曾凡云，湯宏偉，唐俊成

（中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410014）

0 前 言

隨著5G技術(shù)的普及與萬物互聯(lián)需求加速發(fā)展，數(shù)字孿生和物聯(lián)網(wǎng)成為必然趨勢，因此，具有精細(xì)、準(zhǔn)確、即時的幾何和信息的三維模型在BIM實施與互聯(lián)發(fā)展中起到至關(guān)重要的作用，對于勘察設(shè)計行業(yè)而言，BIM模型的設(shè)計交付和應(yīng)用也逐漸成為項目開發(fā)中的必要條件［1-4］。為了滿足BIM模型交付的要求，當(dāng)前的勘察設(shè)計團隊往往在完成傳統(tǒng)的設(shè)計方案的同時，通過建模的方式將既有的設(shè)計方案轉(zhuǎn)換為三維幾何模型，再將模型元素賦予對應(yīng)的材料、造價等信息（行業(yè)內(nèi)稱為翻模）交付給施工方和業(yè)主［5-6］。對于公路項目而言，路基作為道路模型的主體，與路線方案及地形關(guān)系密切，設(shè)計過程涉及反復(fù)修改優(yōu)化。如何高效地進(jìn)行路基設(shè)計與修改，一直是公路設(shè)計中的難點問題。在三維協(xié)同設(shè)計環(huán)境中，由于多專業(yè)的參與，更多基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的加入，多項目的組合，使得路基設(shè)計的邊界復(fù)雜度大大增加，而交互式的精細(xì)設(shè)計使得路基模型自身的標(biāo)準(zhǔn)程度大大降低，在這種情況下，如何實現(xiàn)三維體系中的路基高效設(shè)計修改，并能滿足復(fù)雜邊界條件，成為推進(jìn)公路BIM應(yīng)用必須解決的問題。

現(xiàn)以公路路基三維設(shè)計及建模為研究對象，分析當(dāng)前常規(guī)路基設(shè)計方法和軟件的不足，并提出一種基于三廊道的路基建模方法，以滿足路基三維設(shè)計優(yōu)化與模型交付的要求。該方法在江西省S206貴溪虹橋至黃思段公路改建工程的路基設(shè)計中進(jìn)行應(yīng)用，體現(xiàn)了很好的適用性。

1 公路路基設(shè)計建?，F(xiàn)狀分析

在傳統(tǒng)二維設(shè)計過程中，公路路基設(shè)計過程并不考慮路基的三維建模問題，只是通過關(guān)鍵樁號橫斷面設(shè)計結(jié)果來描述整個道路的路基方案，關(guān)鍵樁號之間的區(qū)域并不表達(dá)，計量時按線性插值進(jìn)行粗略考慮［7-8］。這種模式經(jīng)過多年工程實踐，基本適用于常規(guī)公路設(shè)計要求，但是也體現(xiàn)出一定的局限性。比如無法直觀、清晰、完整地表現(xiàn)最終的路基設(shè)計方案，小半徑回頭彎位置的路基斷面自相交難以處理等。

在三維設(shè)計中，常用Autodesk公司的Revit、Civil3D，Bentley公司的OpenRoadsDesigner等軟件進(jìn)行公路三維設(shè)計，這些軟件在進(jìn)行路基設(shè)計建模時，通常采用標(biāo)準(zhǔn)橫斷面進(jìn)行路線放樣，然后再針對放樣模型進(jìn)行精細(xì)調(diào)整［9-14］。這種模式通過全局三維建模，解決了路基方案整體表達(dá)的問題，也帶來了宏觀可視化的便利，但在路基模型精細(xì)度控制和建模效率上也體現(xiàn)出一定的局限性，主要表現(xiàn)在：

