塞爾維亞GCM軟件在道路工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

王宗鵬

中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088

隨著中塞兩國(guó)在交通基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域合作的不斷加強(qiáng)，中國(guó)企業(yè)逐漸參與塞爾維亞工程設(shè)計(jì)中，熟悉及掌握當(dāng)?shù)爻Ｓ迷O(shè)計(jì)軟件，能夠更好地適應(yīng)當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)習(xí)慣及出圖標(biāo)準(zhǔn)，從而為融入當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)市場(chǎng)創(chuàng)造有利條件。GCM（Gavran Civil Modeller）是一款塞爾維亞本地的基于Autodesk CAD平臺(tái)的道路設(shè)計(jì)軟件，經(jīng)過多次升級(jí)優(yōu)化，當(dāng)前在巴爾干地區(qū)的應(yīng)用已十分廣泛。該軟件依托數(shù)字地面模型、平面設(shè)計(jì)、縱斷面設(shè)計(jì)、橫斷面、放坡等功能模塊，對(duì)三維點(diǎn)、線、面進(jìn)行創(chuàng)建與編輯，構(gòu)建由多個(gè)三維面組合形成的三維道路模型，并實(shí)現(xiàn)出圖及工程量計(jì)算。GCM相較于國(guó)內(nèi)主流道路設(shè)計(jì)軟件，組成道路模型的基本單元為三維面，可實(shí)現(xiàn)針對(duì)三維面的創(chuàng)建與編輯，特別是在復(fù)雜空間構(gòu)型建模上具有優(yōu)勢(shì)，在一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)精細(xì)化建模。同時(shí)，該軟件能夠滿足當(dāng)?shù)氐缆烦鰣D要求，例如GCM橫斷面出圖采用了“刀”的概念，能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)模型在同一斷面的聯(lián)合顯示。文章將結(jié)合GCM的主要功能模塊，介紹GCM軟件的主要功能特點(diǎn)及使用方法，突出其在道路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

1 數(shù)字地面模型

GCM通過三維點(diǎn)構(gòu)建三維面，由多個(gè)三維面組合形成地面模型。三維點(diǎn)作為最基本要素，可由三維多段線或點(diǎn)文件導(dǎo)入。地面模型通過（.srf）文件進(jìn)行存儲(chǔ)、編輯及調(diào)用。地面模型中，需對(duì)不同的地物三維面采用不同的圖層進(jìn)行區(qū)分，以便于在后期的設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)分圖層編輯。地面模型構(gòu)建完成后，可對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析與處理，比如生成等高線、分析水文特性等。GCM中的數(shù)字地面模型如圖1所示。

圖1 GCM中的數(shù)字地面模型

2 平縱面設(shè)計(jì)

平面設(shè)計(jì)模塊集合了平面布線、路線存儲(chǔ)、標(biāo)注、查詢功能，路線平面通過（.hcl）文件進(jìn)行存儲(chǔ)、調(diào)用?？v斷面設(shè)計(jì)模塊集合了切割地面線、豎曲線設(shè)計(jì)、縱斷面圖生成、標(biāo)注、查詢等功能。GCM軟件平、縱面設(shè)計(jì)模塊與一般道路設(shè)計(jì)軟件類似，使用方法較為簡(jiǎn)單。

3 橫斷面設(shè)計(jì)

橫斷面設(shè)計(jì)是GCM區(qū)別于其他軟件的重要功能模塊，能夠充分體現(xiàn)GCM軟件使用特點(diǎn)。首先設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)路基斷面及完成超高設(shè)計(jì)，生成路面模型，然后在路面模型基礎(chǔ)上添加邊坡或者支擋結(jié)構(gòu)，道路模型完成后即可橫斷面出圖。

3.1 設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)路基

軟件含標(biāo)準(zhǔn)路基斷面及超高設(shè)置模塊，可在指定樁號(hào)處設(shè)置路寬及路面橫坡。在歐洲地區(qū)高等級(jí)道路中，對(duì)于路面水多采用封閉式管道排水系統(tǒng)，需收集、處理路表水。GCM據(jù)此開發(fā)了CSC設(shè)計(jì)模塊，通過編寫和應(yīng)用CSC文件，使得軟件能夠根據(jù)硬路肩邊緣不同的工況如填挖和高低位置關(guān)系，分別添加不同的土路肩形式，例如當(dāng)橫坡朝向外側(cè)時(shí)，其土路肩需設(shè)置排水緣石收集路面水；而橫坡朝向內(nèi)側(cè)時(shí)，外側(cè)土路肩則采用正常形式。CSC設(shè)計(jì)模塊是GCM軟件區(qū)別國(guó)內(nèi)軟件的重要內(nèi)容之一，此處對(duì)CSC文件的應(yīng)用限于道路模型“表皮”的構(gòu)建，在后續(xù)逐樁橫斷面圖繪制過程中會(huì)詳細(xì)介紹該功能的重要作用。

