崔 強(qiáng) 鐘 杰 肖 彬 張炳楠 梁賢煒 郭 棟

(林同棪國際工程咨詢(中國)有限公司，重慶 401121)

引言

建筑信息模型(BIM)技術(shù)在基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域迎來了大量的推廣和應(yīng)用，三維正向設(shè)計(jì)是一大關(guān)注熱點(diǎn)[1-2]。

當(dāng)前三維正向設(shè)計(jì)在公路及城市道路行業(yè)中主要聚焦于如何完成線路平面、縱斷面以及橫斷面的總體設(shè)計(jì)，強(qiáng)大的軟件技術(shù)已經(jīng)為此提供了較為成熟的解決方案[3-6]。路基設(shè)計(jì)方面，雖然已有成熟的分析和設(shè)計(jì)理論，但由于地質(zhì)條件復(fù)雜多變、項(xiàng)目實(shí)際情況差異較大等因素，當(dāng)前尚無高效可靠的三維設(shè)計(jì)手段[7-8]。設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行路基設(shè)計(jì)時仍然只有采用傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)方法來對路基細(xì)部進(jìn)行設(shè)計(jì)和算量，嚴(yán)重影響了設(shè)計(jì)品質(zhì)和工作效率。道路三維正向設(shè)計(jì)尚未打通路基設(shè)計(jì)這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

Dynamo等參數(shù)化設(shè)計(jì)工具便于對離散實(shí)體構(gòu)件進(jìn)行批量自動化操作，且具有可動態(tài)調(diào)整的優(yōu)點(diǎn)[9]； 對于需要進(jìn)行特殊處理的零星路基，亦可以理解為在道路三維空間內(nèi)離散分布的不規(guī)則構(gòu)造物。因此在現(xiàn)有軟件技術(shù)層面，路基的參數(shù)化自動設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)。本文以重慶兩江協(xié)同創(chuàng)新區(qū)環(huán)湖路二期項(xiàng)目為例，基于Dynamo for Civil 3D對路堤強(qiáng)夯處治的自動設(shè)計(jì)技術(shù)展開研究和應(yīng)用。

1 工程概況

重慶兩江協(xié)同創(chuàng)新區(qū)位于兩江新區(qū)龍盛片區(qū)龍興組團(tuán)，規(guī)劃范圍6.8km2，片區(qū)內(nèi)六條次干路組成了本片區(qū)“三縱三橫”的骨架路網(wǎng)。環(huán)湖路位于協(xié)同創(chuàng)新區(qū)中心位置，環(huán)明月湖布置，是一條沿湖觀光的城市支路，如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目區(qū)位圖

本文研究對象為環(huán)湖路二期，設(shè)計(jì)樁號范圍為K0-005.779～K2+897.222，全長2.9km，道路等級為城市支路，標(biāo)準(zhǔn)路幅寬度為16m，雙向兩車道，設(shè)計(jì)時速為30km/h。基于景觀打造、投資經(jīng)濟(jì)性等因素，環(huán)湖路路基多采用自然放坡處理，出現(xiàn)了多處高填方邊坡。

為提高路基的整體強(qiáng)度、降低工后沉降，按照規(guī)范應(yīng)對填料進(jìn)行分層碾壓夯實(shí)； 針對高填方區(qū)域，本項(xiàng)目還采取強(qiáng)夯措施來加固路堤。

2 基本設(shè)計(jì)原則及自動設(shè)計(jì)工作流

2.1 路堤強(qiáng)夯設(shè)計(jì)原則

強(qiáng)夯面是與道路設(shè)計(jì)標(biāo)高相關(guān)聯(lián)的帶狀三維曲面。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法只能通過逐樁查看路基橫斷面圖來判斷是否強(qiáng)夯以及確定斷面處的強(qiáng)夯面標(biāo)高，設(shè)計(jì)效率極低，且無法準(zhǔn)確繪制出強(qiáng)夯處理平面分布圖、不便于精確計(jì)算工程量及施工放樣。因此項(xiàng)目設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)決定采用三維正向設(shè)計(jì)手段來對路堤強(qiáng)夯處治進(jìn)行自動設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖2 路堤強(qiáng)夯處治設(shè)計(jì)示意

