基于三廊道的公路路基設(shè)計(jì)及建模研究與應(yīng)用

曾凡云，湯宏偉，唐俊成

（中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410014）

0 前 言

隨著5G技術(shù)的普及與萬(wàn)物互聯(lián)需求加速發(fā)展，數(shù)字孿生和物聯(lián)網(wǎng)成為必然趨勢(shì)，因此，具有精細(xì)、準(zhǔn)確、即時(shí)的幾何和信息的三維模型在BIM實(shí)施與互聯(lián)發(fā)展中起到至關(guān)重要的作用，對(duì)于勘察設(shè)計(jì)行業(yè)而言，BIM模型的設(shè)計(jì)交付和應(yīng)用也逐漸成為項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中的必要條件［1-4］。為了滿足BIM模型交付的要求，當(dāng)前的勘察設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)往往在完成傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案的同時(shí)，通過(guò)建模的方式將既有的設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)換為三維幾何模型，再將模型元素賦予對(duì)應(yīng)的材料、造價(jià)等信息（行業(yè)內(nèi)稱為翻模）交付給施工方和業(yè)主［5-6］。對(duì)于公路項(xiàng)目而言，路基作為道路模型的主體，與路線方案及地形關(guān)系密切，設(shè)計(jì)過(guò)程涉及反復(fù)修改優(yōu)化。如何高效地進(jìn)行路基設(shè)計(jì)與修改，一直是公路設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)問(wèn)題。在三維協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境中，由于多專業(yè)的參與，更多基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的加入，多項(xiàng)目的組合，使得路基設(shè)計(jì)的邊界復(fù)雜度大大增加，而交互式的精細(xì)設(shè)計(jì)使得路基模型自身的標(biāo)準(zhǔn)程度大大降低，在這種情況下，如何實(shí)現(xiàn)三維體系中的路基高效設(shè)計(jì)修改，并能滿足復(fù)雜邊界條件，成為推進(jìn)公路BIM應(yīng)用必須解決的問(wèn)題。

現(xiàn)以公路路基三維設(shè)計(jì)及建模為研究對(duì)象，分析當(dāng)前常規(guī)路基設(shè)計(jì)方法和軟件的不足，并提出一種基于三廊道的路基建模方法，以滿足路基三維設(shè)計(jì)優(yōu)化與模型交付的要求。該方法在江西省S206貴溪虹橋至黃思段公路改建工程的路基設(shè)計(jì)中進(jìn)行應(yīng)用，體現(xiàn)了很好的適用性。

1 公路路基設(shè)計(jì)建?，F(xiàn)狀分析

在傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)過(guò)程中，公路路基設(shè)計(jì)過(guò)程并不考慮路基的三維建模問(wèn)題，只是通過(guò)關(guān)鍵樁號(hào)橫斷面設(shè)計(jì)結(jié)果來(lái)描述整個(gè)道路的路基方案，關(guān)鍵樁號(hào)之間的區(qū)域并不表達(dá)，計(jì)量時(shí)按線性插值進(jìn)行粗略考慮［7-8］。這種模式經(jīng)過(guò)多年工程實(shí)踐，基本適用于常規(guī)公路設(shè)計(jì)要求，但是也體現(xiàn)出一定的局限性。比如無(wú)法直觀、清晰、完整地表現(xiàn)最終的路基設(shè)計(jì)方案，小半徑回頭彎位置的路基斷面自相交難以處理等。

在三維設(shè)計(jì)中，常用Autodesk公司的Revit、Civil3D，Bentley公司的OpenRoadsDesigner等軟件進(jìn)行公路三維設(shè)計(jì)，這些軟件在進(jìn)行路基設(shè)計(jì)建模時(shí)，通常采用標(biāo)準(zhǔn)橫斷面進(jìn)行路線放樣，然后再針對(duì)放樣模型進(jìn)行精細(xì)調(diào)整［9-14］。這種模式通過(guò)全局三維建模，解決了路基方案整體表達(dá)的問(wèn)題，也帶來(lái)了宏觀可視化的便利，但在路基模型精細(xì)度控制和建模效率上也體現(xiàn)出一定的局限性，主要表現(xiàn)在：

