摘要 傳統(tǒng)的高速公路互通立交規(guī)劃設計往往只考慮單個互通立交的設計，導致高速公路實際施工時進度緩慢，為此，文章研究了BIM技術在高速公路互通立交規(guī)劃設計中的應用。首先選擇高速公路互通立交設計指標，利用選擇的指標實施現(xiàn)場航測，再根據現(xiàn)場航測反饋的數據開展可視化三維設計，接著進行基于BIM技術的工程量統(tǒng)計，最后校核整個高速公路互通立交規(guī)劃設計。實驗結果表明：與GIS技術和數值模擬技術在高速公路互通立交規(guī)劃設計應用中，BIM技術的應用可以顯著提高工程進度和整體效益，具有實際的應用價值。

關鍵詞 BIM技術；高速公路；互通立交規(guī)劃；互通立交

中圖分類號 K928.4 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）04-0050-03

0 引言

隨著科技的迅速進步，各種技術在工程建設領域的應用日益廣泛。其中GIS技術可以提供高速公路互通立交周邊的地形、地貌、水文等地理信息，有助于項目團隊進行方案設計和評估。但數據獲取需要大量的地理信息數據，而這些數據的獲取往往受到一些限制。數值模擬技術可以對高速公路互通立交的結構設計進行優(yōu)化，提高結構的強度和穩(wěn)定性，但需要高性能的計算機和相關的軟件，成本較高。為此，該文研究BIM技術在高速公路互通立交規(guī)劃設計中的應用，旨在揭示其如何提高設計效率和質量，降低工程成本和風險，并為實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展提供支持。通過可持續(xù)發(fā)展的理念和技術應用，可以實現(xiàn)工程建設與環(huán)境保護的和諧共生。

1 BIM技術在高速公路互通立交規(guī)劃設計中的應用

1.1 高速公路互通立交設計指標選擇

1.1.1 視距設計

由于行車視線受到縱、橫斷面等多種因素的影響，所以需要對高速公路進行立體視距分析，以便發(fā)現(xiàn)視線不符合要求的路段并進行優(yōu)化設計^[1]。

針對高速公路互通立交，由于該路段有中間分區(qū)，匝道上沒有對向車輛，所以在高速公路上，停車視距通常都是要檢查的。停車觀察距離應該符合規(guī)定（見表1）。

停車視距是指司機在發(fā)現(xiàn)前方障礙物后，為達到安全停車的目的需要行駛的距離。這個距離包括兩部分：一是司機發(fā)現(xiàn)障礙物到停車制動所需要的距離，二是為了確保安全而額外添加的5～10 m距離。在實際應用中，停車視距需要大于規(guī)定的取值以確保安全，計算公式如下：

式中，S_c——車輛在互通立交處安全停車所需的距離；v——車輛最佳行駛速度（km/h）；t——駕駛員響應時間（s）；g——重力常數（m/s²）；f——路面摩擦系數，受路面結構和車輛輪胎等多種因素影響。

1.1.2 平面和縱斷面線形標準

（1）平曲線半徑：設計高速公路互通立交匝道圓弧半徑應綜合考慮多方面的因素，包括用地、規(guī)模和工程造價等，同時要與行車速度和超高橫坡舒適性相匹配，需滿足如下公式：

式中，R——山區(qū)互通立交匝道換面半徑的計算公式；V——以km/h為單位的理想行駛速度；u——路面與輪胎之間的側向作用力，以無量綱形式表示；i——縱坡度^[2]。根據式（2），當坡道的設計速度恒定時，超高橫坡和側向力系數決定圓曲線的最小半徑。

（2）縱坡度：在高速公路互通立交規(guī)劃設計中，縱斷面線形指標對于確保行車安全和舒適度至關重要。其中一個常用的縱斷面線形指標是縱坡度i，它表示道路中心線的縱向傾斜程度。縱坡度i的計算公式如下：

式中，h——縱斷面上任意兩點的垂直高差（m）；L——該兩點間的水平距離（m）。在高速公路互通立交規(guī)劃設計中，主要考慮合理的縱坡度和變坡點位置，以實現(xiàn)安全、舒適、經濟和環(huán)保的設計目標。根據不同的設計標準和規(guī)范，縱坡度i的取值范圍也會有所不同。

