BIM技术在城市主干道立交工程中的应用研究

徐利成，于泽江，冀盼彧，赵辰洋，林沛元

（1、广州市交通设计研究院有限公司 广州 511430；2、中山大学土木工程学院 广州 510275）

0 引言

随着城市化和基础设施建设的不断推进，道路交通系统的规模和复杂性正呈现一种迅猛增长的趋势。为了应对这一挑战，建筑信息模型（BIM）技术［1-5］作为一种创新的数字化设计和建造方法，逐渐在工程领域得到广泛应用。本文以广州番禺某城市主干道项目中的BIM 实施为例，探讨了BIM技术在该工程中的应用及其对项目的影响。

某项目主干道立交工程作为广州市道路交通系统的重要组成部分，承担着连接该市主干道和分支道路的关键任务。随着城市交通流量的增加，该立交工程的规划和设计必须充分考虑复杂的道路结构，以确保交通效率和安全性。在这一背景下，BIM 技术以其在项目全生命周期中提供一体化数据的优势，成为提高设计、建造和管理效率的有力工具。

国内外学者在BIM 技术对公路工程的应用方面进行了积极探索，并取得了一些不错的成果。张建平等人［6］通过创建邢汾高速公路的BIM 施工模型，实现了基于BIM 的宏观、中观和精细化管理相结合的多层次4D施工管理和可视化模拟；张艳平［7］结合实际项目研究了BIM 技术在东莞某综合体项目施工过程中的具体应用；李书锋［8］通过探讨BIM 技术在公路工程中的应用揭示了该技术可以促进公路工程的建设以及提高工程的效率和质量；赵玉石［9］查阅大量文献，预测和总结了BIM 技术在未来工程应用中的发展趋势；CHEN 等人［10］基于京沪高速公路改扩建工程提出高速公路的三维地形生成和轻量化转换方法；RONG［11］以问卷调查和现场访谈的形式进一步调查了BIM 技术在公路施工管理中的应用，其调研结果能够清晰反映BIM 在公路工程中应用的实际情况，并为工程行业信息化提供良好的技术支撑；WU［12］通过介绍BIM 概念的相关内容和分析BIM 软件在建筑设计中的具体应用，揭示了BIM 技术能够推动建筑设计产业进一步发展。

通过以上的国内外进展情况表明，BIM 技术作为一种集成的、协同的工程设计和管理方法，已经在全球范围内得到广泛应用，并且能够提高工程项目的效率和质量。基于此，本论文中将详细研究BIM 技术在广州番禺某城市主干道立交工程中的应用。通过这一研究，旨在为城市的交通改善提供有效的改造方案，同时也为BIM技术在大型城市基础设施项目中的应用提供宝贵的经验。

1 项目概况

本项目主干道位于广州市番禺区，路线自西向东延伸，全长约11 km。该主干道沿线自西往东依次途经多个行政村。此外，还连接了多个大型居住小区、客运站和商业场所。由于近年来沿线土地的开发利用和交通量的急剧增长，广州番禺某城市主干道的部分路段面临严重的交通拥堵问题。为缓解该主干道的交通拥堵问题，因此启动城市主干道立交工程改造计划。具体而言，该工程是对主干道立交节点的改造，路线全长1.26 km。该主干道主线规划为城市主干路，辅道为次干路，标准段主线为双向八车道，辅道为双向四车道，路基标准段宽度为80 m。在此次改造中，将新建1 座主线跨线桥、1座人行天桥，以及进行沿线主辅道的出入口改造和相关配套附属工程改造等。

2 BIM信息模型建模及主要设计

为了尽快解决广州番禺某城市主干道交通拥堵的问题和及时完成工程改造，我们采用BIM 技术对该工程进行模拟设计。相比于传统的CAD 软件，BIM 技术的优势在于以下3个方面：

