孔 哲， 程耀東， 楊 軍， 焉瑞鑫

(1.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070； 2. 蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070)

0 引言

隨著我國(guó)交通建設(shè)的迅速發(fā)展，對(duì)工程數(shù)字化、信息化的探索和需求更加迫切。BIM作為一種以信息流為核心的三維數(shù)字化技術(shù)，最先應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，并在此領(lǐng)域逐漸發(fā)展成熟；而公路工程因?yàn)榫哂袔睢I(yè)多、線路長(zhǎng)、范圍廣、涉及地形復(fù)雜、工程量大等特點(diǎn)，所以BIM技術(shù)在此領(lǐng)域應(yīng)用還處于起步階段。

近年來(lái)，許多專家及工程技術(shù)人員對(duì)BIM技術(shù)在公路路線設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的應(yīng)用和開發(fā)進(jìn)行了探索。李冰等[1]基于Civil 3D構(gòu)建數(shù)字高程模型，驗(yàn)證了BIM技術(shù)在道路勘察設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)；劉向陽(yáng)等[2]借鑒國(guó)內(nèi)外既有BIM理念，研究開發(fā)BIM多元信息數(shù)據(jù)庫(kù)和三維數(shù)字建模技術(shù)，實(shí)現(xiàn)公路BIM平臺(tái)的構(gòu)建和應(yīng)用；宋愛(ài)蘋等[3]利用BIM構(gòu)建道路線形優(yōu)化相關(guān)參數(shù)并利用Civil 3D進(jìn)行模擬，驗(yàn)證了道路信息模型在線形評(píng)價(jià)方面的實(shí)用性；彭欣等[4]選擇Bentley軟件對(duì)公路工程BIM正向設(shè)計(jì)流程進(jìn)行探索，梳理了一套適用于公路工程三維數(shù)字化的BIM正向設(shè)計(jì)流程方法。孫澤昌[5]以滬通鐵路項(xiàng)目為依托，闡述了PowerCivil在線路專業(yè)的應(yīng)用。沈照慶等[6]將BIM技術(shù)應(yīng)用于道路改擴(kuò)建工程中，總結(jié)出PowerCivil在道路改擴(kuò)建過(guò)程中的4大優(yōu)勢(shì)。王麗園等[7]對(duì)于公路勘察設(shè)計(jì)階段三維模型的建模要求和BIM協(xié)同設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。

本文以O(shè)penRoads Designer為平臺(tái)，運(yùn)用圖形學(xué)技術(shù)、選線設(shè)計(jì)理論及標(biāo)準(zhǔn)，探討數(shù)字地模數(shù)據(jù)獲取方法，形成三維地面模型；以地面模型為基礎(chǔ)研究路線平面設(shè)計(jì)、縱斷面設(shè)計(jì)、三維廊道建模等，形成道路總體模型，并對(duì)路基填挖方量等工程量進(jìn)行計(jì)算及分析，探索基于BIM的公路三維設(shè)計(jì)建模技術(shù)和方法。

1 基于Bentley的路線三維設(shè)計(jì)流程

1.1 Bentley設(shè)計(jì)平臺(tái)優(yōu)勢(shì)

相比于其他建模軟件，Bentley公司建模軟件的優(yōu)勢(shì)主要在于其軟件均基于MicroStation平臺(tái)開發(fā)，軟件間的信息互通能力非常強(qiáng)[8]，對(duì)大體量的模型承載力好，其軟件可以為項(xiàng)目整個(gè)生命周期提供支持?？紤]道路模型體量大、距離長(zhǎng)，因此，選擇Bentley公司的OpenRoads Designer作為主要建模軟件，對(duì)公路路線設(shè)計(jì)與建模進(jìn)行研究。

1.2 工程概況

某道路工程全線采用高速公路標(biāo)準(zhǔn)，全長(zhǎng)約10.8 km，沿線多為農(nóng)田，地形較平坦，地勢(shì)相對(duì)較低，地形起伏小，地質(zhì)條件較差，路線走向受限條件較多，路線全長(zhǎng)設(shè)置有5條匝道，1處跨線橋，平面設(shè)計(jì)共設(shè)有平曲線4個(gè)，縱斷面設(shè)計(jì)共設(shè)20個(gè)變坡點(diǎn)，項(xiàng)目建設(shè)主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 項(xiàng)目建設(shè)主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)序號(hào)項(xiàng)目技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)1公路等級(jí)高速公路(雙向四車道)2設(shè)計(jì)速度100 km/h3路基寬度26.0 m4設(shè)計(jì)洪水頻率1/100、1/3005汽車荷載等級(jí)公路-Ⅰ級(jí)6地震動(dòng)峰值加速度0.15 g

