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        基于BIM 技術(shù)的公路線形三維可視化設(shè)計

        2022-08-05 03:06:26齊振國
        山東交通科技 2022年3期
        關(guān)鍵詞:可視化公路模型

        潘 越,朱 福,齊振國

        (1.吉林建筑大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院,吉林 長春 130118;2.同豪土木有限責(zé)任公司,上海 200000)

        引言

        根據(jù)國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù),2020 年我國道路交通事故萬車死亡人數(shù)1.66 人,因交通安全問題造成的人員傷亡、經(jīng)濟損失仍居高不下。研究表明,除部分事故是由于駕駛員行駛不當(dāng)、車輛存在安全隱患、不良天氣等外部原因?qū)е峦猓?],絕大部分是由于危險的行駛條件導(dǎo)致,而危險的行駛條件往往與不當(dāng)?shù)木€形條件有關(guān)。

        在傳統(tǒng)二維設(shè)計背景下,公路線形平面、縱斷面及橫斷面設(shè)計一般均能滿足規(guī)范要求;但公路線形是空間三維的帶狀體,在疊加組合后,公路線形變成三維空間路徑,線形設(shè)計在部分路段無法實現(xiàn)平面線形與縱橫斷面的動態(tài)結(jié)合[2],在二維設(shè)計下曲率連續(xù)的線形并不能保證其三維空間曲率的連續(xù)性,部分路段存在三維空間曲率連續(xù)性的衰減現(xiàn)象[3]。

        1 公路工程設(shè)計BIM 系統(tǒng)的特點

        1.1 路線三維可視化建模

        目前主流的公路工程項目設(shè)計方案主要采用二維設(shè)計,在設(shè)計過程中,設(shè)計人員將二維平面與縱斷面分開設(shè)計,設(shè)計完成后根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查、公路沿線影響因素對設(shè)計方案進行調(diào)整改進。在該過程中,二維設(shè)計不僅孤立地將平面線形與縱斷面線形分開進行設(shè)計,導(dǎo)致安全隱患;而且在設(shè)計過程中,由于二維設(shè)計不能直觀地展現(xiàn)表達(dá)周圍環(huán)境,在后期對路線的修改過程需進行多方溝通,耗費大量的時間與精力。公路工程設(shè)計BIM 系統(tǒng)等三維可視化軟件的出現(xiàn)有效地解決了上述問題,通過三維設(shè)計將平面設(shè)計與縱斷面設(shè)計結(jié)合起來,保證了公路曲線的基本變量曲率、撓率的連續(xù)性,并采取航拍影像、實地勘測等所得數(shù)據(jù),建立數(shù)字高程模型(DEM),并根據(jù)數(shù)字高程模型建立數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)集(DOM)[4-5],生成三維地形模型,直觀、立體地反映項目整體與周邊環(huán)境的關(guān)系[6],見圖1。

        圖1 路線模型與周邊關(guān)系

        1.2 路線方案比選

        公路工程屬于政府投資的交通基礎(chǔ)設(shè)施項目,其可行性研究報告是決定項目能否立項的重要因素。報告中的周邊社會現(xiàn)狀及發(fā)展預(yù)測、長期經(jīng)濟發(fā)展與交通量預(yù)測、建設(shè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及當(dāng)?shù)氐匦苇h(huán)境條件等內(nèi)容將決定項目設(shè)計方案,并由政府召集建設(shè)、規(guī)劃、環(huán)境、國土、水利、財務(wù)等部門對多方案進行可行性探討,最終做出決策[7]。

        在設(shè)計及最終決策階段,由于設(shè)計部門及從業(yè)人員較多,所涉及相關(guān)專業(yè)跨度大,關(guān)注重點各不相同;專業(yè)性強,溝通交流難度較大;耗資巨大,時間跨度較長,涉及因素多,不確性大,調(diào)整范圍廣導(dǎo)致公路路線設(shè)計在最終確定前會由于各種原因進行修改。為有效推進設(shè)計進程,利用公路工程設(shè)計BIM 系統(tǒng),通過創(chuàng)建公路三維信息模型比選。項目建設(shè)各參與方及相關(guān)技術(shù)專家可以通過方案比選,更直觀地看到沿線各種建設(shè)條件、地形因素、建設(shè)方案及建成后的效果,加快方案比選論證過程,選定最優(yōu)方案。

        1.3 自動出圖

        作為傳統(tǒng)設(shè)計方式,CAD 主要以圖紙的形式進行展示,通過二維設(shè)計圖紙,并不能完整的表達(dá)設(shè)計想法,容易產(chǎn)生疏忽與漏洞,施工人員若不能正確、完整讀懂設(shè)計意圖,將影響整體工程質(zhì)量;若是當(dāng)設(shè)計方案因故需要修改時,基于CAD 的二維圖紙修改,工作量較大[8]。

        自動出圖是 BIM 技術(shù)的核心價值之一。在公路工程設(shè)計BIM 系統(tǒng)中,三維模型與圖紙具有實時性、關(guān)聯(lián)性,完成公路路線三維建模后,就可以直接由三維模型生成路線平面圖、縱斷面圖、橫斷面以及直線曲線及轉(zhuǎn)角表、土方數(shù)量表、主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)表等,從而實現(xiàn)圖紙繪制的自動化、便捷化。