3.2 路面建模

在平、縱及標(biāo)準(zhǔn)路基設(shè)計(jì)完成后，即可利用3D model模塊生成含有路面及路肩的三維路面模型。該路面模型由獨(dú)立的三維面構(gòu)成，與上文所述的由三維面組合而成的地面模型本質(zhì)上是一致的。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外主流道路設(shè)計(jì)軟件已經(jīng)將道路模型進(jìn)行了整合，對(duì)組成道路模型的三維實(shí)體進(jìn)行了集成，道路模型本身關(guān)聯(lián)平、縱、路基模板、超高等設(shè)計(jì)信息，更新較為便捷。由于GCM中的道路模型呈現(xiàn)“散裝”的狀態(tài)，組成道路模型的三維面與平、縱、橫的設(shè)計(jì)信息沒有關(guān)聯(lián)，其優(yōu)勢(shì)在于增加了設(shè)計(jì)的靈活度，設(shè)計(jì)者得以在最基本的三維面層次上實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的編輯，缺點(diǎn)在于無法在設(shè)計(jì)調(diào)整后快速更新模型。GCM中的路面模型如圖2所示。

圖2 GCM中的路面模型

3.3 放坡設(shè)計(jì)

GCM軟件含有豐富的三維點(diǎn)空間位置關(guān)系編輯命令，比如兩個(gè)三維點(diǎn)之間線性內(nèi)插、三維點(diǎn)移動(dòng)至指定三維面上等。多個(gè)三維點(diǎn)之間串接即形成了三維點(diǎn)串，三維點(diǎn)串可進(jìn)行合并、拆分、生成3D線等操作。軟件放坡設(shè)計(jì)的核心是以三維點(diǎn)串為放坡線，通過制定放坡規(guī)則及目標(biāo)地面模型，進(jìn)行放坡設(shè)計(jì)。對(duì)于常規(guī)的道路邊坡設(shè)計(jì)，可以生成沿路肩邊緣的三維點(diǎn)串。針對(duì)復(fù)雜空間構(gòu)型段落，例如隧道洞口段，則可以通過生成輔助三維點(diǎn)生成放坡邊線，構(gòu)建邊坡模型。靈活使用GCM軟件放坡功能，可以實(shí)現(xiàn)諸多軟件難以構(gòu)建的三維模型，在具有良好展示效果的同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)精細(xì)化設(shè)計(jì)。GCM創(chuàng)建的隧道洞口模型如圖3所示。

圖3 GCM創(chuàng)建的隧道洞口模型

3.4 擋墻建模

擋墻建模是通過編制相應(yīng)模板實(shí)現(xiàn)的，該模板由多條直線組合而成，其編制自由度較高。編制模板首先需要定義基點(diǎn)即導(dǎo)入點(diǎn)的位置，然后對(duì)組成模板的每條直線進(jìn)行編號(hào)，為了實(shí)現(xiàn)高程控制，需對(duì)每條直線的端點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)。模板編制完成后，即可沿指定路線的指定位置進(jìn)行模板定義，軟件可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)放樣融合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)變截面設(shè)計(jì)。例如塞爾維亞地區(qū)常用的樁板墻，則可通過對(duì)直線節(jié)點(diǎn)進(jìn)行高程定義，即將指定的節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)特定豎曲線，從而實(shí)現(xiàn)變墻高。

3.5 橫斷面出圖

GCM橫斷面出圖采用了“刀”的概念，類似于Civil 3D中的采樣線，即在路線切線的垂直方向假設(shè)存在一條“刀”，去切割CAD模型空間的三維實(shí)體，切割完成后保存數(shù)據(jù)并據(jù)此繪制橫斷面。通過該功能，能夠?qū)崿F(xiàn)不同道路模型、不同三維實(shí)體之間的聯(lián)合顯示，比如分離式路基的橫斷面顯示就變得十分簡(jiǎn)單。

切割完成后即得到了道路“表皮”的橫斷面圖，按照當(dāng)?shù)亓?xí)慣，逐樁橫斷面圖還需逐層顯示道路結(jié)構(gòu)層，且墊層需體現(xiàn)最小橫坡限值。目前，國(guó)內(nèi)主流設(shè)計(jì)軟件均難以實(shí)現(xiàn)上述橫斷面出圖標(biāo)準(zhǔn)，Civil 3D利用部件編輯器可以編制具備一定判斷功能的路基裝配模板，并可定制本地化出圖樣式。

