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據，將數據轉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據、影像圖數據，下載該城市地形數據。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、數據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據，能夠及時發(fā)現(xiàn)存在問題的數據，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。設計人員應依據道路建造條件，根據施工現(xiàn)場情況實時調整，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量。

2.2 三維模型的可視化

三維虛擬模型結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合。設計人員利用虛擬現(xiàn)實技術和計算機技術，將地形數據與基礎數據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)，所采集數據信息龐大。為順利將CAD 文件導入軟件中，需要對所采集到的數據進行處理。數據處理主要包括以下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據分析。同時，由于城市主干道規(guī)劃高程點基數大，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，保證后期數字高程模型需要。

其次，在信息數據處理后，需要將CAD 數據無損轉換成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據庫，將主干道規(guī)劃高程點、道路中線、分區(qū)邊界線等數據進行格式轉換，利用工具加載之前轉換數據，再利用用戶桌面組件將轉化后的CAD 數據進行符號化處理，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。通過利用高程點數據真實反映地表模型，利用GIS 軟件采用不規(guī)則三角網建立地表模型，不僅能體現(xiàn)出地形特征點與線，還有效避免大量數據冗余。

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)通過將路網數據加載至3D 立體模型中，能快速獲取各條主干道縱斷數據，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值和插值數據，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。通過利用數據表生成軟件，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、轉向。這會對相交道路產生一定干擾，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)、地質勘測數據、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、道路轉彎半徑、交叉口路緣石轉角半徑、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，依據實際車輛行駛數量、通過時速、紅綠燈配時等參數，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，調整交通組織。設置右轉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，應根據相關規(guī)范和工程計算結果，適當調整和優(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據信息，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，及時做好調整，能有效避免后期管線碰撞現(xiàn)象，降低返修時產生的費用，提高施工企業(yè)經濟效益[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，根據地下管線數據信息，根據模擬結果解決問題，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 地下管網線路

7 結語

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量。