楊興之

（貴州省建筑設計研究院有限責任公司，貴州 貴陽 550081）

0 引言

在可視化技術不斷發(fā)展背景下，我國城市主干道設計正逐漸由傳統(tǒng)2D 圖紙設計到3D 立體可視化設計中。通過利用計算機和圖像處理技術，匯總主干道相關信息數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖像在屏幕上顯示出來，構建工程模型?？梢暬夹g以其獨特優(yōu)勢被廣泛運用在工程項目設計中，能有效避免設計環(huán)節(jié)與具體施工不相符的問題。

1 三維數(shù)字地形建立與處理

1.1 創(chuàng)建三維地形曲面

地形曲面表示地形的三維幾何狀態(tài)，是可視化技術應用于城市主干道路設計的基礎。其中，縱斷面設計、土方計算、主干道路路線設計等都是基于此項工作展開。設計人員通過利用BIM 軟件創(chuàng)建道路曲面圖，連接谷歌衛(wèi)星地圖功能進行高程數(shù)據(jù)、影像圖數(shù)據(jù)，下載該城市地形數(shù)據(jù)。這種地形曲面圖創(chuàng)設方式針對一些勘測難度大、地形精度要求不高的城市主干路工程而言，有效解決傳統(tǒng)勘測設計方式存在的出錯率高、工作量大、數(shù)據(jù)采集費時費力等問題，如圖1 所示。

1.2 三維地形曲面處理與分析

在三維地驅(qū)魔模型創(chuàng)設完成后，便可對地形曲面進行處理和分析，包括高程檢查、高程分析、曲面升降等。高程檢查是監(jiān)測當前曲面圖形中的高程數(shù)據(jù)，能夠及時發(fā)現(xiàn)存在問題的數(shù)據(jù)，如模型中高程點與實際點位差值過大、和周圍點形成較大坡度。設計人員通過高程檢查功能，刪除其中錯誤高程點。高程分析是根據(jù)不同程度高程范圍區(qū)域繪制不同顏色，便于檢查高程分布情況，如圖1 所示[1]。

圖1 三維地形

2 城市主干路路線設計優(yōu)化

2.1 三維場景建模

在城市主干道路設計中，三維場景模擬模型是重要基礎，通過創(chuàng)建三維道路路線網(wǎng)模型，能有效節(jié)省路線設計時間。雖然三維建模優(yōu)勢明顯，但在實際運用中依舊存在不同程度缺陷。設計人員應依據(jù)道路建造條件，根據(jù)施工現(xiàn)場情況實時調(diào)整，精確計算道路路線，創(chuàng)建多個不同閉環(huán)合路，嚴格按照設計階段進行拼接，將其重新組合形成新的模型，進一步保證道路路線設計質(zhì)量。

2.2 三維模型的可視化

三維虛擬模型結(jié)構是基于設計道路路線規(guī)劃和設計理念，基于衛(wèi)星圖像和模型通過實地勘測，將獲取的三維模型與城市主干道有機連接和結(jié)合。設計人員利用虛擬現(xiàn)實技術和計算機技術，將地形數(shù)據(jù)與基礎數(shù)據(jù)為城市主干道路精確空間模型奠定基礎；或者利用衛(wèi)星或航空數(shù)字圖像進行模擬和處理，能夠在主干道路上建立虛擬現(xiàn)實，體會到真實駕駛感受[2]。

3 主干道路縱斷面設計與土方量計算

3.1 三維建模

首先，由于城市主干道規(guī)劃面積較大，通常情況下由多個施工隊伍共同完成測量作業(yè)，所采集數(shù)據(jù)信息龐大。為順利將CAD 文件導入軟件中，需要對所采集到的數(shù)據(jù)進行處理。數(shù)據(jù)處理主要包括以下3 點：①高程點篩選。需要將不同圖層高層點統(tǒng)一規(guī)劃到同一圖層中，便于設計人員查詢和后期數(shù)據(jù)分析。同時，由于城市主干道規(guī)劃高程點基數(shù)大，部分點位難免存在一定誤差，需要對這些高程點進行處理，消除偏差大的高程點。②中線編輯。為了保證主干道中線為連續(xù)多段線，中間不能有斷點，設計人員在利用計算機系統(tǒng)提取道路縱斷面時，需要對設計主干道路中線進行檢查和編輯。③分區(qū)邊界線編輯。各規(guī)劃區(qū)邊界線應是閉合多段線，保證后期數(shù)字高程模型需要。

