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88BIM 技术在城区高速公路复杂互通立交建设中的应用饶登宇1 王哲世1 赵斌2(1.广州市高速公路有限公司；2.中化学交通建设集团有限公司)【摘要】面对约束条件多、边界条件复杂的施工环境，在复杂互通式立交的设计和施工管理中应用 BIM 技术能充分发挥其优势，助力实现精细化施工组织管理的目标。通过应用基于 Revit 软件平台的快速建模插件，可有效克服 BIM 在线性工程应用中的瓶颈，提升 BIM 模型创建工作效率，降低使用成本。BIM+GIS 模型的综合应用已在增天高速金田隆枢纽互通前期建设中取得良好效果，在开展便道规划设计、图纸复核、现场调查及结构碰撞检查、管线迁改调查、施工场地规划、施组及方案优化等方面发挥重要作用，为工程建设提供指导性建议。通过开发基于 BIM 的智慧工地指挥平台，并结合物联网、AR 技术等综合应用不断完善其功能，加强对质量、安全、进度的全面管控，推动高速公路建设“数字孪生”应用目标，为类似工程项目管理提供解决方案。【关键词】城区；高速公路；互通立交；BIM；数字孪生【中图分类号】K928.4 【文献标识码】AApplication of BIM Technology in the Construction of Complex Interchanges on Urban ExpresswaysRAO Dengyu1,WANG Zheshi1,ZHAO Bin2(1.Guangzhou Expressway Co.,Ltd.；2.China National Chemical Communications Construction Group Co.,Ltd.)【Abstract】Facing the construction environment with many constraints and complex boundary conditions,the application of BIM technology in the design and construction management of complex interchange can give full play to its advantages and help achieve the goal of refined construction organization and management.By applying rapid modeling plugins based on Revit platform,the bottleneck of BIM applications in linear engineering can be effectively overcome,the efficiency of model creation can be improved,and the cost of use can be reduced.The comprehensive application of BIM+GIS model has achieved good results in the preliminary construction of Jintianlong Hub Interchange on Zengtian Expressway and played an important role in carrying out access road planning and design,drawing review,on-site investigation and structural collision inspection,pipeline relocation survey,construction site planning,construction organization and program optimization,etc.,which not only provides guidance and suggestions for engineering construction but also helps to systematically connect the chain of conditions faced in complex interchange construction.Through the planning and development of BIM based smart construction site command platform,and combining it with the Internet of Things,AR technology and other comprehensive applications,we are committed to constantly improving its functions and strengthening comprehensive control over quality,security,and progression,so as to promote the application goal of“digital twin”in expressway construction and provide solutions for similar engineering project management.