1.3 設(shè)計(jì)流程

目前，BIM在國(guó)內(nèi)的公路路線設(shè)計(jì)主要還處于“翻?！彪A段，大大降低了BIM的應(yīng)用價(jià)值。因此，本文將在前期資料的基礎(chǔ)上，借鑒二維設(shè)計(jì)的流程進(jìn)行BIM設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮BIM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。公路路線BIM設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 公路路線BIM設(shè)計(jì)流程

2 數(shù)字地形建模

DTM是一個(gè)表示地面特征空間分布的數(shù)據(jù)庫(kù)。OpenRoads Designer主要采用狄洛尼(Delaunay)三角網(wǎng)構(gòu)建原理，通過(guò)不規(guī)則分布的數(shù)據(jù)點(diǎn)生成連續(xù)的三角網(wǎng)逼近地形[9]。以dwg文件作為地形數(shù)據(jù)來(lái)源，DTM的創(chuàng)建方法如下。

1) 在dwg格式地形圖中，不同的圖層包含著不同的信息。而在OpenRoads Designer中進(jìn)行地形建模時(shí)，只需要等高線和高程點(diǎn)帶有z值的三維數(shù)據(jù)即可。為提高建模效率，只保留等高線和高程點(diǎn)圖層，將其另存為dwg文件，作為地形建模時(shí)的原始地形圖。將修改后的dwg文件“參考”進(jìn)入軟件，創(chuàng)建圖形過(guò)濾器與過(guò)濾器組。通過(guò)OpenRoads Designer軟件，對(duì)等高線、高程點(diǎn)進(jìn)行圖層過(guò)濾，提高數(shù)據(jù)處理能力和建模效率。

2) 創(chuàng)建三維地形模型。通過(guò)過(guò)濾器組，將dwg文件中的高程信息過(guò)濾成為可以編輯的dgn文件。優(yōu)點(diǎn)是地形文件較小且方便快捷，缺點(diǎn)是效果并不能完全展示真實(shí)環(huán)境，僅僅只有基本的地形走勢(shì)、識(shí)別到的高程點(diǎn)和等高線的信息[10]。在構(gòu)建完三角網(wǎng)之后，運(yùn)用地形編輯與剪切工具，將一些誤差較大的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，使其更加逼近真實(shí)地形。

3 路線設(shè)計(jì)及建模

3.1 道路平面設(shè)計(jì)

道路平面設(shè)計(jì)即道路中心線的水平投影線形設(shè)計(jì)。OpenRoads Designer提供了2種平面線形設(shè)計(jì)方法：交點(diǎn)法和積木法。交點(diǎn)法是通過(guò)連接連續(xù)元素的交點(diǎn)來(lái)繪制路線，平面圖中的路線為一條完整路線；積木法是先繪制基本線形，再將各個(gè)元素連接成為一整條路線。用交點(diǎn)法設(shè)計(jì)路線平面的方法和步驟如下：

1) 選線及方案比選?？紤]地質(zhì)條件、自然環(huán)境、安全通暢等因素，制定出多個(gè)路線方案。通過(guò)對(duì)路線方案造價(jià)、沿線經(jīng)濟(jì)發(fā)展等因素進(jìn)行分析，選擇合適的方案，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)方案。OpenRoads Designer提供了8個(gè)設(shè)計(jì)窗口，可以同時(shí)對(duì)多個(gè)方案進(jìn)行比選，方便快捷。

2) 對(duì)最優(yōu)方案進(jìn)行指標(biāo)設(shè)計(jì)。根據(jù)該項(xiàng)目建設(shè)主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》等)的規(guī)定，進(jìn)行路線設(shè)計(jì)。包括確定路線起終點(diǎn)、各轉(zhuǎn)點(diǎn)坐標(biāo)，結(jié)合交點(diǎn)處地形情況，確定合適的曲線半徑及長(zhǎng)度。平面設(shè)計(jì)共設(shè)有平曲線4個(gè)，在平曲線半徑小于不設(shè)超高的最小半徑處，均設(shè)了緩和曲線和超高。

3) 軟件提供了土木精確繪圖選項(xiàng)，既可以精確定位路線的起點(diǎn)坐標(biāo)、轉(zhuǎn)點(diǎn)坐標(biāo)和終點(diǎn)坐標(biāo)，又可以準(zhǔn)確定義曲線長(zhǎng)度與半徑。坐標(biāo)間會(huì)自動(dòng)生成平滑的道路中線，直觀快捷。

4) 給路線設(shè)置樁號(hào)。沿已經(jīng)布好的道路中線，從路線起點(diǎn)開始，將樁號(hào)標(biāo)在道路中線上，完成路線平面設(shè)計(jì)。部分路線設(shè)計(jì)成果如圖2所示。