其次，在信息數(shù)據(jù)處理后，需要將CAD 數(shù)據(jù)無損轉(zhuǎn)換成GIS 系統(tǒng)可識別格式，以保證后續(xù)工作順利進行。設計人員應在軟件中建立全新數(shù)據(jù)庫，將主干道規(guī)劃高程點、道路中線、分區(qū)邊界線等數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換，利用工具加載之前轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，再利用用戶桌面組件將轉(zhuǎn)化后的CAD 數(shù)據(jù)進行符號化處理，如圖2 所示。

圖2 某城市主干道規(guī)劃

最后，構建3D 立體模型。通過利用高程點數(shù)據(jù)真實反映地表模型，利用GIS 軟件采用不規(guī)則三角網(wǎng)建立地表模型，不僅能體現(xiàn)出地形特征點與線，還有效避免大量數(shù)據(jù)冗余。

3.2 縱斷面生成

城市主干道路縱斷面生成至關重要，關乎著車輛行駛速度、道路使用性能、道路建設投資、運輸成本等問題。應明確主干道最大縱坡，保證車輛能安全行駛在道路上，避免下坡車輛行駛速度過快引發(fā)安全事故。設計人員需要將道路中線加載到三維高程模型中，將其由2D 平面圖轉(zhuǎn)化為3D 立體模型，一定程度上提高了道路豎向設計工作效率。同時，GIS 系統(tǒng)通過將路網(wǎng)數(shù)據(jù)加載至3D 立體模型中，能快速獲取各條主干道縱斷數(shù)據(jù)，有助于降低城市主干道規(guī)劃區(qū)域設計龐大工作量和難度。除此之外，一旦主干道路線模型發(fā)生變化，僅需要將新生成的道路中線重新繪制在3D 立體模型上，便可生成新的主干道縱斷面。

3.3 土方量計算

設計人員通過利用GIS 軟件將主干道規(guī)劃區(qū)地表模型細化至若干微小單元，實現(xiàn)地表特征簡化，再采取近似于各個單元地表特征數(shù)值和插值數(shù)據(jù)，計算各個微小單位體積差進行求和，得出最后土方量。首先，建立不規(guī)則三角網(wǎng)模型。利用計算機生成整個城市主干路規(guī)劃區(qū)模型，通過分區(qū)界線進行劃分，探究各個區(qū)塊土方填挖情況，便于在分區(qū)界線調(diào)整時后續(xù)工作處理。同時，利用道路紅線覆蓋區(qū)域切割模型，計算主干道施工土方填挖情況，編制施工造價預算方案。其次，計算填挖土方量。根據(jù)上述建立模型，利用三維分析軟件能夠快速進行土方填挖計算。當施工區(qū)域土方均衡時，便可對整體土方運輸路線進行規(guī)劃，使得設計方案更加直觀，體現(xiàn)出設計思路。最后，統(tǒng)計匯總。通過利用數(shù)據(jù)表生成軟件，生成土方填挖統(tǒng)計表，或者構建土方填挖三維模擬圖，形象表現(xiàn)土方填挖分布情況。

4 城市主干道路交叉口設計

在城市道路網(wǎng)中，各條主干道路縱橫交錯，難免會形成諸多交叉口，行人、私家車、公交車都會在交叉口會合、通過、轉(zhuǎn)向。這會對相交道路產(chǎn)生一定干擾，減緩行人、車輛行進速度，延緩通過時間，造成交通堵塞或者交通事故。對此，通過設計合理主干路交叉口，提高通行能力，保證行車暢通，減少交通事故。

4.1 創(chuàng)建交叉口模型

設計人員應基于地理信息系統(tǒng)、地質(zhì)勘測數(shù)據(jù)、主干道路資料、城市交通擁堵節(jié)段點等，完成主干道交叉口設計、路拱形式選擇、道路轉(zhuǎn)彎半徑、交叉口路緣石轉(zhuǎn)角半徑、交叉口邊坡方案設計等工作后，利用可視化技術和計算機依據(jù)設計方案創(chuàng)建主干道交叉口立體模型。