【Keywords】Urban Aera；Expressways；Interchange；BIM；Digital Twin收稿日期：2023-08-09作者简介：饶登宇，男，博士，研究方向为路桥工程。“新城建”智能建造篇891.研究背景随着我国城镇化水平不断提升，在城市建成区开展高速公路建设，往往面临既有道路保通要求高、油电水气通讯等各类管线交织、迁改周期较长、施工环境保护要求高等制约因素，尤其在已建成的高速公路互通枢纽上进行新建枢纽互通工程，更面临涉路施工安全风险高、施工工作面不足等突出问题，给项目实现可控的成本、进度和安全管理带来了巨大风险和挑战，亟需通过数字化、信息化等手段，全面提升项目建设智慧化管理水平。建筑信息模型（简称“BIM”）是一种应用于工程设计、建造、管理的数据化工具。通过建立工程数字化三维模型，并为该数字模型赋予全面的、完整的建筑工程信息库，可提升参建各方信息协同共享能力，促进建设生产效率的提高。BIM 技术所具备的三维可视化、参数化建模、可模拟分析性和协同化设计等特点，对指导复杂结构、立体交叉施工工点、施工空间受限条件下的工程建设具有突出优势。通过数字化模型分析推演，便于从项目建设全局角度掌握制约项目进展的关键节点信息，从而系统性打通复杂互通立交施工中面临的条件链条。地理信息系统（简称“GIS”）是以采集、储存、管理、描述和分析地球表面与空间、地理分布有关数据的综合计算机信息系统1。通过无人机倾斜摄影技术，可生成指定区域的实景三维模型，为 GIS 平台提供数据支撑。BIM 信息数据结合 GIS 平台应用，可以将 GIS 平台的管理对象向更微观具象的尺度延拓，改善 GIS 模型在目标对象精确化描述中的不足，同时 GIS 信息为 BIM 模型提供了仿真环境场景，可提升 BIM 模型在空间定位和决策预测等方面的功能2。在复杂互通立交建设中，综合运用“BIM+GIS+无人机倾斜摄影”模型建立电子智慧沙盘，可实时掌握新建桥涵结构物与周边既有建筑物、地下管线等设施的位置关系，进一步复核设计方案与现场实际情况的一致性，从而有助于精细化施工方案编制，同时可充分利用既有互通立交中有限的作业空间，做好施工场地空间规划和各施工工序衔接，最大限度减少新建及改造工程对周边基础设施正常运行的影响。此外，通过“BIM+GIS+物联网”等综合应用，可提高项目智慧化管理水平，助力高速公路“数字孪生”应用目标，为工程建设提质增效，同时降低工程安全事故风险，具有良好的经济社会效益。2.公路建设领域 BIM 技术应用发展现状国外对 BIM 技术的研究起步较早，欧美国家已经形成了相对成熟的 BIM 理论研究和技术应用标准体系，主要集中在民用建筑领域。国内相关研究应用起步较晚，但在行业主管部门的大力推动下发展迅速，结合国外的应用经验，建筑行业已取得较为丰硕的 BIM 理论研究及工程应用成果。而在道路工程行业，BIM 技术理论相关研究还有待进一步发展，BIM 应用方面基本还处于任务级工程建设应用阶段，但随着设计、施工手段的不断更新和工程建设环境的日趋复杂，我国发展 BIM 且实现交通基础设施领域中的信息化转型已成为必然趋势。32017 年以来，交通运输部先后发布了推进公路水运工程 BIM 技术应用的指导意见 开展公路 BIM 技术应用示范工程建设的通知等系列文件，进一步推动 BIM 技术在公路工程领域的飞速发展，在全国各地的公路建设项目中得到了广泛的应用探索4。蒋浩鹏3构建了 BIM 桥梁、匝道设计及施工管理标准化技术路线，为三维桥梁模型的建立提供了理论基础，并详细介绍了针对互通立交桥梁的建模方式，进一步拓展了 Revit 软件平台“族”库，研究了 BIM模型数据交换编码方式。董耀文5等以乐清湾大桥为依托，在桥梁的建设过程中，结合 BIM 参数化建模的特点，讨论了参数化设计与 BIM 的关系，完善了现有的桥梁模型数据库，大大减少了工作量。王丽园6等以河北省京港澳高速公路京石段改扩建工程为依托，详细介绍了在勘察设计阶段采用机载激光三维测量获取地表信息，并进行 BIM 可视化应用的实例。何恒林7针对某互通立交项目，利用 BIM 技术在设计阶段对互通式立交技术指标进行优化，使项目设计深度达到预期效果。马文安8等针对枢纽互通立交施工探讨 BIM 技术在设计图纸的碰撞检查及工程量统计、施工工艺的施工仿真及模型渲染、仿真漫游及电子沙盘等方面的应用，取得了较好的应用效果，同时建立工程协同管理平台，促进工程信息化建设。