        2 公路線形三維可視化設(shè)計

        2.1 三維數(shù)字地面模型創(chuàng)建

        公路是空間三維的帶狀體,公路線形設(shè)計目的在于確定公路的三維空間位置。常用的公路線形設(shè)計將空間幾何轉(zhuǎn)向二維設(shè)計,將平縱斷面分開進行設(shè)計,導(dǎo)致一系列安全隱患。基于BIM 的三維可視化設(shè)計,提供了強大的數(shù)據(jù)處理能力和計算分析能力,幫助從業(yè)人員通過實地勘測所得的相關(guān)三維數(shù)據(jù)通過整合處理,以3D 形式儲存于3D 格式中。

        在公路工程設(shè)計BIM 系統(tǒng)中,利用 DWG 地形圖作為地形源數(shù)據(jù),首先在公路工程設(shè)計BIM 系統(tǒng)界面中建立一個新工程;其次將DWG 地形圖導(dǎo)入軟件,在構(gòu)建地模中,分別添加DWG 地形圖中的等高線、高程點、輪廓邊界數(shù)據(jù),創(chuàng)建完的地形模型見圖2。該三維地模是建立公路 BIM 模型的載體,其中包含了三維坐標(biāo)地形等信息,不再是 AutoCAD 的圖形對象[9]。

        圖2 三維數(shù)字地面模型

        2.2 平縱線形設(shè)計

        在創(chuàng)建完成三維地形模型基礎(chǔ)上,采用導(dǎo)線法及線元法相結(jié)合的方式,進行三維公路線形設(shè)計。公路工程設(shè)計BIM 系統(tǒng)不同于其他BIM 技術(shù)在于實現(xiàn)了平面設(shè)計及縱斷面設(shè)計的實時同步,對設(shè)計階段進行了改良,見圖3。

        在平面設(shè)計階段,對相關(guān)控制點進行選取,并根據(jù)三維地形圖,輸入緩和曲線、直線、圓曲線等公路路線相關(guān)參數(shù)進行設(shè)置[10]。在二維設(shè)計中,平面線形與橫縱斷面線形均是孤立存在。而在公路工程設(shè)計BIM 系統(tǒng)中,由于BIM 技術(shù)能夠?qū)崟r更新三維線形的特點且軟件提供平縱設(shè)計實時同步的功能,便能以平面線形為依據(jù),進行縱斷面線形設(shè)計,對其縱斷面線形走勢進行調(diào)整,使其滿足公路工程設(shè)計相關(guān)規(guī)范;在此基礎(chǔ)上,可以進行橋梁、隧道、涵洞等構(gòu)造物設(shè)計,進一步對公路線形設(shè)計進行優(yōu)化,軟件根據(jù)相關(guān)參數(shù)自動生成公路線形。

        2.3 路基橫斷面設(shè)計

        路基設(shè)計是公路工程設(shè)計中非常重要的一個環(huán)節(jié)。在以往的路基設(shè)計中,主要根據(jù)路線、地形圖、地勘資料等進行路基橫斷面設(shè)計,再根據(jù)路基橫斷面對邊坡、防護、支擋、排水、土石方等路基相關(guān)專業(yè)進行設(shè)計。同時,由于路基牽涉專業(yè)較多,且不同專業(yè)的設(shè)計會對路基橫斷面設(shè)計造成影響,需要設(shè)計人員反復(fù)迭代設(shè)計,加大了項目的成本。

        在傳統(tǒng)的路基橫斷面設(shè)計流程中,不同的路基專業(yè)設(shè)計,需使用不同的工程軟件進行設(shè)計;同時由于路基工程的“靈活性”,時常有許多設(shè)計結(jié)果不能通過軟件設(shè)計完成,有些專業(yè)甚至需要設(shè)計人員手工進行繪圖計算。而現(xiàn)階段并沒有一套完整的路基設(shè)計解決方案,這就導(dǎo)致路基設(shè)計結(jié)果不夠嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致,同時設(shè)計過程中也存在難以協(xié)同、效率低下等問題。

        傳統(tǒng)的路基設(shè)計是基于二維圖形的設(shè)計過程,這就導(dǎo)致在設(shè)計過程中存在一系列的設(shè)計盲點,如橫斷面樁號之間若存在特殊構(gòu)造物或是特殊地形,即使加密橫斷面樁號,也不能完整地表達(dá)構(gòu)造物、地形、地貌等信息。換句話說,傳統(tǒng)設(shè)計中的橫斷面設(shè)計結(jié)果并不是一個連續(xù)的結(jié)果。

        公路工程設(shè)計BIM 系統(tǒng)針對傳統(tǒng)路基設(shè)計流程中的問題與弊端,結(jié)合GIS、BIM 和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),提供了一套全流程、專業(yè)化、數(shù)字化、智能化的路基設(shè)計解決方案,見圖4。

        圖4 路基橫斷面設(shè)計

        3 結(jié)語

        (1)對傳統(tǒng)二維設(shè)計的技術(shù)難點進行了探討,對BIM 技術(shù)的相關(guān)技術(shù)特點進行了研究,基于公路工程設(shè)計BIM 系統(tǒng)軟件,結(jié)合DEM 與DOM 所建立的三維數(shù)字地面模型,實現(xiàn)了公路線形平縱線形設(shè)計與路基橫斷面設(shè)計,有效解決了傳統(tǒng)二維設(shè)計中平縱斷面無法動態(tài)結(jié)合的問題。(2)基于公路工程設(shè)計BIM 系統(tǒng)軟件,對BIM 技術(shù)在公路線形設(shè)計上的相關(guān)功能,如路線三維可視化建模、路線方案比選、自動出圖進行了研究,提出基于該系統(tǒng)的公路線形三維可視化設(shè)計技術(shù)方案。

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