梁 穎 慧

(上海城建職業(yè)學(xué)院，上海 200438)

1 概述

建筑信息模型(Building Information Model，BIM)的概念由美國(guó)Autodesk公司2002年首次提出。目前已經(jīng)在全球范圍內(nèi)得到業(yè)界的廣泛認(rèn)可，它可以幫助實(shí)現(xiàn)建筑信息的集成，從建筑的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行直至建筑全壽命周期的終結(jié)[1]。

凈空是道路設(shè)計(jì)需考慮的關(guān)鍵因素，道路設(shè)計(jì)時(shí)必須滿足道路最小凈空要求，如各種機(jī)動(dòng)車最小凈空4.5 m，自行車、三輪車最小凈空2.5 m[2]?，F(xiàn)有常用的多種道路設(shè)計(jì)軟件如EICAD等在立交設(shè)計(jì)方面已較成熟，雖然利用EICAD進(jìn)行立交平面設(shè)計(jì)較為方便，但縱斷面設(shè)計(jì)即涉及到錯(cuò)綜復(fù)雜的上下層主線或匝道關(guān)系時(shí)仍略顯欠缺。

現(xiàn)有二維設(shè)計(jì)中凈空的考慮方法為：結(jié)合樁號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系，利用空間交叉的兩條或多條中心線的縱斷面高程結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)厚度、橫坡推算，以檢查主線或不同匝道的空間交叉點(diǎn)是否能夠滿足凈空要求。此方法可用于簡(jiǎn)單的雙層立交檢查，對(duì)于具有較近空間交叉點(diǎn)的三層或多層立交則變得異常復(fù)雜，效率較低。即使經(jīng)過多次計(jì)算后，各交叉點(diǎn)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(diǎn)處通常留有一定富余，造成了資源浪費(fèi)。

BIM技術(shù)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(cè)量和估計(jì)，Civil 3D可快速精確的檢查且方便對(duì)凈空進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。Civil 3D是一款針對(duì)多領(lǐng)域、一體化均適用的三維市政設(shè)計(jì)軟件，由Autodesk公司在城市基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)推出[3]。

2 立交凈空優(yōu)化原理

在Civil 3D中，數(shù)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(shù)據(jù)源如等高線、高程點(diǎn)等構(gòu)建三維曲面，并可以對(duì)等高線、高程分布、坡度等進(jìn)行分析。Civil 3D中共四種曲面：三角網(wǎng)曲面、柵格曲面、三角網(wǎng)體積曲面、柵格體積曲面，本文樞紐立交凈空分析時(shí)，采用三角網(wǎng)體積曲面。

三角網(wǎng)體積曲面是從對(duì)照曲面和基準(zhǔn)曲面中的點(diǎn)的組合創(chuàng)建的組合曲面，也稱為差值曲面[4]。它能夠表示出基準(zhǔn)曲面和對(duì)照曲面之間的精確差異，從而得出精確的體積計(jì)算成果。三角網(wǎng)體積曲面中任何點(diǎn)的Z值都等于對(duì)照曲面與基準(zhǔn)曲面在該點(diǎn)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(wǎng)曲面，進(jìn)而利用兩個(gè)三角網(wǎng)曲面形成交叉區(qū)域的三角網(wǎng)體積曲面，并分析三角網(wǎng)體積曲面的最小值，判斷立交限界內(nèi)能否滿足最小凈空要求。

3 立交凈空優(yōu)化方法

立交凈空優(yōu)化的流程見圖1。

以下以立交中兩條有空間交叉點(diǎn)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(shí)只需分析交叉點(diǎn)處投影面重合的部分，故匝道裝配時(shí)可根據(jù)樁號(hào)范圍需要進(jìn)行選擇，無(wú)需在整條匝道起終點(diǎn)范圍內(nèi)進(jìn)行。橋梁段匝道橫斷面裝配、SW與WN匝道裝配后的結(jié)果如圖2所示。

3.2 匝道三角網(wǎng)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(wǎng)曲面，為三角網(wǎng)體積曲面的生成提供條件。另外，橫斷面裝配設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)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(diǎn)三角網(wǎng)體積曲面

SW匝道頂部與WN匝道底部三角網(wǎng)曲面生成后，可以利用兩者生成表示各點(diǎn)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(wǎng)體積曲面”，并選取下層匝道SW的頂面作為基準(zhǔn)曲面，上層匝道WN的底面作為對(duì)照曲面，點(diǎn)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(jù)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(shè)計(jì)機(jī)動(dòng)車道最小凈空采用5.0 m，故此節(jié)點(diǎn)存在優(yōu)化空間。