CSC設(shè)計(jì)模塊的開發(fā)是為了實(shí)現(xiàn)橫斷面圖中復(fù)雜路面結(jié)構(gòu)層的自動(dòng)化繪制。CSC文件根據(jù)有無中分帶分為兩種形式，分別為T型無中分帶、M型有中分帶。T型CSC含有四種工況，分別為填方高側(cè)、填方低側(cè)、挖方高側(cè)、挖方低側(cè)，M型CSC有六種工況，較T型增加中分帶低側(cè)、中分帶高側(cè)。每種工況的基本繪圖單元都是點(diǎn)與線，通過命令代碼的形式定義點(diǎn)、線的位置參數(shù)、圖層參數(shù)及相互之間的位置關(guān)系，涉及路面橫坡和寬度的信息可以進(jìn)行參數(shù)化定義，對(duì)于固定的參數(shù)可以直接定義為常數(shù)。例如在定義路面結(jié)構(gòu)各層橫向分界線時(shí)，分界線的橫坡和寬度需要調(diào)取路面橫坡和寬度，從而決定結(jié)構(gòu)層厚度的豎向參數(shù)可以采用常數(shù)的形式直接定義。最終，表示各種工況斷面的代碼共同拼裝，同時(shí)定義地面線所在的圖層名稱，即可完成整個(gè)CSC文件的編制。

應(yīng)用CSC時(shí)，只需要在軟件中定義橫斷面圖中表示路面的圖元，而后調(diào)用CSC文件并指定應(yīng)用橫斷面圖的范圍即可，其應(yīng)用效果如圖4所示。

圖4 應(yīng)用CSC繪制路面結(jié)構(gòu)層

4 工程量計(jì)算

GCM軟件中，工程量計(jì)算是基于逐樁橫斷面圖中的圖元得到的，也正因如此，逐樁橫斷面圖中的圖元需按照其所屬類型規(guī)劃圖層。道路工程量計(jì)算類型可分為兩類，一類為長(zhǎng)度數(shù)值，例如指定清表線所在的圖層，利用工程量計(jì)算中的Surface模塊得出逐樁橫斷面圖中清表的寬度；另一類為面積數(shù)值，例如指定基層上表面所在的圖層以及下表面所在的圖層，利用工程量計(jì)算中的Volume模塊得出橫斷面圖中基層的面積。相鄰斷面的長(zhǎng)度數(shù)值均值乘以斷面間距可得到面積數(shù)值，相鄰斷面的面積數(shù)值均值乘以斷面間距可得到體積數(shù)值。

5 輔助功能

GCM同時(shí)含有多個(gè)輔助功能，如運(yùn)行速度模塊，主要功能是讀取平、縱設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)模擬出運(yùn)行速度曲線，可用于超高設(shè)計(jì)及視距檢驗(yàn)，需要注意的是該運(yùn)行速度模擬結(jié)果與國(guó)內(nèi)軟件模擬結(jié)果存在一定差異；再比如模擬駕駛模塊，可選擇多種類型車輛，模擬出車輛行駛過程中的包絡(luò)線，以檢驗(yàn)轉(zhuǎn)彎半徑是否滿足要求。

6 結(jié)束語

總之，采用GCM軟件不僅能夠?qū)崿F(xiàn)精細(xì)化的建模，還能夠貼合當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)習(xí)慣，在塞爾維亞道路設(shè)計(jì)領(lǐng)域具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。與此同時(shí)，相較于國(guó)內(nèi)主流道路設(shè)計(jì)軟件，該軟件存在操作繁雜，道路模型過于碎片化，模型調(diào)整、更新效率較低的缺點(diǎn)。中國(guó)企業(yè)為拓展塞爾維亞乃至巴爾干地區(qū)道路設(shè)計(jì)市場(chǎng)，需要掌握并使用該軟件。為了進(jìn)一步提高軟件的使用效率，有必要針對(duì)該軟件進(jìn)行優(yōu)化，在宏觀層面，應(yīng)著重提高各個(gè)功能模塊整合程度，在一定程度上簡(jiǎn)化操作步驟；整合道路模型，增強(qiáng)其于平縱橫信息的關(guān)聯(lián)性，從而使得模型更新更為便捷；對(duì)于最為靈活的放坡設(shè)計(jì)，應(yīng)將放坡后的模型關(guān)聯(lián)放坡參數(shù)，以便于后期更改。相較于目前國(guó)內(nèi)外主流的道路設(shè)計(jì)軟件，經(jīng)過適當(dāng)優(yōu)化整合后的GCM仍然具備一定競(jìng)爭(zhēng)力。