（1）現(xiàn)有的軟件中無法針對上述設(shè)計過程中的填挖過渡、擋土墻布置、涵洞布設(shè)等關(guān)鍵位置自動進(jìn)行斷面加密。

（2）在路基設(shè)計的動態(tài)過程中，由于路基方案在不斷進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，這種全局建模的方式也在交互過程中呈現(xiàn)出明顯的效率問題，且斷面間距越密，路基模型建模的耗時越長存儲空間占用越大，但道路左右側(cè)的加密需求一般不同步。如圖1案例所示，因地形變化，在路基較寬時左右路側(cè)填挖過渡的樁號區(qū)間一般不一致，這種情況下對整個路基進(jìn)行加密建模將進(jìn)一步增加模型體量?，F(xiàn)有軟件的斷面設(shè)計思路一般為將整個道路斷面在一個廊道中進(jìn)行定義（如圖2所示），在僅需要對路基某一側(cè)局部加密時弊端較明顯。

圖1 道路左右側(cè)填挖過渡區(qū)間不一致的案例

圖2 現(xiàn)有公路三維設(shè)計軟件中道路橫斷面定義方式

澳大利亞交通項目工程師AlexanderBadaoui及其所在設(shè)計團隊（TERRA）提出一種“三維線性法”來解決上述問題［15-16］，其基本原理如圖3所示，即將道路橫斷面中，路面、路肩、邊溝、護(hù)欄、邊坡等構(gòu)件進(jìn)行拆解，分成多個廊道進(jìn)行建模，多個廊道之間通過參數(shù)建立約束關(guān)系，以實現(xiàn)路基各構(gòu)件的協(xié)同變化。但此方法的癥結(jié)在于為了將一個橫斷面中的多個廊道動態(tài)關(guān)聯(lián)在一起，需要建立大量的點控制與參數(shù)控制條件，廊道建模效率降低，而且在一個斷面中廊道數(shù)量過多且不標(biāo)準(zhǔn)的情況下，維護(hù)多個廊道之間約束關(guān)系時的穩(wěn)定性得不到保證。

圖3 三維線性法進(jìn)行路基建模的方法（多廊道定義整個斷面）

2 三廊道建模方法

2.1 基本思路

本文對三維線性法進(jìn)行簡化處理，即利用“三維線性法”的思路進(jìn)行路基模型創(chuàng)建，但是在構(gòu)件的拆分，即廊道的數(shù)量上進(jìn)行精簡，以道路左右側(cè)硬路肩或行車道外邊緣為分界，將整個路基設(shè)計拆分為中間路面、左路基、右路基3個廊道（見圖4）。這種左、中、右三廊道的建模方法有如下優(yōu)點：

圖4 左中右3個廊道定義整個斷面

（1）在路基設(shè)計分區(qū)上，中間廊道主要處理道路分幅、超高加寬等方案以滿足行車要求，而左右廊道主要處理與地形相關(guān)的填挖邊坡及排水溝渠方案，以滿足路基穩(wěn)定及排水要求，概念清晰而簡潔，便于方案管理。

（2）在整個路基設(shè)計流程以及修改工作量的方面，中間廊道用來表達(dá)行車范圍之內(nèi)的設(shè)計方案，一般在項目設(shè)計之初，道路等級、路基標(biāo)準(zhǔn)、超高加寬計算完成后即可確定，設(shè)計過程修改較少；而左右廊道在中間廊道設(shè)計完成后需要進(jìn)一步結(jié)合地形及周邊環(huán)境進(jìn)行反復(fù)調(diào)整與優(yōu)化，工作量較大，將左中右廊道分開可以在動態(tài)調(diào)整過程中只針對需要調(diào)整的位置進(jìn)行模型修改，可以大大提高整體的建模效率。

（3）在路基建模密度上，中間廊道需要在曲線段加密，而左右廊道需要在填挖過渡、擋墻支護(hù)、涵洞布設(shè)等位置進(jìn)行局部加密，且左右側(cè)路基的加密樁號一般不同步，三廊道建模方法可以使左中右廊道按各自需求進(jìn)行單獨加密，可明顯降低模型占用存儲空間與計算資源。

