BIM技术在城市互通立交设计应用研究

摘要：本文在城市互通立交设计中引进BIM技术，搭建多专业协同设计平台，提出BIM互通立交设计的流程，初步实现二维设计向三维设计的转化；并进行各专业碰撞检查，校审更加直观清晰；初步建立BIM构件库，进行了项目细部构造效果渲染和行车模拟，初步实现了BIM在互通立交设计中的应用，为以后相关工程借鉴。

关键词：BIM，协同设计，点云，构件库，碰撞检查，渲染

0 前言

BIM（Building Information Modeling）是近年来在基础设施行业迅速发展并应用的信息化技术，通过BIM技术创建三维基础设施全信息模型，并应用于工程全生命周期，从而大大提高设计效率，确保施工质量，降低建设和运维成本，并形成数字化资产模型，为基础设施的可持续发展提供有力保证。

2011年5月，住房和城乡建设部《2011～2015建筑业信息化发展纲要》，将BIM列为十二五重点推广技术[1]； 2014年10月，上海市人民政府办公厅正式《关于本市推进建筑信息模型技术应用的指导意见》。 国家和各地相关部门正积极推动BIM技术的落地实施，BIM技术的优势将推动设计理念和设计流程的更新发展，本文在山区互通立交设计中引进BIM技术，探讨BIM互通立交设计的要点及流程。

纬二十五路互通立交位于吕梁新城金融组团，是吕梁新城的重要交通节点，为两条主干路相交的苜蓿叶全互通立交，主干路红线宽40米。本立交紧靠吕梁新城东侧山体，立交方案涉及大量土方计算，传统的“带帽”工程量计量较为复杂且准确性不够。纬二十五路互通立交设计中引进BIM技术，通过多专业协同作业，提出BIM设计立交的方法流程，同时建立BIM构件库，初步实现山区道路二维设计向三维设计的转化。

1 设计软件及流程

本文采用Bentley公司的BIM系列软件，软件以MicroStation作为信息建模的支撑平台，以ProjectWise作为工程项目管理及协同设计平台，可以同时工作并实现信息同步。Bentley 软件涵盖地理、土木、工厂和建筑四大领域，并覆盖了基础设施的全寿命周期。土木方面以PowerCivil和GEOPAK为主，实现道路桥梁设计、管线设计、城市规划和垃圾填埋场等场地设计；地理方面以Bentley Map为主，为三维测绘、地质勘察、规划设计搭建三维GIS基础平台；工厂方面以AutoPlant为主，实现电力、化工、泵站等工厂三维设计；建筑方面以AECOsim为主，实现建筑、结构、设备和电气三维协同设计，同时为BIM构件库建设提供设计平台。

图1 Bentley软件及其功能

BIM 技术提供了统一的数字化模型表达方式，在设计过程中，通过规范构BIM 模型的标准，从而充分利用 BIM 模型所含信息进行协同工作，实现各专业、各设计阶段间信息的有效传递。BIM 技术可以真正意义上支持多专业团队协同工作，共享信息的并行工作模式[2]。

在互通立交设计中，设计师创建的虚拟道路桥梁模型，模型包含大量的设计参数（包括几何信息，材料性能，构件属性等），通过修改输入参数可轻松修改整个道路桥梁模型，可更加直观形象地表达竣工后的工程状态，能够向业主提供信息更加精确、丰富的设计成果。本文主要从协同设计入手，介绍BIM在设计阶段的应用方法和流程。

Bentley三维协同设计的流程为：以Microstation和ProjectWise为平台，进行地形、道路、桥梁、管线和设备三维模型建模，模型总装后进行设计校审和渲染动画。

