0  引言

在交通路网中，各种道路纵横交错形成各种交叉节点，其中在同一平面相互交叉形成的节点称为平面交叉口。平面交叉口是道路设计中最常见的设计节点，不同方向的车流和行人都在交叉口进行交通转换，因此交叉口承担着交通汇集、转向和疏散的重要功能。

平面交叉口竖向设计是通过调整交叉口范围的行车道、人行道及附近地面等有关各点的设计高程，合理确定各相交道路之间及交叉口和周围建筑物之间共同面的形状，以符合交通安全、行车舒适、排水迅速和建筑艺术等方面要求的设计工作^[1]。

随着计算机技术的发展，精细化设计要求越来越高，道路设计不再只满足安全的通行需求，更考虑以人为本，将绿色出行、低碳智能、自然和谐、树立全生命周期理念等作为新的设计思想。利用BIM可视化技术，结合交通仿真模拟技术，可以极大提高设计效率，提高工程设计质量。

1传统设计方法与BIM技术的比较

1.1 传统交叉口竖向设计方法

传统交叉口竖向设计方法主要有方格网法、设计等高线法和方格网设计等高线法。方格网法是以相交道路的中心线为坐标基线按照一定精度打方格网，并逐一求出方格网上所有节点的设计标高，从而用来施工放样，此法比较话合于正交(或接近正交)的道路交叉口设计。设计等高线法是在交叉口设计范围内，选定路脊线和划分标高计算线网，算出路脊线和标高计算线上各点的设计标高，并根据经验和这些标高数据直接勾画出等高线，再根据等高线计算出各点的施工标高，这种方法适合于各种小型柔性路面交叉口设计。方格网设计等高线法，是前两种方法的结合,即利用计算方格网上各节点的标高来勾绘等高线，并通过控制方格网的密度来控制等高线的精度,适用于各种(柔性或刚性)路面交又口设计^[2]。

传统设计方法的主要思路是通过划分网格或计算线网，根据主要控制点标高和道路纵横坡，利用路拱方程求得各网格顶点高程，再根据这些高程点拟合等高线。这三种方法虽然基本能满足交叉口竖向设计要求，但是路拱抛物线方程复杂，设计操作困难，可视化程度低，无法提前预知项目建成后可能存在的问题，对于大型复杂交叉口，交叉口土方统计困难，难以保证施工质量。

1.2 基于BIM技术的可视化交叉口竖向设计方法

BIM技术进行交叉口竖向设计的思路是将交叉口范围内的道路三维边线作为边界条件，创建数字地面模型，然后将三维路脊线、三维渠化岛边线、三维绿化带边线等作为特征线加到数字地面模型中，即可生成含地形、地貌和基本地物的交叉口数字地面模型，通过调整数字地面模型的显示样式可以显示不同的表达要素，如等高线、高程点等。最后用设计交叉口数字地面模型和现状地形的数字地面模型进行土方平衡设计，将等高线与土方平衡图进行叠加。

利用该方法进行交叉口竖向设计符合BIM正向设计思路要求，数字地面模型包含交叉口的高程和地貌数据信息，建立交叉口地面信息模型的同时也完成了交叉口的竖向设计。

数字地面模型不仅可用于生成等高线图，还可用于生成透视图、渲染图，计算填挖方体积、表面覆盖面积，进行坡度分析、高程分析和水流方向分析等。利用BIM技术进行交叉口竖向设计可视化程度高，可用于分析交叉口分水线、最高点和最低点，分析雨水口布置位置是否合理等。

2  数字地面模型的构建方法

数字地面模型（DigitalTerrain Models，DTM）是交叉口三维设计的基础和关键。地形构网的主要途径有两种：规则格网和不规则三角网。规则格网（GRID）是用规则排列的正方形、矩形网格来表示地形表面。不规则三角网（TIN）是通过从不规则分布的数据点生成的连续三角面来逼近地形^[3]。OpenRoads 技术主要采用在地形拟合方面表现最出色的狄洛尼（Delaunay）三角网构建原理，在构建数字地面模型时，将地形地貌特征线加入到TIN中进行动态修正，使数字地面模型能够真实的反应地形地貌特征。设计人员可通过修改特征线高程动态修改数字地面模型，保证交叉口的动态设计。

 OpenRoads Designer 创建的地形模型具有智能的规则，保留了源数据和地形模型之间的链接，以便在对源数据进行修订时可以对地形模型进行更新，地形模型是当前源数据的动态呈现。

图1 数字地面模型三角构网

3  等高线土方平衡图法设计步骤

3.1可视化交叉口竖向设计

利用OpenRoads Designer软件可在二维和三维联动的空间内进行可视化交叉口竖向设计，具体可按以下几个步骤进行：

(1) 由相交道路的道路中心线（路脊线）高程按道路横坡参照赋予车行道边线，对于加铺转角圆曲线通过两端高程进行线性内插，或者单独进行纵断拉坡。用OpenRoads的“从元素创建地形”功能，选择交叉口三维道路边线，创建交叉口初始数字地面模型。