（1）現(xiàn)有的軟件中無(wú)法針對(duì)上述設(shè)計(jì)過(guò)程中的填挖過(guò)渡、擋土墻布置、涵洞布設(shè)等關(guān)鍵位置自動(dòng)進(jìn)行斷面加密。

（2）在路基設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，由于路基方案在不斷進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，這種全局建模的方式也在交互過(guò)程中呈現(xiàn)出明顯的效率問(wèn)題，且斷面間距越密，路基模型建模的耗時(shí)越長(zhǎng)存儲(chǔ)空間占用越大，但道路左右側(cè)的加密需求一般不同步。如圖1案例所示，因地形變化，在路基較寬時(shí)左右路側(cè)填挖過(guò)渡的樁號(hào)區(qū)間一般不一致，這種情況下對(duì)整個(gè)路基進(jìn)行加密建模將進(jìn)一步增加模型體量?，F(xiàn)有軟件的斷面設(shè)計(jì)思路一般為將整個(gè)道路斷面在一個(gè)廊道中進(jìn)行定義（如圖2所示），在僅需要對(duì)路基某一側(cè)局部加密時(shí)弊端較明顯。

圖1 道路左右側(cè)填挖過(guò)渡區(qū)間不一致的案例

圖2 現(xiàn)有公路三維設(shè)計(jì)軟件中道路橫斷面定義方式

澳大利亞交通項(xiàng)目工程師AlexanderBadaoui及其所在設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)（TERRA）提出一種“三維線性法”來(lái)解決上述問(wèn)題［15-16］，其基本原理如圖3所示，即將道路橫斷面中，路面、路肩、邊溝、護(hù)欄、邊坡等構(gòu)件進(jìn)行拆解，分成多個(gè)廊道進(jìn)行建模，多個(gè)廊道之間通過(guò)參數(shù)建立約束關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)路基各構(gòu)件的協(xié)同變化。但此方法的癥結(jié)在于為了將一個(gè)橫斷面中的多個(gè)廊道動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)在一起，需要建立大量的點(diǎn)控制與參數(shù)控制條件，廊道建模效率降低，而且在一個(gè)斷面中廊道數(shù)量過(guò)多且不標(biāo)準(zhǔn)的情況下，維護(hù)多個(gè)廊道之間約束關(guān)系時(shí)的穩(wěn)定性得不到保證。

圖3 三維線性法進(jìn)行路基建模的方法（多廊道定義整個(gè)斷面）

2 三廊道建模方法

2.1 基本思路

本文對(duì)三維線性法進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，即利用“三維線性法”的思路進(jìn)行路基模型創(chuàng)建，但是在構(gòu)件的拆分，即廊道的數(shù)量上進(jìn)行精簡(jiǎn)，以道路左右側(cè)硬路肩或行車道外邊緣為分界，將整個(gè)路基設(shè)計(jì)拆分為中間路面、左路基、右路基3個(gè)廊道（見(jiàn)圖4）。這種左、中、右三廊道的建模方法有如下優(yōu)點(diǎn)：

圖4 左中右3個(gè)廊道定義整個(gè)斷面

（1）在路基設(shè)計(jì)分區(qū)上，中間廊道主要處理道路分幅、超高加寬等方案以滿足行車要求，而左右廊道主要處理與地形相關(guān)的填挖邊坡及排水溝渠方案，以滿足路基穩(wěn)定及排水要求，概念清晰而簡(jiǎn)潔，便于方案管理。

