基于信息技術(shù)的道路三維設(shè)計(jì)

文｜蔣藝

近幾十年來，我國(guó)交通業(yè)實(shí)現(xiàn)了跨越式的發(fā)展，給社會(huì)帶來巨大效益的同時(shí)也對(duì)道路設(shè)計(jì)、施工、管理和養(yǎng)護(hù)技術(shù)等提出了更高的要求。

本文基于OpenRoads技術(shù)，以蟠龍抽水蓄能電站1號(hào)路為例，介紹該技術(shù)道路三維設(shè)計(jì)方法的流程及建模過程中橫斷面定制過程和技巧。以期給設(shè)計(jì)、決策者直觀的三維立體展示，為道路選線、空間幾何線性評(píng)價(jià)、行車安全評(píng)估和橋、隧、站位選擇等提供決策依據(jù)。

蟠龍1號(hào)路工程區(qū)總體地貌為低中山地貌，沿線經(jīng)過地段地形陡峻，山峰聳立，山梁與沖溝相間分布，溝谷發(fā)育且狹窄深邃，局部地段高差相差很大。受順坡向結(jié)構(gòu)面控制形成的數(shù)米至數(shù)十米的懸崖絕壁遍布其間。路線全長(zhǎng)約2.801km，公路等級(jí)為Ⅲ級(jí)專用公路，設(shè)計(jì)速度為30km/h，全線共設(shè)橋梁1座，隧道1座，具體見圖1、圖2。

圖1 k0+160段地形線路明線段地形

圖2 下庫左壩頭至1號(hào)隧洞進(jìn)口地形

OpenRoads技術(shù)道路三維設(shè)計(jì)

數(shù)字地面模型構(gòu)建。數(shù)據(jù)端復(fù)雜和數(shù)據(jù)量龐大的數(shù)字地面模型（Digital Terrain Models，DTM）是道路三維設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。數(shù)字地面模型構(gòu)建主要有兩個(gè)途徑：規(guī)則格網(wǎng)和不規(guī)則三角網(wǎng)。規(guī)則格網(wǎng)是用規(guī)則排列的正方形、矩形網(wǎng)格來表示地形表面。不規(guī)則三角網(wǎng)是通過從不規(guī)則分布的數(shù)據(jù)點(diǎn)生成的連續(xù)三角網(wǎng)來逼近地形。在數(shù)字地面模型構(gòu)建的研究方向，國(guó)內(nèi)一些專家學(xué)者開展了涉及地形數(shù)據(jù)處理，構(gòu)網(wǎng)邊界處理、構(gòu)網(wǎng)方法優(yōu)化，地面與模型融合構(gòu)建等一系列卓有成效的研究。

OpenRoads技術(shù)主要采用在地形擬合方面表現(xiàn)最出色的狄洛尼三角網(wǎng)構(gòu)建原理，能讀取機(jī)載激光雷達(dá)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和多種存儲(chǔ)地形數(shù)據(jù)的文件，如.dat、.tin、.xml文件，并易于對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查和修正處理，根據(jù)需要對(duì)地形進(jìn)行剪切和融合。通過圖形過濾器從測(cè)繪數(shù)據(jù)中提取等高線和高程點(diǎn)，導(dǎo)入軟件構(gòu)成三角網(wǎng)，對(duì)錯(cuò)誤地形點(diǎn)進(jìn)行修正，導(dǎo)出成.dat或.tin格式，供蟠龍項(xiàng)目各專業(yè)使用。交通專業(yè)從導(dǎo)入的樞紐地形中剪切出蟠龍1號(hào)路所需地形，可降低對(duì)硬件設(shè)備的要求，提高運(yùn)行速度。通過數(shù)字地面模型可快捷的讀取三維空間點(diǎn)（Y，Y，Z），剖切任意位置地形和直觀查看三維顯示地形，輔助路線進(jìn)行高效設(shè)計(jì)。圖3-1是通過線框模式顯示三角構(gòu)網(wǎng)，圖3-2是使用光滑模式顯示逼真的原始地形。

