確的優化凈空。

5 結語

現有的二維設計方法可用于樞紐立交的縱斷面設計及驗證，但將BIM技術尤其是Civil 3D軟件應用于凈空的優化，優勢明顯。Civil 3D用于凈空優化可以節約工程造價，驗證過程呈現動態變化，更直觀準確。另外，BIM技術中的Civil 3D體積曲面目前多用于計算土方等工程量，將體積曲面用于立交凈空檢查，從而進行縱斷面優化，化繁為簡，具有一定的創新性與實際意義。