⑴BIM技术能够运用参数代替数据信息，实现三维建模，更加清晰地呈现公路工程设计中的对象关系；

⑵BIM 技术在展示设计图纸关键点的同时，具备了整体工程的三维展现功能，弥补了传统软件的不足之处。

⑶BIM 技术能够直观展示施工各个环节的具体情况，有助于最大程度地规避公路设计中可能出现的问题，降低经济损失。

2.1 建模范围

本项目主干道立交工程建模范围为：主干道立交范围，包括主线跨线桥、人行天桥，以及地面辅道等。

本节点主要模型组成如下：

⑴设计范围包括沿线主辅出入口改造、配套附属工程改造等；

⑵新建主线跨线桥1座；⑶新建人行天桥1座。

2.2 主要设计

2.2.1 道路设计

在道路平面设计中，本项目主干道立交主线规划了新建的双向4 车道跨线桥，同时把两侧道路改造为辅道，实现了主辅道的分离。此外，在路口还新增了一座人行过街天桥。道路平面设计如图1所示。

图1 立交平面设计Fig.1 Interchange Plan Design

在纵断面设计中，整体线路的长度约为1.26 km。主线设有3 个变坡点，而辅道则设有4 个变坡点。一般路段均采用不小于0.3%的纵坡，对于现状部分纵坡小于0.3%的路段，采取增设排水措施的方式。设计中确保凸曲线能够满足良好的视距和视觉要求，而凹曲线则能够满足良好的视距和行车舒适性要求。主线道路的最小坡长为257.57 m（主线），最大纵坡为4%，竖曲线最小长度为106.1 m；辅道的最小坡长为110 m，最大纵坡为0.35%，竖曲线最小长度为91 m。立交纵断面如图2所示。

图2 立交纵断面Fig.2 Longitudinal View of the Interchange

关于横断面设计，一般路段的标准横断面布置为80 m，包括人行道、非机动车道、侧绿化带、辅道、侧绿带、行车道、中央绿化带、树池等。在立体交叉路段的标准横断面设计中，主线的新建双向4 车道跨线桥的道路标准横断面宽度为83.5 m，包括人行道、非机动车道、侧绿化带、辅道、侧分带、双向4 车道主线跨线桥、绿化带、树池等。一般路段和主线跨线桥路段的横断面布置设计如图3所示。

图3 立交横断面Fig.3 Cross-section View of the Interchange （mm）

2.2.2 主线跨线桥

主线跨线桥采用钢结构，设置为1 联，桥梁总体布置为（40+55+55+40）m，桥梁全长198.2 m，桥梁平面如图4所示。

图4 立交桥梁平面示意图Fig.4 Schematic Plan of the Bridge Girders of the Interchange

2.2.3 人行天桥

人行天桥采用钢结构，设置为1 联，桥梁总体布置为（18.56+38.8+18.3）m，桥梁全长75.66 m。人行天桥平面如图5所示。

图5 人行天桥平面示意图Fig.5 Schematic Plan of the Footbridge

2.3 模型创建

对于本项目主干道立交工程，由于基于不同软件工具在各自特定领域的优势，因此选用Civil 3D 进行创建路线模型，其他模型则选用Revit 进行创建。模型精细度等级依据《公路工程设计信息模型应用标准》［13］。

2.3.1 主线及辅助路线模型

主线及辅助路线依据设计主线及辅助平曲线直曲转角表、纵断面主线及辅助竖曲线参数创建，路线模型架构及组成如表1所示。

表1 路线模型架构及组成Tab.1 Route Model Architectureand Composition

2.3.2 桥梁模型

主线跨线桥采用钢结构，桥梁全长198.20 m。人行天桥采用钢结构，桥梁全长75.66 m。桥梁模型架构参考《公路工程信息模型应用统一标准》［14］，构件采用分级嵌套。桥梁模型具体组成如表2 所示，示意图如图6所示。