1.2 現(xiàn)場航測

為了保證無人機在航測過程中能正常發(fā)揮作用，必須事先勘察工程場地，根據上述指標，開展現(xiàn)場航測工作^[3]：

（1）確定禁飛區(qū)域：在了解現(xiàn)場環(huán)境之后，需要確定是否存在禁飛區(qū)域。

（2）選擇合適的起飛位置：選擇一個合適的起飛位置可以確保無人機的安全飛行。這個位置應該遠離可能干擾無人機的物體，并且能夠使無人機在飛行過程中保持視線良好。

（3）考慮天氣條件：在選擇飛行日期之前，需要關注天氣預報并選擇適合無人機的天氣條件。惡劣的天氣條件，如強風、雷暴、雨雪等，可能會對無人機的飛行產生不利影響，因此需要避免在這些天氣條件下進行航測。

（4）做好飛行前的準備：在執(zhí)行航測任務之前，檢查無人機的電池壽命、校準無人機的GPS系統(tǒng)、檢查攝像設備和傳感器等，做好充分的準備工作。

值得注意的是，該文還根據高速公路互通立交工程的具體情況，對測量工程進行區(qū)塊劃分^[4]。將航測項目分為尺寸約為1 000 m×1 200 m的2個區(qū)塊。針對工程建設中存在的橋梁墩柱、路基擋墻等建筑物或構筑物，通過對航攝角度進行調整，使航攝角度達到最大程度，為航空攝影設定攝像機的傾斜角α=55 °，航線重合率H=75%，旁向重疊率S=75%。綜上所述，結合高速公路互通立交工程實際，對飛行區(qū)域、相機傾角、航向重疊率、側向重疊率等參數進行了合理規(guī)劃，并在需要的時候補充拍攝，確保各區(qū)域全部測量完畢。

1.3 可視化三維設計

通過航測獲得的高速公路互通立交數據，進行基于BIM技術的高速公路互通立交規(guī)劃可視化三維設計，將設計方案以更加直觀的方式呈現(xiàn)出來，具體如圖1所示。

可視化三維設計主要涉及以下步驟：

（1）建立三維模型：利用BIM軟件，根據設計圖紙以及導入地形數據、道路線形數據和其他相關數據來建立高速公路互通立交的三維模型。

（2）渲染與可視化：通過調整模型的角度、光照和顏色等參數，將三維模型渲染成具有真實感的圖像?？梢暬Ч梢酝ㄟ^計算視覺指標如視角、視距、視高、色彩等來評估。其中視角θ是指觀察者與被觀察物體之間的夾角，可以用以下公式計算：

θ=arctan（h/L） （4）

而視高h′是指被觀察物體在觀察者眼中的高度，可以用以下公式計算：

（3）動畫模擬：通過計算車輛行駛軌跡、速度、交通量等參數來進行動畫模擬，展示高速公路互通立交在不同交通流量和速度條件下的運行情況^[5]。

1.4 基于BIM技術的工程量統(tǒng)計

接著通過可視化三維圖提供的數據進行批量布置、建模，再比對施工圖紙，檢查是否有結構標高沖突、坐標偏差、設計參數矛盾等問題^[6]。還可通過BIM技術查詢各結構的體積及鋼筋數量，進一步對數量進行復核，以便排除圖紙的差、錯、漏、碰問題，及時將發(fā)現(xiàn)的問題納入圖紙會審問題庫進行上報修正。

但值得注意的是，三維模型中難以自動獲取模型和構件的部分屬性數量，例如不同直徑的鋼筋用量、小型零配件和預埋件的材料用量等。設計師仍然需要手動輸入這一部分的屬性，完成表格的填充、編輯^[7]。在將組件的全部屬性輸入到BIM模型中后，按照組件分項劃分、組件分類以及每一個組件的不同材料用量等屬性信息，自動生成一個標準化的列表，以實現(xiàn)工程量的自動統(tǒng)計。

