三維繪圖在公路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

馬駿，柳凱

（宜春公路勘察設(shè)計(jì)院，江西 宜春 336000）

0 引言

一級(jí)公路屬于高等級(jí)公路，其路面結(jié)構(gòu)主要為瀝青混凝土，主要優(yōu)點(diǎn)為平整度高、使用壽命長、性能好等?，F(xiàn)階段一級(jí)公路設(shè)計(jì)中所用的二維圖紙往往精度不高，無法明確標(biāo)示出施工細(xì)節(jié)，增加了工作量，延長施工周期。為提高設(shè)計(jì)精度，實(shí)現(xiàn)公路的橫向勘察設(shè)計(jì)，采用計(jì)算機(jī)構(gòu)建三維模型完成繪圖，可將數(shù)據(jù)模擬機(jī)械化傳輸，提高設(shè)計(jì)效率。三維繪圖技術(shù)可快速繪制出設(shè)計(jì)圖紙，起到互相聯(lián)動(dòng)作用，修改模型時(shí)施工圖紙即可更新出二維圖紙。

1 公路中繪圖原理及要點(diǎn)

對(duì)公路進(jìn)行勘察設(shè)計(jì)時(shí)，其中的測繪內(nèi)容主要根據(jù)實(shí)際工程的施工狀況來展開，公路的繪圖為一項(xiàng)基本環(huán)節(jié)，繪制的內(nèi)容是施工范圍內(nèi)的地質(zhì)情況，以提高公路的施工安全和設(shè)計(jì)合理。在公路的繪制設(shè)計(jì)過程中，遵循的主要原則有公路初步測量和施工圖測量兩個(gè)環(huán)節(jié)。其中初步測量主要是對(duì)未開啟施工區(qū)域進(jìn)行測量設(shè)計(jì)，通過初步測量結(jié)果得到并優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，根據(jù)測量實(shí)際數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)有的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合考核，考核不滿足要求的部分應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化處理。初步測量主要分為三個(gè)測量方面，即為地形圖測量、平面高程控制以及縱橫面測量；施工圖繪制的重要依據(jù)是初步測量，結(jié)合初步測量數(shù)據(jù)進(jìn)行二次測量，再進(jìn)行縱橫斷面測量。施工圖測量和初步測量相呼應(yīng)，得到最佳的繪圖信息，做好合理規(guī)劃進(jìn)行繪制工作。

目前公路設(shè)計(jì)中繪圖技術(shù)主要為三維繪圖，其中主要涉及到的應(yīng)用有數(shù)字化繪圖和3s繪圖兩種。數(shù)字化繪圖技術(shù)單一，而3s繪圖以數(shù)字化繪圖結(jié)果為基礎(chǔ)，結(jié)合工程實(shí)際完成最終繪圖。而單獨(dú)一項(xiàng)繪圖技術(shù)由于其自身優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，無法滿足一切施工項(xiàng)目，所以對(duì)多項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行集成應(yīng)用可較為有效地滿足公路繪圖設(shè)計(jì)要求，為公路設(shè)計(jì)提供便利條件。

2 三維繪圖技術(shù)概述

公路的勘察設(shè)計(jì)主要采用的是“軸線+橫斷面”的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。針對(duì)一般路段，通常會(huì)選擇不同橫斷面點(diǎn)位采用軸線平行的方式進(jìn)行連接，以構(gòu)成的幾何體來計(jì)算工程量。針對(duì)復(fù)雜路段，如隧道、擋土墻、橋梁等，往往需要增加平行線來實(shí)現(xiàn)公路設(shè)計(jì)?，F(xiàn)階段所用的二維圖紙精度不高，無法明確標(biāo)示出施工細(xì)節(jié)，復(fù)雜工程中需要的二維圖紙更多，會(huì)增大工作量，延長施工周期。為提高設(shè)計(jì)精度，實(shí)現(xiàn)公路的橫向勘察設(shè)計(jì)，采用計(jì)算機(jī)構(gòu)建三維模型完成繪圖，可將數(shù)據(jù)模擬機(jī)械化傳輸，提高設(shè)計(jì)效率。

三維繪圖不需復(fù)雜的設(shè)計(jì)軟件，普通AutoCAD軟件即可實(shí)現(xiàn)三維繪圖功能，滿足設(shè)計(jì)要求。三維繪圖操作和二維繪圖無較大差別，而具體一些命令則有相關(guān)規(guī)定，操作步驟簡單設(shè)定為：（1）三維旋轉(zhuǎn)命令。通過旋轉(zhuǎn)軸指定旋轉(zhuǎn)圖元，以確定輔助線；（2）圖元三維拉伸命令。確定拉伸圖元，完成基本拉伸操作；（3）切割實(shí)體。選定需處理的實(shí)體，確定切割起止位置；（4）繪制三維面。生成出邊界曲面；（5）查詢工具。確定屬性，如距離、面積、角度、體積等，完成對(duì)象查看。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況