表2 桥梁模型架构及组成Tab.2 Bridge Model Architecture and Composition

图6 桥梁模型示意图Fig.6 Schematic Diagram of the Bridge Model

2.3.3 主线、辅道路面模型

主线、辅道路面模型架构参考《公路工程信息模型应用统一标准》，构件采用分级嵌套。具体组成如表3 所示，模型图如图7所示。

表3 主线、辅道路面模型架构及组成Tab.3 Main line，Auxiliary Road Surface Model Architecture and Composition

图7 路面模型示意图Fig.7 Schematic Diagram of the Pavement Model

3 可视化分析

基于BIM 技术创建的信息模型的基础上，采用Lumion10进行三维动态展示，以呈现改造范围内主线跨线桥与主线、辅道、路线交叉口之间的空间位置关系。通过Lumion 10 软件环境，以更真实的方式呈现建设成果，直观地反映建成后的桥梁、天桥、道路及沿线设施的情况。

3.1 真实场景渲染

本项目主线跨线桥平面及其正射面和人行天桥的真实场景渲染结果如图8 所示。Lumion10 的渲染生动地展示了跨线桥、人行天桥，以及它们与路段交叉口的空间关系。通过逼真的光照条件设置，成功捕捉了阳光和阴影的动态交互，显著提升了整体视觉吸引力。引入动态元素，如交通流，更进一步地为模拟成果增添了真实感。渲染结果图不仅提高了项目的可视化效果，也为决策者和相关方提供了更清晰、更生动的直观感受。

图8 真实场景渲染结果示意图Fig.8 Schematic Diagram of the Real Scene Rendering Results

3.2 三维动态漫游展示

本项目主线跨线桥的三维动态漫游视频的截图如图9 所示。该展示包括了整个场景的导览，以三维方式浏览和感受建筑物、桥梁以及周围环境的构成。通过导览整个场景，可以深入了解各个结构元素的布局与相互关系。通过三维动态漫游展示，用户得以从多个视角对建设成果进行直观观察，从而使其能够全面理解建设结果。这一展示为工程项目的建成情况带来更高的可视性，从而增进对工程进展的全面理解。

图9 主线跨线桥漫游Fig.9 Mainline Span Bridge Roaming

3.3 可操作自由交互式应用

主干道立交工程的可操作式自由交互式应用界面如图10所示。通过提供实时的用户操作，例如移动和视角切换等，以及选择特定元素获取其他详细信息，提供了更灵活的交互式体验。Lumion10的自由交互式应用为用户提供了高度实时的场景导航、视角控制、空间位置关系展示以及建成后设施的实时反映，这种直观、自由的交互方式极大地提高了沟通效率和施工效率，并且通过用户体验与操作性的优化，提供了更深入的理解和参与感，为城市主干道立交工程的设计和决策提供了强有力的支撑。

图10 立交可操作式自由交互式应用Fig.10 Operable Free Interactive Application of the Interchange Engineering

4 结语

通过深入研究了BIM 技术在广州番禺某城市主干道立交工程中的应用可得出以下结论：

⑴本研究充分展示了BIM 技术在城市主干道立交工程中的详细规划和设计过程中的关键作用。通过BIM 技术的应用，成功实现了主线规划、辅道改造、跨线桥和人行天桥设计等多方面的一体化建设与管理，为工程的高效实施提供了坚实的基础。

⑵BIM 技术的引入使工程设计团队实现更高效的协同工作。三维模型的建立使设计团队更直观地理解设计需求，减少了设计中的潜在冲突。设计阶段的高效协同不仅缩短了设计周期，而且为工程提供了更精准的设计方案，从而优化了设计质量。

⑶BIM 技术的应用能够确保工程项目设计与施工的高效对接。这不仅提高了工程的执行效率，还减少了潜在的误差，为工程的顺利进行奠定了基础。

⑷BIM 技术在广州番禺某城市主干道立交工程中的成功应用为类似的城市交通基础设施改造提供了重要的借鉴意义。BIM 技术的引入不仅提高了工程规划和设计的水平，还为类似项目的可持续性发展提供了有力支持。