圖3-1 三角網(wǎng)顯示

圖3-2 擬地形顯示

道路三維設(shè)計(jì)流程。道路是一種在設(shè)計(jì)原則上要求平面、縱斷面及橫斷面綜合設(shè)計(jì)的空間帶狀構(gòu)造物。建模分為地形建模、路基路面建模（如平面選線，縱斷面拉坡，橫斷面定制等），構(gòu)造物建模（如橋梁涵洞、隧道等）和附屬設(shè)施建模（如標(biāo)志標(biāo)線、里程樁百米樁、照明設(shè)施）等。圖4是道路三維設(shè)計(jì)的流程，不同的設(shè)計(jì)部位使用不同的設(shè)計(jì)模塊，存放在不同的文件中。蟠龍1號(hào)路在進(jìn)行三維設(shè)計(jì)前，規(guī)劃 6個(gè)獨(dú)立的設(shè)計(jì)文件，如圖4中數(shù)字所示，其中，橫斷面模板定制保存在軟件Workspace的配置文件中。各設(shè)計(jì)成果通過“參考”建立關(guān)聯(lián)關(guān)系?！皡⒖肌笔且环N可讀被參考文件數(shù)據(jù)信息，而不對(duì)文件產(chǎn)生實(shí)質(zhì)影響的功能。

圖4 道路三維設(shè)計(jì)流程

結(jié)合流程圖可以看出，蟠龍1號(hào)路三維建模主要包括路基路面、隧道和涵洞建模，平面選線是道路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。道路中心線是先參考數(shù)字地面模型，激活后再根據(jù)地形給平面線形增加縱斷面設(shè)計(jì)高程信息。PowerCivilfor China具有強(qiáng)大的平面線性和縱斷面線性設(shè)計(jì)功能，在指定的設(shè)計(jì)規(guī)范內(nèi)，緩和曲線、直線和圓曲線間能以任意形式銜接，并智能的將設(shè)計(jì)時(shí)斷裂的線無縫連接成一條中心線，或者以工程文件形式導(dǎo)入RoadMaster、Weidi、EICAD和IDS的平、縱設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。該項(xiàng)目主要使用交點(diǎn)法進(jìn)行平、縱線性設(shè)計(jì)，參數(shù)化設(shè)置數(shù)據(jù)，二三維視圖聯(lián)動(dòng)修改，如圖5所示，藍(lán)色數(shù)字可直接修改聯(lián)動(dòng)。激活平面線，選擇一個(gè)視圖窗口，顯示激活的縱斷面，兩窗口交互更新，如圖6所示，其中，黑色的表示平面線中的直線，青色是圓曲線，紫色是緩和曲線。

圖5 平面線形設(shè)計(jì)界面

圖6 縱斷面線形設(shè)計(jì)界面

在流程圖4中，緊接著道路中心線設(shè)計(jì)的是橫斷面模板定制。橫斷面是由組件、末端條件組成的模板文件，采用“搭積木”方法，從構(gòu)件庫中選出合適的組件和末端條件，組成需要的橫斷面模板。其中，末端條件是能自動(dòng)與地形相交的線，一般設(shè)計(jì)邊坡使用此特性；組件是畫出來特定形狀的面，是不隨地形變化的常量。創(chuàng)建組件和末端條件時(shí)可選擇材質(zhì)屬性，如邊坡植草、填土填石的路基、混凝土路面、瀝青路面等。建立路廊模型是遵循一定規(guī)則的路基路面和隧道橫斷面，以設(shè)計(jì)樁號(hào)控制，沿設(shè)計(jì)中心線放樣，橫斷面各特征點(diǎn)相對(duì)于路面中心點(diǎn)的平距和高差與地形數(shù)據(jù)相交，形成道路斷面特征點(diǎn)數(shù)據(jù)。綜上所述，進(jìn)行高效率道路三維設(shè)計(jì)最理想的方法是定制一個(gè)包含各種設(shè)計(jì)情況的橫斷面，沿路中心線放樣與地形相交，挖、填方、擋土墻、電纜溝和邊坡等設(shè)計(jì)處處符合要求。但實(shí)際情況并不是這樣的，在現(xiàn)有顯示規(guī)則控制下，暫無法實(shí)現(xiàn)一個(gè)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)一個(gè)通用模板建立路廊模型，而不對(duì)其加以修改的高效建模方法。