圖2 部分路線設(shè)計(jì)成果

與二維設(shè)計(jì)不同的是，當(dāng)平面線中某些參數(shù)改變時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)更新路線平面，保證路線的平順銜接，直觀地反饋設(shè)計(jì)結(jié)果，提高設(shè)計(jì)效率，避免重復(fù)返工。

3.2 縱斷面設(shè)計(jì)

依據(jù)高速公路的縱斷面設(shè)計(jì)指標(biāo)，進(jìn)行路線縱斷面設(shè)計(jì)。主要方法和步驟如下：

1) 激活地形模型，打開縱斷面模型。任意選擇一個(gè)窗口，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提取到地面線，并根據(jù)窗口中背景顏色的不同，清楚地劃分平面設(shè)計(jì)中圓曲線和緩和曲線的位置分布。

2) 進(jìn)行縱斷面方案比選。在生成地面線以后，結(jié)合地形地質(zhì)條件等，考慮最大及最小縱坡、填挖均衡等因素，在多個(gè)窗口中同時(shí)設(shè)計(jì)多個(gè)縱斷面進(jìn)行快速比選，確定最優(yōu)方案。

3) 在最優(yōu)方案中，結(jié)合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)縱坡的長(zhǎng)度、大小、豎曲線半徑等進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。在10.8 km設(shè)計(jì)路線中，縱斷面共設(shè)變坡點(diǎn)20個(gè)，縱斷面各部分設(shè)計(jì)參數(shù)均須滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

4) 在確定設(shè)計(jì)指標(biāo)之后，利用土木精確繪圖選項(xiàng)，通過(guò)樁號(hào)、起點(diǎn)設(shè)計(jì)高程精確定位縱斷面起點(diǎn)，通過(guò)拐點(diǎn)樁號(hào)和高程、豎曲線半徑確定豎曲線線形。按照此方法，設(shè)計(jì)至縱斷面終點(diǎn)，完成縱斷面設(shè)計(jì)。部分路段縱斷面設(shè)計(jì)線如圖3所示。圖中顯示凸型豎曲線和凹型豎曲線兩種線形，虛線代表地面線，實(shí)線代表設(shè)計(jì)線，各段直線長(zhǎng)度、坡度、

圖3 部分路段縱斷面設(shè)計(jì)線

豎曲線長(zhǎng)度和半徑在圖中均有顯示。

5) 在完成縱斷面設(shè)計(jì)后，要檢查平縱線形組合是否滿足線形的連續(xù)性和“平包豎”等原則[11]；力求縱坡均勻平順、起伏緩和、坡長(zhǎng)和豎曲線長(zhǎng)短適當(dāng)。系統(tǒng)提供了動(dòng)態(tài)編輯及更新的功能，當(dāng)縱斷面上的設(shè)計(jì)要素改變時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)更新線形。

3.3 廊道設(shè)計(jì)及工程數(shù)量統(tǒng)計(jì)

本項(xiàng)目為新建高速公路，主線路基寬26 m，各組成部分為：中間帶3.5 m(左右側(cè)路緣帶為2×0.75 m，中央分隔帶2.0 m)，行車道為2×2×3.75 m，硬路肩為2×3.0 m(含右側(cè)路緣帶0.5m)，土路肩為2×0.75 m。

廊道設(shè)計(jì)就是道路橫斷面設(shè)計(jì)。因軟件提供的橫斷面模板庫(kù)與實(shí)際工程需要的模板并不相符，因此，利用軟件自帶的構(gòu)件庫(kù)，按照路基標(biāo)準(zhǔn)橫斷面分別設(shè)計(jì)面層和基層及邊坡等組件，將各個(gè)組件拼接起來(lái)，創(chuàng)建符合工程需求的橫斷面模板。具體步驟如下：

1) 選擇簡(jiǎn)單組件。簡(jiǎn)單組件是特定形狀的面，可以作為路基和路面中的每一層，根據(jù)主線路基橫斷面圖設(shè)置每一層的橫坡、寬度、層厚、材質(zhì)。將每一個(gè)組件拼接起來(lái)，完成路基路面模板的設(shè)計(jì)，如圖4所示。

2) 設(shè)置末端條件。在OpenRoads Designer中，末端條件可用來(lái)設(shè)置邊坡和土路肩。以填方路基為例，在該項(xiàng)目中存在多種邊坡坡率，當(dāng)邊坡高度不同時(shí)，邊坡坡率也不同。因此，需創(chuàng)建多個(gè)邊坡模板并將其拼裝到組合邊坡文件下，如圖5所示。再將組合邊坡拖到路基路面模板文件夾下拼裝。由于每種坡率執(zhí)行的先后順序不同，因此要設(shè)置執(zhí)行情況的優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)越小，越先被執(zhí)行。系統(tǒng)提供了邊坡優(yōu)先級(jí)測(cè)試功能，模擬邊坡開挖，檢測(cè)邊坡設(shè)計(jì)是否正確。