图2 BIM三维协同设计流程图

2 协同平台搭建

搭建基于 BIM 的协同平台成为 BIM 技术应用的重要条件。BIM协同平台，可以在BIM项目实施中有效控制和管理各种数据，并通过 BIM 设计中各专业、各相关参与方的协同工作，实现相关数据存储的完整性和传递的准确性。同时，BIM 协同平台还可以为工程项目的业主、设计、施工、顾问、供应商提供协同工作环境，保证相关方数据和信息的准确、统一。BIM 协同平台可以采用信息化平台方式或共享文件夹的方式实现[2]。BIM 协同平台为各专业提供一个统一的工作环境，通过将各种设计标准与流程的内置，可以提高各专业的配合效率，实现设计对接准确化。

本项目运用软件ProjectWise搭建本项目协同设计平台，项目的全部图纸存在协同平台服务器上，各专业可以互相参考引用，信息传递实时更新；同时在平台上建立共享库，主要为规范标准、标准图框、项目构件库等，协同平台上实现规范标准检查，实现标准化设计，如图3为协同平台目录和项目共享库。

图3 协同平台目录及共享库

3 BIM设计应用

BIM技术是工程项目从策划、设计、施工、运营管理直到拆除的全生命周期内生产和管理工程数据信息共享的平台，其中I（Information）是核心，M（Modeling）是载体。信息包括信息的输入、传输和使用，模型主要以3D模型为基础[3]，信息和模型最初都是由设计来建立，BIM在设计阶段的应用是整个应用阶段的基础。

3.1三维数模设计

本项目运用三维激光扫描技术获取三维点云，结合现状地形地貌过滤点云数据，主要剔除植被和构筑物等附属物；同时运用航测获取正射影像图，最后运用PowerCivil软件建立三维地模，为BIM设计提供精确的现场地形地貌，如图4。

图4 三维数字地面模型

3.2道路模型设计

PowerCivil软件可以直接进行互通立交线位定线，其线型设计主要为积木法和导线法，基本满足道路路线设计要求。BIM道路设计的流程图如图6所示。

图5 道路BIM设计流程图

BIM道路设计的核心是路廊设计，主要通过横断面模板沿道路中心线扫掠建模。本次立交设计主线纬二十五路及四条匝道均为路基段落，路基横断面模板设计是本次设计的重点，其设置要根据路基路面结构和边坡形式，定义横断面里各结构层材质，同时建立模板各特征点及约束关系，后期可通过定义约束点的轨迹来实现道路的加宽和超高。

图6 横断面模板设计

3.3桥梁模型设计

（1）下部结构单元设计

本项目对桥梁的下部结构进行构件库建设，可直接调用构件库里的桥墩、承台和防撞岛等设施，可以准确进行工程量统计。本次立交设计金融路和两条匝道设置桥梁，构件直接从库中调用；同时从道路路线设计模型和三维地模中分别提取三维道路中线和地面线，并绘制平面分跨线。依据中线、地面线和分跨线直接插入下部结构构件。

图7 插入桥梁下部结构

（2）桥梁路廊设计

根据横断面模板，沿道路中线设计桥梁路廊，并利用点控制实现桥梁变宽。本次立交设计采用现浇箱梁，主线标准桥梁宽度16.5m，匝道桥梁宽度9m。BIM的标准现浇箱梁断面中设置了左、右护栏脚点与梁底中点，做为道路设计中线上的点、控制桥梁宽度和超高的点，以及调整箱梁梁高的控制点。

图8 桥宽16.5m标准现浇箱梁BIM断面

图9 现浇箱梁三维模型

（3）桥梁上下部结构组装：本项目在协同平台上组装桥梁下部结构和路廊，建立完整的桥梁模型。

图10 BIM桥梁模型

3.4设计校审

本项目设计校审Navigator软件，通过静态碰撞检查和动态碰撞检查来实现。设计校审的步骤为：由设计完成的BIM总装文件校审的Imodel文件，协同平台上校审人进行校审，标注并生产overlay文件，返给设计人修改。

静态碰撞检查的方法按照层、参考关系和分组集合的方式进行，主要用于管线综合、各交通设施的静态碰撞；动态碰撞检查可用于道路桥梁净空检查，净空实体沿轨迹线运动可检查沿线各设施净空，如图为下穿主线道路的动态净空检查，净空实体可沿下穿主线运动，软件自动计算其与上跨桥梁、交通标志及路灯的净空，形象生动。