根據(jù)蟠龍1號(hào)路地形地質(zhì)情況，沿線需要設(shè)置大量擋土墻保證邊坡安全?？可絺?cè)（左邊）是普通邊溝與路塹墻挖方兩種和普通填方，共三種模板；沿河側(cè)（右邊）是保證其襟邊距離及埋置深度符合規(guī)范要求的路肩墻（12種）與路堤墻（8種）填方兩種和普通填、挖方，共4種模板。設(shè)計(jì)的邊坡不是嚴(yán)格遵循某一從陡到緩的規(guī)律去地面相交，而是根據(jù)地質(zhì)條件好壞人為進(jìn)行調(diào)整，這就難以定制一個(gè)通用的橫斷面模板來解決問題。而橫斷面模板定制思路是先建立分部組件和末端條件，拼裝成符合設(shè)計(jì)的左、右兩邊模板，兩半邊模板自由組合成一個(gè)完整路基路面模板，其中不同尺寸的擋土墻在同一個(gè)模板中根據(jù)規(guī)則顯示是技術(shù)難點(diǎn)。如圖7所示，以路肩墻為例，不構(gòu)建一根坡比與填方設(shè)計(jì)坡比一樣的末端條件，以末端條件兩點(diǎn)間垂直距離范圍制定顯示規(guī)則，利用邏輯關(guān)系“是、與、非”控制構(gòu)件12種不同尺寸路肩墻的顯示。不構(gòu)建是指末端條件是做為輔助線，對(duì)地形為影響。

圖7 組件顯示規(guī)則界面

除此之外，還可根據(jù)水平距離、坡度和已顯示組件制定顯示規(guī)則，已顯示組件可制定左邊路塹墻/邊溝在地面相交出現(xiàn)填方邊坡時(shí)不出現(xiàn)，左邊挖方邊坡可與路塹墻/邊溝建立“父、子組件”關(guān)系，在父組件邊溝出現(xiàn)的情況下出現(xiàn)。與此同時(shí)，嘗試在設(shè)置邊坡時(shí)采用“標(biāo)簽”給邊坡間平臺(tái)兩點(diǎn)以距離（角度）控制出現(xiàn)挖方坡比，可基本滿足設(shè)計(jì)要求。如圖8所示，蟠龍1號(hào)路的路基路面組件和設(shè)計(jì)邊坡組成多種路面路基橫斷面模板。

圖8 橫斷面模板定制圖

模板定制好后，使用最普通的模板（無擋土墻）沿設(shè)計(jì)中心線放樣，在橫斷面管理器中根據(jù)樁號(hào)將擋土墻模板代替普通模板，實(shí)時(shí)更新模型顯示?！包c(diǎn)控制”可選取路面向外凸出的輔助線，做成臨時(shí)停車處或匝道。設(shè)定路基路面加寬和超高使設(shè)計(jì)更符合現(xiàn)實(shí)要求。圖9是橫斷面模板沿中心線放樣時(shí)，末端條件無法與數(shù)字地面模型相交形成邊坡的情形。左圖是路基路面模型，能清楚的看到構(gòu)件的材質(zhì)，右圖是道路與隧道相接段模型。