3) 將末端條件和簡(jiǎn)單組件組合起來(lái)；在面層添加“空點(diǎn)”，對(duì)“空點(diǎn)”添加約束條件和特征定義完成道路標(biāo)線的設(shè)計(jì)；在路面邊緣處添加“護(hù)欄”的特征定義完成護(hù)欄的設(shè)計(jì)。形成道路橫斷面模板。橫斷面模板保存在itl文件中，將itl文件添加到模板庫(kù)管理器，可實(shí)現(xiàn)多人調(diào)用。

4) 在一條路線中有多種橫斷面形式時(shí)，用同樣的步驟建立多種橫斷面模板，通過(guò)起終點(diǎn)樁號(hào)來(lái)設(shè)置不同路段上的橫斷面模板。為了使道路平滑連接，在不同橫斷面模板交界處為道路設(shè)計(jì)漸變加寬。選擇局部路段漸變偏移命令，將道路中線分別在道路兩側(cè)進(jìn)行起終點(diǎn)偏移，作為偏移定位線；通過(guò)創(chuàng)建點(diǎn)控制命令，將需要漸變加寬的廊道按照定位線進(jìn)行漸變加寬。

5) 通過(guò)項(xiàng)目路線、起終點(diǎn)里程將橫斷面模板應(yīng)用到路線之后，根據(jù)項(xiàng)目要求在曲線處設(shè)置加寬和超高，并且可以通過(guò)動(dòng)態(tài)截面功能查看任意處的超高情況以及填挖方量等。

6) 在上述所有工作完成之后，打開三維視圖，檢查廊道設(shè)計(jì)情況，若有地形覆蓋在廊道之上，說(shuō)明此路段屬于挖方路段，通過(guò)創(chuàng)建剪切地形模型的方法，修改該路段地形模型，使廊道清晰地顯示在地形之上，如圖6所示。

7) 將橫斷面模板應(yīng)用到路線上并修改完成后，對(duì)路基、路面、填挖方量等工程量以及總價(jià)進(jìn)行估算。在OpenRoads Designer中定制橫斷面模板時(shí)，已經(jīng)對(duì)表示路面、路基、邊坡的各個(gè)組件進(jìn)行了材質(zhì)和尺寸的定義，如：瀝青面層，水穩(wěn)基層等[12]，通過(guò)修改單位成本，自動(dòng)計(jì)算各部分造價(jià)以及總造價(jià)。

圖4 主線路基路面模板

圖5 組合邊坡模板

圖6 三維橫斷面

4 道路總體模型拼裝

隧道和橋梁設(shè)計(jì)也是道路工程設(shè)計(jì)中的重要組成部分。OpenRoads Designer中不僅提供了隧道橫斷面模板，也可以根據(jù)需求自主創(chuàng)建橫斷面[13]。橋梁設(shè)計(jì)需要用到OpenBridge Modeler軟件，Bentley公司還開發(fā)了ProStructures軟件進(jìn)行配筋的設(shè)計(jì)[14]。在平、縱、橫設(shè)計(jì)完成之后，將隧道按照樁號(hào)布設(shè)到路線上，并將提前設(shè)計(jì)好的橋梁模型通過(guò)參考的方式拼裝到路線上進(jìn)行匯總，檢查路、橋、隧等各專業(yè)間的銜接，再次對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行復(fù)核，見圖7。

圖7 總裝模型

5 結(jié)語(yǔ)

本文運(yùn)用OpenRoads Designer軟件，結(jié)合實(shí)際工程探索了路線設(shè)計(jì)三維建模技術(shù)與方法。從數(shù)字地形模型的創(chuàng)建、修改與編輯、道路平縱線形設(shè)計(jì)與建模、廊道模板的設(shè)計(jì)與建模、標(biāo)線和護(hù)欄的設(shè)計(jì)、工程量及造價(jià)的估算及模型總裝出發(fā)，展示了道路三維設(shè)計(jì)建模的成果，總結(jié)了設(shè)計(jì)過(guò)程的方法、步驟和關(guān)鍵技術(shù)。針對(duì)道路選線設(shè)計(jì)，運(yùn)用Bentley系列軟件進(jìn)行三維設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于：①可直觀地對(duì)路線進(jìn)行線形設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)平縱橫聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)，快速完成方案比選以及工程量的統(tǒng)計(jì)；②數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一，兼容性強(qiáng)，確保了各專業(yè)間數(shù)據(jù)互通；③充分發(fā)揮了BIM的可視化、二維和三維設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)修改的優(yōu)勢(shì)，減少了錯(cuò)誤和疏漏，提升了工作效率和智能化程度。該設(shè)計(jì)方法為三維數(shù)字化路線設(shè)計(jì)建模積累了經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)可為三維路線建模方法提供參考。