为贯彻落实党中央、国务院关于数字中国、交通强国、新一代信息技术的总体决策部署，广东省交通运输厅编制了关于支持 BIM 关键核心技术研究与推广应用的行动方“新城建”智能建造篇90图 1 增天高速金田隆互通平面图案，为 BIM 技术在广东省交通运输行业的推广运用创造了积极的政策条件。目前总体上看，公路建设领域 BIM 技术运用与建筑行业相比仍然存在运用不充分、发展不成熟的问题，BIM 技术发展与公路建设需求不匹配、不协调，制约了 BIM 技术在公路等线性工程中的运用，主要原因有以下几个方面：（1）单次建模“性价比”低。现有的 BIM 技术大多针对建筑工程设计，因其具有较集中的主体，容易做到标准化，而高速公路等线性工程，一条道路往往上百公里长，沿途路况复杂多变，与周围管线、其他既有构筑物等因素相互影响，BIM 模型与建设环境的交互性较强，故标准化程度低，模型重复概率小，故高速公路项目单次建模成本较高。（2）全生命周期的理念尚未实现。目前公路行业 BIM 应用的主要任务大多停留在模型展示的层面，与 BIM 技术的全生命周期使用的核心理念偏差较大。（3）BIM 技术的应用需求及标准不明确。公路工程在空间上呈带状分布、点多线长的特点，并且包含专业较多，相关软件众多，模型格式多样，需 BIM技术管理人员结合自身软件应用习惯，投入较大“试错”成本，摸索一套适应当前项目的系列软件。（4）BIM 系列软件对电脑硬件要求较高。虽可通过模型轻量化的操作后，从网页端、手机端浏览，但牺牲了“可编辑”的属性，仅作为展示使用，导致其实用性大打折扣。（5）BIM 应用专业技术人员不足。在公路工程施工一线培养一批既熟悉现场工程技术、同时熟悉 BIM 技术相关知识的专业技术人员队伍，关系到BIM 技术的高效应用与长期发展10。现阶段，施工企业中具备 BIM 相关技能的现场技术人员不足，或者是部分单位成立专业的 BIM 技术部门，但相关人员现场施工技术水平较弱，无法将 BIM 技术与现场施工进行无缝的衔接。3.应用实例广州增城至佛山高速公路（增城至天河段）工程（以下简称“增天高速”）金田隆互通立交位于现京港澳高速与“新城建”智能建造篇91广河高速的八斗枢纽互通之上，为增天高速的控制性工程。除主线上跨八斗互通外，需新增 4 条定向匝道与广河高速连接，并预留京港澳高速改扩建接入条件，构成典型的多岔交叉互通式立体交叉。互通区新建桥梁需 20 次上跨广河高速主线及匝道，3 次上跨京港澳高速主线，5 次上跨 S116 省道，1 次上跨广石铁路隧道，与在建的京港澳高速改扩建线路有 7 处交叉，5 处桥梁与广河高速桥梁拼宽，10 处匝道路基与广河高速路基拼宽，4 处利用广河高速公路既有涵洞接长，5 处跨线盖梁上跨广河高速八斗立交既有匝道，7 处广河高速既有护坡拆除，设保通匝道 2 处。跨线结构形式主要有钢箱梁、钢盖梁、钢混组合梁、混凝土现浇梁和预制混凝土箱梁等。此外，互通主线与 4 条 220KV 高压线近距离并线，互通内与高压燃气管道、10kV 供电线、市政管网等交叉。总体建设环境复杂，施工安全风险较高，施工组织实施难度大。为推动金田隆枢纽互通建设，增天高速建立 BIM 信息管理平台，采用 BIM、GIS、无人机倾斜摄像、物联网等先进技术，全面提升项目管理水平，逐步解开制约金田隆互通施工的条件链条，促进项目建设不断取得积极进展。4.应用亮点4.1 快速建模插件应用通过应用施工单位技术中心自主研发的快速建模插件，实现参数化建模，将 BIM 模型打造成可编辑、可更新的BIM“活模”，充分发挥了“一次建模、多次应用”的优势，降低了模型创建的学习成本，有效克服了公路 BIM 技术应用中存在的建模自动化程度不高、本地化工作不完善、承载体量有限等问题。针对公路工程中涉及的道路、桥隧及附属工程等构筑物，通过提取工程图纸等数据来源形成固定的参数输入格式，导入插件后可自动识别空间曲线坐标生成三维空间曲线，并自动运算完成桩基、墩柱、承台、盖梁、箱梁和路面及附属结构等建模。创建完毕后，可批量进行 BIM模型构建编码，实现一键生成和编码模型挂接。通过自动创建和批量化操作，减少了大量重复性工作，大大节约了人力成本，提高了模型创建的工作效率，有效提高 BIM 单次建模“性价比”。4.2 设计图纸复核通过录入图纸提供数据进行批量布置、建模，再比对施工图纸，可直观发现如结构标高冲突、坐标偏差、设计参数矛盾等问题，还可通过 evit 软件查询各结构的体积及钢筋数量，进一步对工程数量进行复核，有效排除图纸的差、错、漏、碰问题，及时将发现的问题纳入图纸会审问题库进行上报修正，减少后续施工变更，避免成本浪费。针对重点部位还可建立细化至钢筋尺度的三维模型，进行钢筋碰撞检查，减少设计冲突，避免影响施工进度及工程质量。4.3 施工便道规划设计对于位于傍山陡坡及沟谷段的桥梁下部结构，施工便道施工将对地表进行挖填作业，改变原地表形态，易导致原设计桥梁下部结构出现空桩、偏压墩的情况，影响结构安全。为解决上述问题，项目运用无人机航测技术，先将整标段的地形进行扫描，建立工程红线及周边区域的 BIM+GIS 三维实景模型，再结合现场实地踏勘测量，核对地形、地质、水文等现场条件，合理规划设计施工便道，最大化的保护现有地形地貌，减少大填大挖。