三廊道方法是一種數(shù)據(jù)和模型層面的處理方法，而對于工程設(shè)計而言，還是以道路整體斷面進(jìn)行分析和表達(dá)，因此三廊道方法的應(yīng)用，還需要解決路基斷面整體表達(dá)與三廊道表達(dá)之間的映射，以及道路路線修改后三廊道的刷新兩個問題。

2.2 路基斷面整體表達(dá)與三廊道表達(dá)之間的映射方法

對于三廊道路基設(shè)計而言，左中右3個廊道模型相對獨立，因此需要針對三者之間的工程定位關(guān)系進(jìn)行專門處理，以保證三廊道模型能夠?qū)崿F(xiàn)同步映射。由于道路設(shè)計中構(gòu)造物的定位均通過其對應(yīng)道路中線樁號位置進(jìn)行描述，故本文采用法向垂直投影的映射關(guān)系作為多個廊道的同步邏輯（如圖5所示），對于左右廊道上的任意點或斷面的定位信息，均按其向道路中線的投影樁號進(jìn)行描述和記錄。

圖5 三廊道路基設(shè)計時的廊道同步邏輯

2.3 路線修改后的廊道刷新方法

傳統(tǒng)二維設(shè)計軟件和當(dāng)前的三維設(shè)計軟件都是按樁號對路基進(jìn)行定位，路線修改后的模型刷新一般也是按樁號進(jìn)行匹配，并基于此在道路設(shè)計中引入了斷鏈的概念，通過對路線樁號添加命名前綴（如AK0m＋050.0m＝BK0m＋068.5m）模擬長鏈或短鏈，來解決調(diào)線前后的定位對齊問題。但是這種斷鏈的方法也存在一些問題，具體為：（1）在路線方案設(shè)計過程中，路線反復(fù)調(diào)整，此時為了保證廊道方案的刷新，需要反復(fù)設(shè)置斷鏈，操作較為繁瑣，阻礙了方案動態(tài)修改的連貫性；（2）路線修改前后，廊道的長度有可能發(fā)生變化，因此每次調(diào)線需要在每個廊道的起終點各設(shè)置一次斷鏈，這導(dǎo)致整個調(diào)線后的路線方案中斷鏈相當(dāng)多，可能會引發(fā)命名歧義。

該研究采用最近點投影的方式來自動進(jìn)行路線修改后的廊道刷新。如圖6所示，當(dāng)路線方案從A線調(diào)整為B線后，分別將A線中的點A1與A2按絕對坐標(biāo)向B線進(jìn)行最近點投影，計算得到點BA1與BA2；然后將廊道模型刷新至，這種刷新方式可以在路線局部調(diào)整后仍保留未調(diào)整部分的廊道方案不變，而局部調(diào)整區(qū)域最大限度貼近原方案，且能對廊道長度的變化進(jìn)行自動處理。此方法可最大限度地利用原有設(shè)計方案，提高設(shè)計效率。

圖6 路線修改后的廊道刷新邏輯示意

結(jié)合上述方法，基于Bentley平臺OpenRoads Designer軟件研發(fā)了公路路基設(shè)計功能，并按圖7所示流程進(jìn)行公路路基設(shè)計與調(diào)整。最后通過相關(guān)交互功能開發(fā)，將三廊道建模邏輯在后臺進(jìn)行實現(xiàn)，對于設(shè)計人員而言，可以選擇性地針對單一側(cè)廊道進(jìn)行調(diào)整或者對路基橫斷面進(jìn)行整體調(diào)整。