（2）在整個(gè)路基設(shè)計(jì)流程以及修改工作量的方面，中間廊道用來(lái)表達(dá)行車范圍之內(nèi)的設(shè)計(jì)方案，一般在項(xiàng)目設(shè)計(jì)之初，道路等級(jí)、路基標(biāo)準(zhǔn)、超高加寬計(jì)算完成后即可確定，設(shè)計(jì)過(guò)程修改較少；而左右廊道在中間廊道設(shè)計(jì)完成后需要進(jìn)一步結(jié)合地形及周邊環(huán)境進(jìn)行反復(fù)調(diào)整與優(yōu)化，工作量較大，將左中右廊道分開(kāi)可以在動(dòng)態(tài)調(diào)整過(guò)程中只針對(duì)需要調(diào)整的位置進(jìn)行模型修改，可以大大提高整體的建模效率。

（3）在路基建模密度上，中間廊道需要在曲線段加密，而左右廊道需要在填挖過(guò)渡、擋墻支護(hù)、涵洞布設(shè)等位置進(jìn)行局部加密，且左右側(cè)路基的加密樁號(hào)一般不同步，三廊道建模方法可以使左中右廊道按各自需求進(jìn)行單獨(dú)加密，可明顯降低模型占用存儲(chǔ)空間與計(jì)算資源。

三廊道方法是一種數(shù)據(jù)和模型層面的處理方法，而對(duì)于工程設(shè)計(jì)而言，還是以道路整體斷面進(jìn)行分析和表達(dá)，因此三廊道方法的應(yīng)用，還需要解決路基斷面整體表達(dá)與三廊道表達(dá)之間的映射，以及道路路線修改后三廊道的刷新兩個(gè)問(wèn)題。

2.2 路基斷面整體表達(dá)與三廊道表達(dá)之間的映射方法

對(duì)于三廊道路基設(shè)計(jì)而言，左中右3個(gè)廊道模型相對(duì)獨(dú)立，因此需要針對(duì)三者之間的工程定位關(guān)系進(jìn)行專門處理，以保證三廊道模型能夠?qū)崿F(xiàn)同步映射。由于道路設(shè)計(jì)中構(gòu)造物的定位均通過(guò)其對(duì)應(yīng)道路中線樁號(hào)位置進(jìn)行描述，故本文采用法向垂直投影的映射關(guān)系作為多個(gè)廊道的同步邏輯（如圖5所示），對(duì)于左右廊道上的任意點(diǎn)或斷面的定位信息，均按其向道路中線的投影樁號(hào)進(jìn)行描述和記錄。

圖5 三廊道路基設(shè)計(jì)時(shí)的廊道同步邏輯

2.3 路線修改后的廊道刷新方法

傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)軟件和當(dāng)前的三維設(shè)計(jì)軟件都是按樁號(hào)對(duì)路基進(jìn)行定位，路線修改后的模型刷新一般也是按樁號(hào)進(jìn)行匹配，并基于此在道路設(shè)計(jì)中引入了斷鏈的概念，通過(guò)對(duì)路線樁號(hào)添加命名前綴（如AK0m＋050.0m＝BK0m＋068.5m）模擬長(zhǎng)鏈或短鏈，來(lái)解決調(diào)線前后的定位對(duì)齊問(wèn)題。但是這種斷鏈的方法也存在一些問(wèn)題，具體為：（1）在路線方案設(shè)計(jì)過(guò)程中，路線反復(fù)調(diào)整，此時(shí)為了保證廊道方案的刷新，需要反復(fù)設(shè)置斷鏈，操作較為繁瑣，阻礙了方案動(dòng)態(tài)修改的連貫性；（2）路線修改前后，廊道的長(zhǎng)度有可能發(fā)生變化，因此每次調(diào)線需要在每個(gè)廊道的起終點(diǎn)各設(shè)置一次斷鏈，這導(dǎo)致整個(gè)調(diào)線后的路線方案中斷鏈相當(dāng)多，可能會(huì)引發(fā)命名歧義。