2.2 自動設(shè)計(jì)工作流

為保證道路模型的正向應(yīng)用及數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確傳遞，本項(xiàng)目完全基于Civil 3D及其內(nèi)嵌的Dynamo模塊進(jìn)行路堤強(qiáng)夯自動設(shè)計(jì)、通過Civil 3D及Excel輸出設(shè)計(jì)成果，形成“C+D+E”的路堤強(qiáng)夯處治自動設(shè)計(jì)工作流，如圖3所示：

圖3 路堤強(qiáng)夯處治自動設(shè)計(jì)工作流

(1)通過Civil 3D完成場地模型及道路正向設(shè)計(jì)模型的建立。

(2)運(yùn)用Dynamo完成數(shù)據(jù)輸入、預(yù)處理、自動設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)輸出等工作。

(3)根據(jù)設(shè)計(jì)文件的編制要求，將圖形成果自動輸出至Civil 3D形成設(shè)計(jì)圖紙，將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)輸出至Excel生成工程量清單。

3 路堤強(qiáng)夯自動設(shè)計(jì)過程

3.1 基本模型建立

利用基礎(chǔ)勘測數(shù)據(jù)，在Civil 3D中建立三維地形曲面，搭建現(xiàn)狀場地模型； 根據(jù)相關(guān)控制條件和規(guī)范要求，經(jīng)過反復(fù)推敲后確定環(huán)湖路二期的平面及縱斷面設(shè)計(jì)方案； 運(yùn)用部件編輯器編寫車行道及人行道鋪裝、路基邊坡等參數(shù)化部件，靈活進(jìn)行橫斷面裝配設(shè)計(jì)，最終完成道路總體設(shè)計(jì)，建立了三維道路模型，如圖4所示。

圖4 場地及道路總體模型

實(shí)體對象(solid)在Dynamo環(huán)境中易于編輯，實(shí)體生成和數(shù)據(jù)讀入方式也較為簡便。道路模型曲面與場地曲面通過曲面差分計(jì)算即可提取三維路基實(shí)體，Dynamo將以路基實(shí)體模型為執(zhí)行對象開展路堤強(qiáng)夯處治的自動設(shè)計(jì)。

3.2 強(qiáng)夯自動設(shè)計(jì)

可視化、模塊化、參數(shù)化是Dynamo for Civil 3D的三大特點(diǎn)[10]。在可視化編程環(huán)境下，數(shù)據(jù)輸入、預(yù)處理、自動設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)輸出等四大模塊構(gòu)成了路堤強(qiáng)夯處治自動設(shè)計(jì)程序。

3.2.1 數(shù)據(jù)輸入模塊

數(shù)據(jù)輸入模塊用于獲取、輸入與路堤強(qiáng)夯處治設(shè)計(jì)相關(guān)的基本數(shù)據(jù)。分為道路模型基本信息與強(qiáng)夯設(shè)計(jì)控制參數(shù)兩大類，如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)輸入

根據(jù)模型對象命名與組織規(guī)則輸入相關(guān)字符串即可獲取路線及路基的三維模型數(shù)據(jù)，通過File Path節(jié)點(diǎn)可指定設(shè)計(jì)成果的自動存儲路徑； 使用滑動輸入條節(jié)點(diǎn)(Number Slider)，設(shè)計(jì)師可以靈活確定及修改關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對路堤強(qiáng)夯設(shè)計(jì)方案的參數(shù)化動態(tài)調(diào)整。

圖7 創(chuàng)建基準(zhǔn)曲面

3.2.2 預(yù)處理模塊

路堤在道路三維空間內(nèi)是按段落離散分布的。通過曲面差分計(jì)算得到的不同樁號范圍內(nèi)的原始路基實(shí)體模型，在Civil 3D模型空間及Dynamo環(huán)境下均整合在一個實(shí)體對象內(nèi)(非填方路段以空隙形式間斷存在于該實(shí)體對象內(nèi))，無法按照路堤段落分別賦予相應(yīng)的樁號信息等相關(guān)屬性，給后續(xù)的分組設(shè)計(jì)帶來極大的不便。因此需要對原始路基實(shí)體進(jìn)行離散化預(yù)處理，如圖6所示。

圖6 預(yù)處理模塊流程圖

原始路基實(shí)體對象在空隙處并不能與其他幾何對象產(chǎn)生布爾交集，無法直接通過平面切割原始路基實(shí)體的方式來進(jìn)行離散化預(yù)處理。本文通過采用垂直平面切割路基包圍盒實(shí)體、并用離散的包圍盒實(shí)體與原始路基實(shí)體進(jìn)行布爾交集計(jì)算的方法，實(shí)現(xiàn)了路基實(shí)體的離散化預(yù)處理。主要步驟如下：