4.2 三維仿真模擬實驗

在完成主干道交叉口設計后，設計人員利用可視化技術對交叉口進行三維仿真模擬，依據(jù)實際車輛行駛數(shù)量、通過時速、紅綠燈配時等參數(shù)，對主干道交叉口通行能力進行可視化模擬，如圖3 所示。若交叉口通行順暢便可說明交叉口設計滿足實際交通需求，若交叉口出現(xiàn)車輛擁堵，通行效率低下，則需要設計人員對交叉口設計方案進行優(yōu)化。目前常見交通組織方式有：設置專用車道，組織渠化交通，實行信號管制，調(diào)整交通組織。設置右轉(zhuǎn)專用車道和非機動車道是常見提高主干道交叉口通行能力有效方式；渠化交通是設置交通標志線或交通島，引導行人和車輛各行其道；信號管制是通過設計最優(yōu)紅綠燈配時來提高通行效率；調(diào)整交通組織是考慮城市交通系統(tǒng)，改變車輛行駛路線，如單行道、限制主干道上支路等。如果經(jīng)上述優(yōu)化設計后，仍未能解決主干道交叉口通行效率低下現(xiàn)狀，則需要改變交叉口設計形式，可將平面交叉口轉(zhuǎn)化為立體交叉口形式[3]。

圖3 交叉口可視化模型

5 主干道路排水系統(tǒng)模型構建

5.1 平面設計

在城市主干道路排水系統(tǒng)設計中，設計人員應提前聯(lián)系城市污水處理部門，獲取最新城市污水處理規(guī)劃圖紙，將其與城市主干道路設計高程點進行對比，科學合理規(guī)劃設計出排水系統(tǒng)管線布局2D 平面設計圖紙。在完成排水系統(tǒng)平面設計后，應根據(jù)相關規(guī)范和工程計算結(jié)果，適當調(diào)整和優(yōu)化排水管道尺寸及材料。

5.2 縱斷面設計

此項設計是在城市主干道路縱斷面設計基礎上完成的，豎井圖號選擇、選定斷面繪制功能等都需要相應節(jié)點在道路縱斷面上的坐標。排水系統(tǒng)管道縱斷面設計步驟如下：規(guī)劃管道坡度→定義管道標高→雨水口連接管道標高→管道標高交互設計。設計人員在完成豎向設計作業(yè)后，需要利用計算機系統(tǒng)和可視化技術，對排水系統(tǒng)管道線路進行碰撞試驗，避免出現(xiàn)地下管道碰撞現(xiàn)象，使得城市主干道路排水系統(tǒng)符合工程規(guī)范要求。

6 城市主干道地下管線規(guī)劃

6.1 可視化管線設計

城市主干道路地下埋設著大量管線，如照明電纜、熱力管線、給排水管線、通信管線等。在傳統(tǒng)城市主干道地下管線設計中，通常是管線綜合專業(yè)來規(guī)劃各個管線，僅僅是在2D 平面圖紙上標注各個構件數(shù)據(jù)信息，難以將三維效果、可視化設計展示出來。一旦在施工過程中發(fā)生管線碰撞沖突，需要建設單位消耗大量資金來解決。為了避免在城市主干道施工過程中損壞地下管線，需要協(xié)調(diào)好管線豎向高程點、平臺位置。設計人員通過利用可視化技術、軟件建立地下管線三維模型，讓城市主干道管線設計成果直觀呈現(xiàn)在人們眼前，不僅包含管線、管件尺寸，還能標注出不同管線和管件，清楚展示出管線立體位置和各個管件之間三維關系。通過合理劃分不同管線施工圖紙，嚴格遵守地下管線建模順序，降低管道改建和調(diào)整難度。同時，在建模完成后，應及時開展管線交叉碰撞試驗。需要先在計算機上進行預施工實驗，發(fā)現(xiàn)施工中存在著管線碰撞風險，及時做好調(diào)整，能有效避免后期管線碰撞現(xiàn)象，降低返修時產(chǎn)生的費用，提高施工企業(yè)經(jīng)濟效益[4]。

6.2 主干道路預留和預埋設計

通過利用可視化技術，便于設計人員明確預留孔洞詳細位置，按照設計、分析、模擬實現(xiàn)道路工程動態(tài)管控，在全面角度入手進行合理設計。在GIS 軟件中，根據(jù)地下管線數(shù)據(jù)信息，根據(jù)模擬結(jié)果解決問題，提高設計效果，縮短設計時間，有助于縮減道路工程工期，如圖4 所示。

圖4 地下管網(wǎng)線路

7 結(jié)語

綜上所述，未來城市主干道設計領域大規(guī)模信息化建設是必然趨勢，應深度探究可視化技術在城市主干道路設計方法應用，探討出一套基于可視化技術的城市主干路設計全過程實施方案。通過應用可視化技術對主干道工程項目進行設計，構建道路可視化模型，切實提高主干道路設計水平和質(zhì)量。