G220東深線天井至下浦（宜春市城區(qū)繞城）段公路改建工程為宜春市南北走向公路，路線全長19.452km。K388+400～K394+650段采用設(shè)計(jì)速度60km·h-1，一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)，路基寬度為24.5m。其中，路面寬23m，單側(cè)土路肩寬0.75m。路基設(shè)計(jì)標(biāo)高為行車道中線標(biāo)高。路拱橫坡：一般路段行車道、硬路肩的路拱雙向橫坡為2%，土路肩橫坡3%。路基橫斷面布置如圖1所示。此前施工設(shè)計(jì)中，主要采用的是圖文敘述，并采用的是二維圖紙，施工技術(shù)人員無法更好掌握設(shè)計(jì)要點(diǎn)，這樣會(huì)增大設(shè)計(jì)難度，延長施工周期。經(jīng)研究決定采用三維繪圖技術(shù)進(jìn)行公路設(shè)計(jì)，并對(duì)技術(shù)要點(diǎn)和指標(biāo)進(jìn)行研究分析。

圖1 路基橫斷面布置圖

3.2 三維繪圖技術(shù)要點(diǎn)

（1）構(gòu)建模型

結(jié)合現(xiàn)有的二維圖紙，首先生成三維三角網(wǎng)模型，結(jié)合三角網(wǎng)中的出差點(diǎn)將模型進(jìn)行補(bǔ)充和修正，經(jīng)過調(diào)修后生成出三維數(shù)字地面模型。模型建立后對(duì)公路的各要素進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)公路設(shè)計(jì)立體化、高效率。

（2）平縱曲線設(shè)計(jì)

三維模型的參數(shù)化建模工作第一步是根據(jù)二維公路設(shè)計(jì)文件提取出公路平面線，采用PowerCivil軟件設(shè)計(jì)平曲線。再進(jìn)行縱斷面設(shè)計(jì)，主要視圖顯示出設(shè)計(jì)線和地面線兩種。三維模型中地面線要能準(zhǔn)確反映出地面高低起伏變化情況。結(jié)合軟件中高效的繪圖功能，擬合平曲線和縱曲線，最終完成空間曲線擬合。

（3）參數(shù)化橫斷面設(shè)計(jì)

采用PowerCivil軟件設(shè)計(jì)橫斷面，在設(shè)計(jì)過程中整合出公路路面邊坡、結(jié)構(gòu)、尺寸、擋土墻以及護(hù)欄等要素，對(duì)所有要素進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，定義好各材料的名稱和性能，將各要素和材料相整合。進(jìn)行橫斷面設(shè)計(jì)的過程中將不同點(diǎn)位構(gòu)建成一個(gè)構(gòu)點(diǎn)，不同構(gòu)點(diǎn)處可有多個(gè)約束點(diǎn)，自定義的方式進(jìn)行點(diǎn)位設(shè)置，以不同參數(shù)來進(jìn)行關(guān)系計(jì)算。參數(shù)橫斷面設(shè)計(jì)過程中，采用約束方式完成對(duì)橫斷面圓點(diǎn)和路面中線點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)關(guān)系分析，橫斷面構(gòu)建不同，對(duì)應(yīng)的材料性能和名稱也不同。完成參數(shù)橫斷面設(shè)計(jì)后結(jié)合公路路面地形特征和交通環(huán)境來建立最終模型。

（4）信息管理與二維出圖

本公路項(xiàng)目在三維模型建立時(shí)附加各構(gòu)件和元素的信息，以便查詢模型參數(shù)信息。由于本項(xiàng)目公路具有點(diǎn)多線長的特性，則可以加設(shè)樁號(hào)，結(jié)合樁號(hào)觀測橫斷面屬性，實(shí)現(xiàn)信息的菜單式管理，并可多視圖動(dòng)態(tài)觀測屬性信息。三維繪圖技術(shù)可快速繪制出設(shè)計(jì)圖紙，可將圖紙和模型相結(jié)合，并互相聯(lián)動(dòng)，修改模型時(shí)施工圖紙即可自動(dòng)更新生成出二維圖紙。

（5）工程量統(tǒng)計(jì)

本項(xiàng)目三維模型建立后，在樁號(hào)每隔5m自動(dòng)生出填挖方、構(gòu)建數(shù)，提高設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率。采用三維繪圖技術(shù)和傳統(tǒng)繪圖顯示出的填挖方土量，其計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表1所示。根據(jù)表中數(shù)據(jù)得到，傳統(tǒng)繪圖技術(shù)中顯現(xiàn)出的土方結(jié)果較為模糊，而三維繪圖技術(shù)顯現(xiàn)出的計(jì)算結(jié)果更加快捷準(zhǔn)確。

表1 土方量計(jì)算對(duì)比結(jié)果

4 結(jié)語

為提高設(shè)計(jì)精度，達(dá)到實(shí)現(xiàn)公路的橫向勘察設(shè)計(jì)目的，可采用計(jì)算機(jī)構(gòu)建三維模型完成繪圖，可將數(shù)據(jù)模擬機(jī)械化傳輸，提高設(shè)計(jì)效率。三維繪圖技術(shù)可快速繪制出設(shè)計(jì)圖紙，通過互相聯(lián)動(dòng)作用在修改模型時(shí)施工圖紙即可更新出二維圖紙。本文重點(diǎn)對(duì)三維繪圖技術(shù)原理和要點(diǎn)進(jìn)行研究分析，采用三維繪圖可達(dá)到快速出圖的目的，增大設(shè)計(jì)效率，與傳統(tǒng)繪圖相比具有準(zhǔn)確高效等優(yōu)點(diǎn)，具有一定的可行性和實(shí)用性。