圖8 確定強(qiáng)夯處治范圍

圖9 包圍盒實(shí)體離散化處理

(1)沿三維道路中線創(chuàng)建帶狀三維曲面。對于曲面上與中線垂直的任意橫截面，其寬度均為該樁號處的道路占地寬度、兩側(cè)高程均為該樁號處的道路設(shè)計(jì)標(biāo)高。此曲面為路堤強(qiáng)夯處治的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)曲面，如圖7所示；

(2)根據(jù)是否進(jìn)行強(qiáng)夯處治的判斷原則，將基準(zhǔn)曲面按向量v=(0，0，-HR)平移，創(chuàng)建用于判斷是否采取強(qiáng)夯處治措施的臨界曲面，如圖2所示；

(3)通過Geometry.Intersect節(jié)點(diǎn)計(jì)算臨界曲面與原始路基實(shí)體的三維相交曲面。若某段路基實(shí)體與臨界曲面存在交集，則該段路基填方高度超過了不進(jìn)行強(qiáng)夯的臨界高度，提取相交曲面的邊緣點(diǎn)即可反算出該段路基的強(qiáng)夯處治樁號范圍，如圖8所示；

(4)根據(jù)強(qiáng)夯處治范圍的起、終點(diǎn)樁號，過三維道路中線上的相應(yīng)點(diǎn)創(chuàng)建切割實(shí)體的輔助平面。該樁號處的三維道路中線切向量在水平面上的投影為輔助平面的法向量；

(5)創(chuàng)建原始路基實(shí)體的包圍盒(BoundingBox)，并生成包圍盒實(shí)體； 通過輔助平面切割包圍盒實(shí)體，僅保留處治范圍內(nèi)的部分，完成包圍盒實(shí)體的離散化處理，如圖9所示；

(6)將離散包圍盒實(shí)體與原始路基實(shí)體進(jìn)行布爾交集運(yùn)算，交集部分即為離散后的路堤實(shí)體。

通過以上步驟，同時也自動計(jì)算出了需要進(jìn)行強(qiáng)夯處治的路基范圍，實(shí)現(xiàn)了樁號屬性與離散路堤實(shí)體的分組匹配，如圖10所示。

圖10 路基實(shí)體離散化預(yù)處理過程

3.2.3 自動設(shè)計(jì)模塊

利用Dynamo對空間不規(guī)則幾何圖形的強(qiáng)大計(jì)算能力，以離散路堤實(shí)體和基準(zhǔn)曲面為對象，自動完成路堤強(qiáng)夯層數(shù)以及強(qiáng)夯面的計(jì)算。

最大強(qiáng)夯層數(shù)試算。如圖2所示，第一層強(qiáng)夯面位于路床以下H2處，其他強(qiáng)夯面依次向下等距分布。強(qiáng)夯層數(shù)n可通過式(1)計(jì)算：

n=[(HS-H1-H2)/DH]+1

(1)

式中，n向下取整數(shù)，HS為路堤邊坡高度。HS通過路基實(shí)體包圍盒最高點(diǎn)(MaxPoint)和最低點(diǎn)(MinPoint)的z坐標(biāo)來確定(HS′=zmax-zmin)，由于HS′≥HS，因此采用此方法確定的最大強(qiáng)夯層數(shù)總不小于實(shí)際強(qiáng)夯層數(shù)。

圖11 試算最大強(qiáng)夯層數(shù)

三維強(qiáng)夯面生成。根據(jù)最大強(qiáng)夯層數(shù)n以及強(qiáng)夯面的分布規(guī)則，各層強(qiáng)夯面與基準(zhǔn)曲面的相對高度可通過式(2)確定：

hi=-(H1+H2)-(i-1)·DH

(2)

式中，i=1，2，……，n。將基準(zhǔn)曲面沿向量Ⅵ=(0，0，hi) 通過Geometry.Translate節(jié)點(diǎn)進(jìn)行偏移變換，創(chuàng)建各層強(qiáng)夯面所在的三維空間曲面組。通過三維空間曲面組與離散路堤實(shí)體進(jìn)行布爾計(jì)算并清除空列表，最終得到全體設(shè)計(jì)強(qiáng)夯面。