圖9 橫斷面模型（無地形情況）

繼路基路面、隧道模型建立后，是橋梁和附屬結(jié)構(gòu)建模。橋梁建模是調(diào)用自帶橋梁元件庫，選定橋梁結(jié)構(gòu)類型、橋梁屬性、設(shè)定橋梁跨徑等參數(shù)，沿設(shè)計(jì)中心線放樣，能順暢的與路面銜接，實(shí)現(xiàn)橋梁的參數(shù)化設(shè)計(jì)。附屬結(jié)構(gòu)在Microstation平臺(tái)中使用長(zhǎng)方體、球體、圓錐體等輸入?yún)?shù)化數(shù)據(jù)生成實(shí)體模型，或應(yīng)用線生成面，面拉伸成體、面沿路徑放樣成不規(guī)則實(shí)體的簡(jiǎn)單、快捷的建模方式。異形體能通過面對(duì)體的剪切，體之間的布爾加、減形成。在設(shè)計(jì)過程中，ACS坐標(biāo)設(shè)置成臨時(shí)相對(duì)坐標(biāo)系并鎖定，避免繪圖出現(xiàn)錯(cuò)誤，提高繪圖效率。

道路三維設(shè)計(jì)整體模型是通過參考將流程圖中的前5個(gè)文件組裝在第6個(gè)文件（新空白文件）中展示。如圖10-左是地形、橋梁和道路模型組裝顯示，圖10-右是模擬車輛行駛路面。設(shè)計(jì)時(shí)，創(chuàng)建的2D文件能自動(dòng)參考本文件3D Model顯示，并進(jìn)行聯(lián)動(dòng)修改。獨(dú)立文件通過參考互相使用，實(shí)時(shí)減少缺、漏、碰情況，優(yōu)化設(shè)計(jì)。模型成果可快速進(jìn)行工程量統(tǒng)計(jì)、二維出圖、模擬行駛、施工仿真，為工程全生命周期管理提供有效數(shù)據(jù)。

圖10 道路整體三維設(shè)計(jì)模型

OpenRoads技術(shù)地形融合?；贠penRoads技術(shù)研發(fā)了交通系統(tǒng)不同方向的專業(yè)軟件。筆者使用較多的是Geopak場(chǎng)平開挖軟件和Powercivil for China 道路設(shè)計(jì)軟件，蟠龍抽水蓄能電站整個(gè)樞紐區(qū)模型總裝是基于壩基開挖、水道進(jìn)水口開挖和道路開挖的總地形面完成的。不同專業(yè)的開挖成果需要進(jìn)行地形融合，壩工和水道專業(yè)使用Geopak，能完美融合；Geopak雖與道路開挖面的融合原理都是使用狄洛尼（Delaunay）三角網(wǎng)構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)的過程卻不易。Geopak的開挖屬性是存儲(chǔ)在單獨(dú)的.gsf文件中，單純的將其參考進(jìn)道路文件中，只顯示無開挖屬性的線，對(duì)開挖前地形沒有實(shí)質(zhì)性影響。多次嘗試后，得出能單向?qū)eopak中開挖好的Model導(dǎo)出為.dat文件，在PowerCivil中將地形融合（合并、附加），導(dǎo)出成開挖面，如圖11箭頭所示，A為引水壓力管虛擬開挖面，是大平臺(tái)的場(chǎng)地開挖，B是蟠龍1號(hào)路開挖面。

圖11 OpenRoads技術(shù)地形融合成果

本文依托蟠龍1號(hào)路工程，基于OpenRoads技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了該技術(shù)設(shè)計(jì)地形的融合。該方法可將道路設(shè)計(jì)理念和成果由二維圖紙轉(zhuǎn)換為三維立體空間，能直觀的對(duì)道路進(jìn)行線性設(shè)計(jì)，快速完成方案比選，出圖和工程量統(tǒng)計(jì)。該方法中，定制好的橫斷面模板能高效建立模型，參數(shù)化的聯(lián)動(dòng)修改，實(shí)時(shí)查看，減少了設(shè)計(jì)過程中的碰、漏、缺等問題。

道路三維設(shè)計(jì)不局限于使用虛擬仿真技術(shù)呈現(xiàn)整個(gè)設(shè)計(jì)成果，真正變更設(shè)計(jì)手段，使用三維設(shè)計(jì)方法，提取設(shè)計(jì)、施工過程數(shù)據(jù)與成果模型集成進(jìn)行項(xiàng)目“PEPCTO”模式的全生命周期管理是未來發(fā)展的趨勢(shì)。