1.5 設計校核

最后利用BIM技術進行設計圖紙校核以檢驗高速公路互通立交規(guī)劃設計的完整性和規(guī)范性。

首先在BIM模型中添加相應的參數，包括工程量、工程造價等數據。利用BIM技術的碰撞檢測功能，對設計圖紙進行復核。碰撞檢測可以發(fā)現(xiàn)圖紙中可能存在的沖突和問題，如空間布局不合理、管線碰撞等。接著利用BIM技術的數據統(tǒng)計和分析功能，統(tǒng)計和分析設計圖紙中的數據和信息^[8]。在審核和調整過程中，需要注意保持BIM模型與設計圖紙以及高速公路設計規(guī)范的一致性和準確性。公路互通式立交在大城市和重要工業(yè)園區(qū)附近的平均間距建議為5～10 km，其他地區(qū)宜為15～25 km。公路互通式立交間距示意圖如圖2所示。

最后將最終復核結果輸出為相應的文件和報告，包括工程量統(tǒng)計表、工程造價清單、施工進度模擬圖等。為后續(xù)的施工和管理提供參考。綜上所述，利用BIM技術完成設計圖紙的校核。

2 實驗

2.1 實驗準備

以某市高速公路互通立交為例，該高速公路互通立交位于禾馱鎮(zhèn)東側，與G316線相接。從車流的流向和立交區(qū)域的地形地貌出發(fā)，立交設計為梨形立交，主要跨越于該工程的申都樞紐16.385 km處。G316線全線為一級公路，路基寬度7.5 m，雙向車道，設計時速40 km/h。平面圖如圖3所示。

互通立交主要技術指標及工程規(guī)模如表2所示。

2.2 實驗結果與分析

為了驗證BIM技術在高速公路互通立交規(guī)劃設計中的應用效果，以工程施工周期為指標，將BIM技術、GIS技術和數值模擬技術對高速公路互通立交施工周期進行對比，這三種技術對工程進度影響結果如表3所示。

通過以上實驗表格可以看出，BIM技術在高速公路互通立交規(guī)劃設計中對施工周期的影響最為顯著。BIM技術可優(yōu)化設計方案，減少返工和變更，從而顯著縮短施工周期。相比之下，GIS技術和數值模擬技術在工程施工周期方面的影響相對較小。因此，在高速公路互通立交規(guī)劃設計中，BIM技術的應用可以顯著提高工程進度和整體效益。

3 結束語

基于BIM技術的高速公路互通立交規(guī)劃設計具有顯著的優(yōu)勢，通過引入BIM技術，可以提高設計效率和質量，降低工程成本和風險，并為實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展提供支持。然而，目前基于BIM技術的高速公路互通立交規(guī)劃設計應用還存在一些問題，如數據交換標準不統(tǒng)一、協(xié)同設計難度大等。未來需要進一步研究和探索基于BIM技術的高速公路互通立交規(guī)劃設計的最佳實踐方式和技術創(chuàng)新方向。

參考文獻

[1]楊森順， 楊虹. BIM技術在高速公路施工預算中的應用[J]. 中國招標， 2023（11）： 153-155.

[2]饒登宇， 王哲世， 趙斌. BIM技術在城區(qū)高速公路復雜互通立交建設中的應用[J]. 中國建設信息化， 2023（19）： 88-93.

[3]趙歡. BIM技術在高速公路橋梁養(yǎng)護綜合管理中的應用[J]. 工程技術研究， 2023（16）： 123-125.

[4]高鵬云. BIM技術在高速公路設計施工一體化中的應用研究[J]. 科技創(chuàng)新與生產力， 2023（8）： 54-57.

[5]張博， 閆晶， 吳瓊. 淺談BIM技術在高速公路互通工程中的應用[J]. 交通科技與管理， 2023（15）： 27-29.

[6]黃炎. BIM技術在公路改擴建設計中的應用[J]. 中外公路， 2022（6）： 255-259.

[7]張科超， 王玨， 朱秀玲， 等. BIM技術在高速公路改擴建工程建設期的應用研究[J]. 公路， 2022（4）： 287-291.

[8]劉志中， 裴佑生. BIM技術在高速公路互通立交設計及施工管理中的應用[J]. 北方交通， 2022（2）： 50-53+56.

收稿日期：2023-12-05

作者簡介：焦秦州（1988—），男，本科，工程師，研究方向：道路工程。