基于BIM的高速公路互通式立體交叉設計

摘要：文章以桂林—恭城—賀州高速公路（桂林至鐘山段）第三標段三江鄉互通為例，結合機載激光雷達測量技術，應用BIM技術構建了三維模型，根據三江鄉互通的控制因素設計了三種互通方案，通過BIM的評價指標對三種方案進行比選，以基本農田成為限制互通方案選擇的重要因素，兼顧造價及社會、環境的影響，在BIM正向設計下選擇出了最優方案。

關鍵詞：互通式立體交叉設計；機載激光雷達測量；BIM正向設計；可視化

中圖分類號：U413.35+2.1" " " " " " 文獻標識號：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）是工程建設項目實現數字化、可視化的重要技術革新。當前，BIM技術在國內公路行業發展較為迅速，技術更新迭代快速。BIM技術以信息流為核心，具有數據集成、可視化、高仿真、高協同等優勢，能更好地適用交通領域，是傳統工程向數字化工程轉型升級的有效手段［1］。

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

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

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

1互通概況

三江鄉互通式立交位于三江鄉西南側，主要服務于三江鄉交通的出行，屬服務性互通式立交（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。

被交路現狀：該互通被交路為S302，公路等級為二級，設計速度為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：勘察場地屬構造砂巖丘陵洼地地貌，設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，河溝內沖積花崗巖風化砂礫較多，未發現其他不良地質現象。

2交通量預測

該互通根據預測交通量，到2044年，立交匝道預測轉向交通量如圖2所示。

3互通控制因素

本互通布設主要受控因素為：（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田分布。

4互通方案BIM正向設計

4.1基礎資料采集

BIM技術在公路中的應用得益于先進測量技術的發展應用，基于機載激光雷達測量技術在公路中的應用，為公路設計提供了準確、便捷、高效的原始資料，同時也為設計成果的準確性提供了保障。

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絡基站模式，采用測區布設的GPS點作為網絡基站點，基站數據均能夠進行GPS解算，無失鎖現象。平面采用GPS-RTK進行測量，流動站與基準站的最大距離≤5 km。平面測量范圍為航飛數據采集范圍內，主要采集地面上能分辨出明顯拐角的特征點。

外業作業完成后，利用軟件提取得到機載原始掃描數據文件，并利用數據處理軟件進行POS數據解算，解算出傳感器的運動軌跡和姿態參數。IMU/GPS數據的精度達到技術指標的精度要求即可進行下一步工作。

將原始激光數據進行預處理生成原始的三維激光點云數據，然后將原始點云數據依據實測的平面和高程控制點進行平面和高程校正，計算出地表目標物的空間三維坐標（圖3）。利用校正后的三維激光點云在相關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據以及影像資料，利用BIM技術構建三維高精度數字化地面模型（圖4），并疊加影像數據，為各專業的三維正向設計提供依據，極大地縮短了設計周期。

4.2互通BIM方案總體布設

在搭建好的三維數字模型及影像的基礎上，根據三江鄉互通的控制因素，布置互通方案（圖5～7）。

方案一：選擇在山嶺中間布設，喇叭互通環圈選擇倒掛的形式，利用山包布設，A匝道下穿主線，減少橋梁規模，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BIM正向設計

在BIM模型初步搭建以后，導出相應的專業設計文件，供其他專業在模型的基礎上搭建各專業的細部設計及數量統計工作。

4.4BIM的評價指標輸出及方案比選

4.4.1評價指標輸出

根據BIM各專業設計結果，集成后生成全專業BIM設計模型，根據標定后的各指標單價情況，輸出互通設計指標及造價，得到工程數量及造價對比情況（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田少，遠離村莊，拆遷量較少，項目實施難度小，工程規模較省。方案二雖然邊坡規模小，但較方案一拆遷增加5 997.15 m2，拆遷20戶，總體基本農田占用數量增加6 086.67 m2，實施難度大，不利于農田保護。經綜合比選后，推薦選用方案一。

5結語

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

（1）為保證BIM正向設計結果的準確性，需要以精準的數字地面模型及影像作為依撐，高精度數據的獲得通常采用機載激光雷達、車載激光雷達、傾斜攝影技術完成。

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

（3）在傳統BIM技術視頻漫游演示的基礎上，BIM技術在交通領域的正向設計應用越來越廣泛，該技術可以有效解決專業間協同的錯漏，并且可以直觀地呈現設計的實踐效果，為設計人員自查提供有效途徑，提高設計的準確性。

（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注，同時需要兼顧造價及社會、環境的影響。BIM正向設計成果有助于快速判斷互通方案的優劣，綜合各項指標選擇最優的方案。

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

參考文獻：

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

［2］林杰.BIM技術應用下公路工程設計的創新發展路徑分析［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的應用探討［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、設計等工作。

收稿日期：2024-05-16