(2) 参照(1)步的方法将道路中线高程按横坡分别赋予渠化岛边线和绿化带边线。将三维绿化带边线和渠化岛边线以及三维路脊线作为特征线加到初始数字地面模型中修正，得到特征线修正后的交叉口数字地面模型。

(3) 调整数字地面模型的显示样式，观察分析交叉口数字地面模型是否足够光滑平整，路面排水是否顺畅，若不合理可通过调整各边线和特征线高程进行修正。

3.2可视化土方平衡设计

(1) 绘制方格网。常用的土石方计算方法有方格网法和横断面法，交叉口土方设计主要采用方格网法，计算精度较高。首先选择“绘制方格网”工具，根据提示依次选择现状交叉口数字地面模型和设计数字地面模型，填入计算方格网的尺寸进行方格网绘制。软件通过方格网将两个地形曲面进行分块，计算得到每个分块的高程数据。方格网尺寸视场地地形复杂程度而定，场地越复杂，方格划分越小，计算精度越高。

(2) 可视化土方计算。选择“土方平衡”工具，根据提示依次选择现状数字地面模型、设计数字地面模型和计算方格网，软件会自动计算各方格网的角点设计高程、地面高程和施工高程，并标注在左上角，在方格网内标注当前方格网的填挖方体积，并自动标注零线位置，汇总填挖方工程量。根据设计数字地面模型和现状数字地面模型自动构建填挖方体，实现填挖方的可视化校核。

图2 可视化填挖方体

4  设计实例

案例一：本案例为南沙区某市政道路工程，项目采用城市主干路标准，双向六车道，车行道路面采用双向2%横坡，交叉口类型为凸形交叉口。

首先根据项目设计要求按（3.1）节步骤绘制交叉口范围内的三维道路边线。以交叉口范围线创建交叉口初始数字地面模型，然后将路脊线、绿化带边线、道路中心线等三维特征线添加到初始数字地面模型进行修正。

利用修正后的数字地面模型，切换不同的显示样式，进行可视化的分析。

图3案例一交叉口高程分析图

图4 案例一交叉口水流分析图

交叉口路面数字地面模型完成后，通过调整显示样式，显示交叉口等高线图。然后按（3.2）节步骤完成土方平衡设计。

图5案例一等高线土方平衡竖向设计图

叠加各专业设计模型，进行交叉口的综合分析，包括视距分析、净空净距分析和交通仿真分析等。

图6 案例一交叉口可视化BIM模型

案例二：本案例为海珠区某隧道工程，项目采用城市主干路标准，双向六车道，车行道路面采用双向2%横坡。本案例交叉口位于高架桥下，南侧进出口连接两侧辅道，两侧辅道高程分别由独立的纵断线控制，北侧进口道受高架桥墩影响，其中一条左转车道单独设置。

同理，根据项目设计要求按（3.1）节步骤生成数字地面模型并进行可视化的分析，结合交叉口的低点和行人过街需求确定雨水口位置。

图7案例二交叉口高程分析图

图8 案例二交叉口水流分析图

按（3.2）节步骤完成土方平衡设计，将土方平衡图叠加在等高线图上完成交叉口竖向设计和土方计算。

图9案例二等高线土方平衡竖向设计图

叠加各专业设计模型，进行交叉口的综合分析，包括视距分析、净空净距分析和交通仿真分析等。

图10案例二交叉口可视化BIM模型

5  总结

基于BIM技术进行交叉口竖向设计相较于传统设计方法主要有以下创新和优点：

（1）对复杂异形交叉口适应性较强，特别是针对多路交叉、异形交叉、环岛、交叉口位于超高范围等复杂情况，利用BIM技术进行交叉口竖向设计可以起到事半功倍的效果。

（2）具有可视化和动态调整的优点。交叉口设计是一个动态的设计过程，往往需要结合道路、交通、排水和景观等多个专业进行综合考虑，BIM技术所具备的可视化和动态调整的特性非常适合这种多专业融合的设计工作。

（3）进行精确的土方量计算，实现土方可视化校核。交叉口土方工程量往往是财审过程中较容易被审查的内容，经常因计算不准确发生争议。传统道路土方计算主要采用平均断面法，但交叉口因断面形状不规则，在进行土方计算时难以精确确定各断面的面积，计算结果误差大。本文采用方格网法，分块计算交叉口土方，并可生成填挖方体，实现填挖方的可视化，提高土方工程量的可校核性，避免土方计算争议。

综上所述，本文提出的基于BIM正向设计的交叉口竖向设计方法—等高线土方平衡图法，相较于传统设计方法，设计效率和精度都更高。通过BIM的可视化技术，结合高程分析模型，在设计阶段对设计成果进行可视化校核，提前避免了不合理的设计，突出了BIM正向设计在复杂交叉口竖向设计中的优势，对BIM技术的发展和运用具有明显的指导意义。

参考文献

[1] 许金良.道路勘测设计[M].北京:人民交通出版社，2018.

[2] 龚凤林.城市道路交叉口竖向设计方法及实例分析［J］.西部交通科技，2011.6（12）：44—48．

[3] 许振辉，秦涛，刘士宽等．三维道路建模及可视化方法研究[J]．公路，2011，3（3）：161—164．