3.4 縱斷面優(yōu)化調(diào)整

立交凈空優(yōu)化的根本在于交叉路線縱斷面的優(yōu)化。上述兩條匝道之間最小凈空為5.71 m，能夠滿足規(guī)范中最小凈空要求，但存在富余，造成了資源浪費(fèi)。在滿足其他交叉點(diǎn)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(qū)間。

首先可用WN匝道縱斷面作為基礎(chǔ)，創(chuàng)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(biāo)出交叉點(diǎn)的高程，如圖6所示。對(duì)WN匝道縱斷面進(jìn)行調(diào)整，并實(shí)時(shí)查詢交叉點(diǎn)處高程值。調(diào)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(diào)整后的WN匝道縱斷面，對(duì)WN匝道的三角網(wǎng)曲面進(jìn)行更新，并與SW匝道三角網(wǎng)曲面重新生成交叉點(diǎn)處的三角網(wǎng)體積曲面，如圖8所示。調(diào)整后的最小凈空為5.09 m，符合規(guī)范要求且富余較少，節(jié)約了資源。

4 應(yīng)用實(shí)例

以下通過某正在設(shè)計(jì)的樞紐立交工程北半部實(shí)例，來(lái)體現(xiàn)Civil 3D在凈空優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。此立交位于某城市市區(qū)，周邊環(huán)境較復(fù)雜，用地局促，設(shè)計(jì)時(shí)不僅要求平面拆遷量少，同時(shí)要求立交縱向盡量節(jié)約空間，以與周圍建筑環(huán)境相匹配。為更好的體現(xiàn)Civil 3D在凈空設(shè)計(jì)中的意義，本次設(shè)計(jì)時(shí)首先在二維條件下經(jīng)過多次調(diào)整主線和匝道縱斷面，得到現(xiàn)有二維設(shè)計(jì)條件下認(rèn)為較合理的空間布置，然后利用Civil 3D進(jìn)行立交凈空的分析與優(yōu)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(wǎng)曲面，并利用在地形投影面上有交集的三角網(wǎng)曲面兩兩生成三角網(wǎng)體積曲面(具體操作方法如3.3節(jié))。 利用三角網(wǎng)體積曲面分析立交中所有空間交叉點(diǎn)的凈空情況，并用不同的顏色表示不同區(qū)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(yōu)化

由圖9可以看出，立交北半部?jī)艨罩禐? m～6 m比例為18%，根據(jù)本次設(shè)計(jì)對(duì)于機(jī)動(dòng)車道5.0 m凈空的要求，可判斷此部分優(yōu)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(yīng)該存在較大的優(yōu)化空間，經(jīng)過對(duì)其他節(jié)點(diǎn)的凈空值分析，可最終確定需進(jìn)行調(diào)整的路線縱斷面。需要注意的是，因立交匝道間上下層關(guān)系較復(fù)雜，同一條匝道可能存在下穿和上跨幾條匝道的情況，故調(diào)整縱斷面時(shí)應(yīng)在滿足規(guī)范的前提下，統(tǒng)籌考慮各縱斷面間的關(guān)系，經(jīng)過多次調(diào)整，最終達(dá)到各空間交叉點(diǎn)合理的凈空值。

本文通過對(duì)多條匝道縱斷面的調(diào)整及驗(yàn)證，最終得到優(yōu)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(yōu)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(gè)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(diào)整后凈空分布大于9 m的占比為14%，相對(duì)優(yōu)化前下降6%。凈空優(yōu)化降低了立交的整體高度，使立交縱向空間設(shè)計(jì)更為緊湊且節(jié)約了工程造價(jià)。

由此可見， Civil 3D中的三角網(wǎng)體積曲面可反映任何立交空間交叉范圍內(nèi)的凈空值，進(jìn)而更準(zhǔn)確的優(yōu)化凈空。

5 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)有的二維設(shè)計(jì)方法可用于樞紐立交的縱斷面設(shè)計(jì)及驗(yàn)證，但將BIM技術(shù)尤其是Civil 3D軟件應(yīng)用于凈空的優(yōu)化，優(yōu)勢(shì)明顯。Civil 3D用于凈空優(yōu)化可以節(jié)約工程造價(jià)，驗(yàn)證過程呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化，更直觀準(zhǔn)確。另外，BIM技術(shù)中的Civil 3D體積曲面目前多用于計(jì)算土方等工程量，將體積曲面用于立交凈空檢查，從而進(jìn)行縱斷面優(yōu)化，化繁為簡(jiǎn)，具有一定的創(chuàng)新性與實(shí)際意義。