图11 动态碰撞检查（净空）

4 BIM构件库的建立

BIM构件组建的过程是按照一定原则进行操作、编辑、定位后进行组合。BIM的标准构件库的建立是积累的过程，不断完善的过程。相对全面、完善、适用性强的的构件库可加速BIM模型的建立速度。BIM构件库的建设一般分为资源规划、构件分类、构件制作与入库、构件库管理四大步骤[4]。依据工程特点，本项目利用Microstation和AECOsim软件，主要进行了道路、桥梁部分构件的建模，并进行应用。

（1）横断面模板构件库：横断面模板设计是道路桥梁BIM设计的核心。横断面中各构件的材料统计通过定义构件材料实现，小箱梁、铺装、护栏等均可通过此方法进行材料统计。

道路中点作为横断面模板的插入点，与路线中心线重合，是整个横断面构件的原点。行车道的左右脚点可作为控制道路宽度和横坡的点。在非标准横断面路段，通过对左右脚点的点控制达到道路变宽以及横坡变化的目的。

图12 路基段横断面模板

图13 现浇箱梁横断面模板

（2）桥梁工程构件库：桥梁的下部结构种类较多，桩基、承台、系梁、墩柱、盖梁、桥台等等较多构件会根据不同工程的需要调整尺寸、高度并互相组合。因此，桥梁下部结构构件应具有良好的组合性和可编辑性。采用Microstation提供的特征实体功能建立下部结构构件的实体建模，可快速改变构件的尺寸、个数、坡度等参数。

图14 桥梁花瓶墩构件

图15 防撞岛及中央隔离墩构件

5 场景渲染及动画

BIM设计具有直观形象的可视化功能，将以往的二维线条图纸模式提升到三维的立体实物图形，可以很直观的对工程总体方案有更清楚的认识。可视化的BIM不仅可以用来效果图的展示，还可以在项目进行的各个阶段对工程项目的设计、建造、运营过程提供一个三维的可视化沟通、讨论、决策平台。

本项目结合现状地形地模，进行细部构造效果展示和行车模拟的动画渲染，提供更加真实的竣工场景。BIM设计项目依据总装Imodel文件采用软件Microstation、Navigator完成动画渲染。步骤具体为：

（1） 模型附材质：统一模型各部件图层，制作模型中所需要的各种材质以及贴图。

（2） 设计车流：根据行车面和道路标线绘制行车轨迹线，以此为基础编排车流。

（3） 设计动画路径：根据模型特点和设计内容，设计相机路径以及视点路径。

（4） 调整渲染设置及灯光：以设计文件的类型调整渲染设置和灯光、环境光。

（5） 渲染输出及合成视频：渲染输出动画文件，以图片形式输出，并合成视频。

图16 立交BIM总装模型

图16 立交匝道出入口渲染效果图

图17 行车模拟渲染效果图

6 结语

本文运用三维点云数据实现了山区互通立交和三维地形的有效结合；采用多专业三维协同设计，初步实现山区道路二维设计向三维设计的转化。并初步建立BIM构件库和进行了项目细部构造效果渲染和行车模拟，初步实现了BIM在互通立交设计中的应用，为以后相关工程借鉴。

参考文献

[1] 住房和城乡建设部 .《2011～2015建筑业信息化发展纲要》.2011

[2] 卢琬玫.BIM技术及其在建筑设计中的应用研究[D].天津大学硕士学位论文，2013

[3] 郭鑫.革命与转型―BIM技术的发展与应用[J].中国城市规划年会论文集，2014

[4] 李伟伟.设计企业BIM构件库建设方法[J].土木建筑工程信息技术，2012

作者：

高立鑫，男，工程师，1981.04，硕士研究生，主要从事道路设计和BIM研究工作

工作单位：天津市市政工程设计研究院