圖7 三廊道路基設(shè)計流程

3 工程應(yīng)用實例

3.1 工程概況

江西省S206貴溪虹橋至黃思段公路改建工程，項目全線采用二級公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計速度60km／h，雙向兩車道，路基寬度10m，橫斷面布置為：0.75m（土路肩）＋0.75m（硬路肩）＋2×3.5m（行車道）＋0.75m（硬路肩）＋0.75m（土路肩），如圖8所示；路線全長9.544km。橋涵設(shè)計汽車荷載等級為公路Ⅰ級；其余技術(shù)指標(biāo)采用交通部頒《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定值。本項目設(shè)置大橋1座（預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，柱式墩、肋板臺、樁基礎(chǔ)），無隧道。工程結(jié)構(gòu)物主要有路基主體、排水溝渠、重力式擋土墻、排水涵洞等。

3.2 設(shè)計應(yīng)用

3.2.1 路基廊道建模與修改

路基建模時將整個斷面劃分為左、中、右三個廊道進(jìn)行分開設(shè)計建模（見圖8）。

圖8 S206貴溪虹橋至黃思段公路改建工程路基標(biāo)準(zhǔn)橫斷面示意（單位：mm）

圖9為完成的項目路基模型，從模型成果來看，左、中、右廊道的斷面密度可分開設(shè)置，互不影響，可方便地進(jìn)行針對性的局部加密，大大減小模型數(shù)據(jù)存儲空間與計算耗時。

圖9 項目路基模型

另一方面，對于當(dāng)前道路三維設(shè)計軟件進(jìn)行廊道建模時，在填挖交界過渡區(qū)出現(xiàn)明顯突變的問題，利用二分法進(jìn)行過渡區(qū)斷面間距自動加密，實現(xiàn)幾何模型的平滑過渡。

路基標(biāo)準(zhǔn)橫斷面帶帽后，對于路基斷面還是按整個路基斷面的參數(shù)進(jìn)行交互式詳細(xì)調(diào)整，而調(diào)整后的廊道模型按左、中、右廊道進(jìn)行獨立修改與建模。

3.2.2 關(guān)聯(lián)專業(yè)協(xié)同修改

公路路基作為公路項目的主體，在設(shè)計過程中，它與道路交通安全設(shè)施、支擋結(jié)構(gòu)、邊坡防護(hù)、排水結(jié)構(gòu)、涵洞等均有關(guān)聯(lián)。以擋土墻設(shè)計為例（如圖10所示），路基左右側(cè)廊道分開設(shè)計和建模，當(dāng)某側(cè)進(jìn)行擋土墻布置或方案調(diào)整時，只需要對對擋墻布設(shè)側(cè)的廊道邊坡進(jìn)行局部區(qū)間的加密和修改，可以很好地兼顧模型表達(dá)精度及動態(tài)修改的效率。

圖10 擋土墻對路基邊坡的修改

4 結(jié) 論

本文針對公路BIM設(shè)計中的路基建模方法進(jìn)行研究，采用三廊道方法進(jìn)行路基橫斷面描述與路基三維建模，并基于Open Roads Designer開發(fā)了公路路基設(shè)計功能，結(jié)合實際工程項目對三廊道建模方法進(jìn)行了應(yīng)用，成果滿足工程設(shè)計需要。

（1）左、中、右三廊道獨立建模，解決了橫斷面整體建模時不能進(jìn)行某側(cè)局部區(qū)間加密的問題。通過路基關(guān)聯(lián)構(gòu)件的設(shè)計協(xié)同功能開發(fā)，實現(xiàn)擋墻、涵洞等設(shè)計調(diào)整過程中的路基模型局部處理，較Open Roads Designer自帶的廊道功能建模，效率更高、模型占用空間更小。

（2）通過廊道間的法向垂直映射來處理多廊道間的同步刷新，解決了獨立廊道模型與完整斷面方案之間的同步問題。

（3）通過絕對坐標(biāo)與起點距離之間的換算算法，解決了路線局部修改后的路基廊道刷新以及設(shè)計方案映射的問題，盡可能避免了設(shè)計人員重做設(shè)計方案，提高了設(shè)計效率。

（編 輯：惠方方）