圖12 路堤強(qiáng)夯面三維透視圖

3.2.4 數(shù)據(jù)輸出模塊

完成路堤強(qiáng)夯面的自動設(shè)計(jì)后，即可使用數(shù)據(jù)輸出模塊對相關(guān)設(shè)計(jì)圖紙成果及工程量清單進(jìn)行整理輸出。

圖13 平面分布圖自動繪制

在Dynamo環(huán)境下提取設(shè)計(jì)強(qiáng)夯面的邊緣曲線三維空間點(diǎn)，使用Polyline3D.ByPoints節(jié)點(diǎn)將三維空間點(diǎn)連接成三維多段線(Polyline3D)，并輸出至Civil 3D的模型空間，自動完成強(qiáng)夯處治平面分布圖的繪制,如圖13所示； 在Civil 3D模型空間里以強(qiáng)夯分布范圍邊緣三維多段線為曲面特征線和邊界創(chuàng)建TIN曲面，并添加至橫斷面采樣源，自動完成設(shè)計(jì)強(qiáng)夯面在路基橫斷面圖上的精確繪制。

根據(jù)強(qiáng)夯層位，分層整理強(qiáng)夯樁號范圍、強(qiáng)夯面豎向位置、強(qiáng)夯處治面積等數(shù)據(jù)，通過Data.ExportExcel節(jié)點(diǎn)輸出至Excel工作表中，實(shí)現(xiàn)路堤強(qiáng)夯工程量清單的自動輸出,如圖14所示。

圖14 強(qiáng)夯設(shè)計(jì)明細(xì)表

3.3 自動設(shè)計(jì)效果評價

根據(jù)前面提出的自動設(shè)計(jì)技術(shù)路線，完成了環(huán)湖路二期路堤強(qiáng)夯的自動設(shè)計(jì)。環(huán)湖路二期總計(jì)需要對3段填方路基采用強(qiáng)夯處治措施，最大強(qiáng)夯層數(shù)為2層，總計(jì)強(qiáng)夯面積11 740m2。

圖15 強(qiáng)夯處治平面布置圖

從圖15可以看出，自動設(shè)計(jì)技術(shù)能夠準(zhǔn)確地繪制出路堤強(qiáng)夯處理的平面分布圖，精確地表達(dá)強(qiáng)夯面的空間位置關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了工程量的精確統(tǒng)計(jì)。傳統(tǒng)方法只能由設(shè)計(jì)人員通過路基橫斷面圖逐樁進(jìn)行設(shè)計(jì)，無法準(zhǔn)確把握強(qiáng)夯面的空間分布形態(tài)，不能準(zhǔn)確繪制平面分布圖，甚至出現(xiàn)了設(shè)計(jì)遺漏的情況，工程量統(tǒng)計(jì)存在較大誤差。自動設(shè)計(jì)技術(shù)顯著提高了設(shè)計(jì)品質(zhì)。

自動設(shè)計(jì)程序完成了絕大部分的人工重復(fù)勞動，提高了設(shè)計(jì)工作效率。正向的設(shè)計(jì)工作流保證了在道路平面、縱斷面及橫斷面設(shè)計(jì)調(diào)整的情況下，路堤強(qiáng)夯設(shè)計(jì)成果能夠?qū)崟r聯(lián)動更新，節(jié)省了大量的反復(fù)修改時間。

4 結(jié)語

參數(shù)化自動設(shè)計(jì)技術(shù)在處理道路路基等空間分布離散的不規(guī)則構(gòu)造物方面具有巨大優(yōu)勢，能夠滿足道路等基礎(chǔ)設(shè)施的高效率、精細(xì)化設(shè)計(jì)需求，對三維正向設(shè)計(jì)理念的應(yīng)用和推廣具有重要意義。

本文基于參數(shù)化設(shè)計(jì)工具Dynamo，以三維BIM模型為核心，提出了路堤強(qiáng)夯處治的自動設(shè)計(jì)工作流，并在重慶兩江協(xié)同創(chuàng)新區(qū)環(huán)湖路二期項(xiàng)目中成功進(jìn)行了應(yīng)用和驗(yàn)證，顯著提高了設(shè)計(jì)品質(zhì)和工作效率。研究成果對于類似項(xiàng)目設(shè)計(jì)具有一定的參考價值。