规划中以提高用地红线利用率为原则，综合考虑既有村道和工程红线的位置关系，充分考虑临时便道与主体工程之间的冲突和分阶段实施需求，合理设计施工便道的横纵曲线，在方便施工同时减少生态环境破坏。4.4 辅助现场迁改调查BIM+GIS模型可以为现场开展管线迁改、树木调查、构筑物拆迁等工作提供指导。现场采集的数据导入数字化 BIM 模型后与图纸数据进行核对，可快速发现模型与实际地形结构物的冲突问题，为下一步开展方案调整或征拆协调工作提供充分“新城建”智能建造篇图 2 设计图纸复核92图 3 施工便道规划设计图 4 现场迁改调查“新城建”智能建造篇的细部构造，实时查询构件的空间关系，了解工程永久及临时措施对周边环境的影响，为施工方案的选择、施工组织的优化提供依据。此外，通过 BIM 模型模拟交通导改设计中各阶段的施工界面及施工内容，可直观反映交通导改措施对现行交通通行的影响，应用 BIM 技术呈现施工步序，可用于指导现场施工技术交底。的依据和充足的时间。管线迁改工作因涉及管线种类较多且地下管线隐蔽性强，仅通过传统的二维施工图难以直观了解管线在地下空间的分布位置及排布形式，而通过 BIM 技术可在施工进场前根据既有管网数据和权属人的反馈情况制作三维信息化模型，便于及时了解地下管网的空间分布状态。4.5 施工场地规划通过 BIM 与 GIS 相结合，对工程施工场地进行数据建模，便于在前期施工策划阶段，了解场地的使用条件和特点，从而充分利用互通圈内有限的施工空间，进行合理的场地功能规划，为施工总体部署决策提供依据。根据城市绿化管理相关文件最新要求，涉及建设用地的城市树木迁移事项需办理树木保护专章审批手续，由于相关手续办理流程较长，为合理组织施工，通过 BIM 模型与现场倾斜模型融合后，可结合场地中树木分布位置优化现场设备布置，最大限度满足现场施工要求。4.6 涉路施工组织由于沿线跨越多处高速公路，车流量大，在测量条件受限的情况下，通过无人机倾斜摄影可获取结构的空间坐标，结合 GIS 平台和 BIM 模型可快速准确、多角度查看各部位934.7 智慧工地管理平台通过“BIM+GIS+IoT（物联网）”等技术综合应用，建立基于 BIM 模型的智慧指挥平台，并将造价、进度、质量、安全、视频等信息集成到一体化平台首页，形成项目门户，并结合无人机巡航、AR 技术交底应用等不断完善其功能，实现对各生产要素的智能监控、对现场施工资源的可视化管理，建立参建各方协同联动、风险综合管控的工作机制。5.结语面对约束因素多、边界条件复杂的施工环境，城区高速公路复杂互通立交的施工组织管理能充分发挥BIM 技术优势，在开展便道规划设计、图纸复核、现场调查及结构碰撞检查、管线迁改调查、施工场地规划、施组及方案优化等方面具有显著应用价值，可为类似建设环境的高速公路项目管理提供参考。（1）运用基于 Revit 平台的快速建模插件，实现公路BIM 模型参数化创建和批量化操作，可减少创建过程中的操作错误、重复工作和修正成本，大大提高模型创建的工作效率，有效克服 BIM 在线性工程应用中的瓶颈，降低 BIM建模学习门槛。（2）采用三维 GIS、无人机倾斜摄影建模与 BIM 模型融合的方式制作智慧沙盘，实现对工程结构、周边环境及施工管理内容的三维可视化表达，最大限度地帮助参建各方理解设计意图，优化资源配置、施工组织管理、保证质量标准等，更好地推动工程项目建设。（3）结合物联网等应用，建立基于 BIM 模型的智慧指挥平台，加强对各生产要素的实时智能监控和管理，拓展BIM 模型在公路工程现场监控、进度管理、技术交底、工程计量等方面的运用，助力实现高速公路建设“数字孪生”应用目标。【参考文献】1.王婷婷,黄诚.基于移动地理信息系统的油气管道工程量统计系统的设计 J.计算机应用,2015,35(A01):4.2.黄梅婷,卢鹏,廖骅.基于 GIS+BIM 技术的南宁市老旧小区微改造城市信息模型承载平台应用研究 J.中国建设信息化,2023,No.185(10):62-65.3.蒋浩鹏.BIM 技术在高速公路互通立交建设中的应用研究 D,2018.4.李金龙,陈亚莉.浅谈 BIM 技术在公路工程中的应用现状 J.低温建筑技术,2019,41(9):4.5.董耀文，王显臣，张胜超.乐清湾大桥基于 Revit 软件的桥梁 BIM 模型参数化设计初探 J.公路，2016(9):161-164.6.王丽园,陈楚江,余飞.基于 BIM 的公路勘察设计与实践 J.中外公路,2016.7.何恒林.基于 BIM 背景下互通式立交主线技术指标及设计施工研究 J.中国建设信息化,2023(08):76-79.8.马文安,冯春萌,孙辉等.BIM 技术在枢纽互通立交中的应用 J.公路,2022,67(02):206-211.9.饶舰,韩佳.BIM 技术在公路工程中深度应用的难点与趋势分析 J.中国公路,2021(21):2.10.吕高辉.城市道路建设中地下管线迁改难问题的思考J.市政设施管理,2017(1):3.图 5 施工场地规划应用图 6 智慧工地管理平台“新城建”智能建造篇