該研究采用最近點(diǎn)投影的方式來(lái)自動(dòng)進(jìn)行路線修改后的廊道刷新。如圖6所示，當(dāng)路線方案從A線調(diào)整為B線后，分別將A線中的點(diǎn)A1與A2按絕對(duì)坐標(biāo)向B線進(jìn)行最近點(diǎn)投影，計(jì)算得到點(diǎn)BA1與BA2；然后將廊道模型刷新至，這種刷新方式可以在路線局部調(diào)整后仍保留未調(diào)整部分的廊道方案不變，而局部調(diào)整區(qū)域最大限度貼近原方案，且能對(duì)廊道長(zhǎng)度的變化進(jìn)行自動(dòng)處理。此方法可最大限度地利用原有設(shè)計(jì)方案，提高設(shè)計(jì)效率。

圖6 路線修改后的廊道刷新邏輯示意

結(jié)合上述方法，基于Bentley平臺(tái)OpenRoads Designer軟件研發(fā)了公路路基設(shè)計(jì)功能，并按圖7所示流程進(jìn)行公路路基設(shè)計(jì)與調(diào)整。最后通過(guò)相關(guān)交互功能開(kāi)發(fā)，將三廊道建模邏輯在后臺(tái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，對(duì)于設(shè)計(jì)人員而言，可以選擇性地針對(duì)單一側(cè)廊道進(jìn)行調(diào)整或者對(duì)路基橫斷面進(jìn)行整體調(diào)整。

圖7 三廊道路基設(shè)計(jì)流程

3 工程應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況

江西省S206貴溪虹橋至黃思段公路改建工程，項(xiàng)目全線采用二級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)速度60km／h，雙向兩車道，路基寬度10m，橫斷面布置為：0.75m（土路肩）＋0.75m（硬路肩）＋2×3.5m（行車道）＋0.75m（硬路肩）＋0.75m（土路肩），如圖8所示；路線全長(zhǎng)9.544km。橋涵設(shè)計(jì)汽車荷載等級(jí)為公路Ⅰ級(jí)；其余技術(shù)指標(biāo)采用交通部頒《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定值。本項(xiàng)目設(shè)置大橋1座（預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，柱式墩、肋板臺(tái)、樁基礎(chǔ)），無(wú)隧道。工程結(jié)構(gòu)物主要有路基主體、排水溝渠、重力式擋土墻、排水涵洞等。

3.2 設(shè)計(jì)應(yīng)用

3.2.1 路基廊道建模與修改

路基建模時(shí)將整個(gè)斷面劃分為左、中、右三個(gè)廊道進(jìn)行分開(kāi)設(shè)計(jì)建模（見(jiàn)圖8）。

圖8 S206貴溪虹橋至黃思段公路改建工程路基標(biāo)準(zhǔn)橫斷面示意（單位：mm）

圖9為完成的項(xiàng)目路基模型，從模型成果來(lái)看，左、中、右廊道的斷面密度可分開(kāi)設(shè)置，互不影響，可方便地進(jìn)行針對(duì)性的局部加密，大大減小模型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間與計(jì)算耗時(shí)。

圖9 項(xiàng)目路基模型

另一方面，對(duì)于當(dāng)前道路三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行廊道建模時(shí)，在填挖交界過(guò)渡區(qū)出現(xiàn)明顯突變的問(wèn)題，利用二分法進(jìn)行過(guò)渡區(qū)斷面間距自動(dòng)加密，實(shí)現(xiàn)幾何模型的平滑過(guò)渡。

路基標(biāo)準(zhǔn)橫斷面帶帽后，對(duì)于路基斷面還是按整個(gè)路基斷面的參數(shù)進(jìn)行交互式詳細(xì)調(diào)整，而調(diào)整后的廊道模型按左、中、右廊道進(jìn)行獨(dú)立修改與建模。

3.2.2 關(guān)聯(lián)專業(yè)協(xié)同修改

公路路基作為公路項(xiàng)目的主體，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，它與道路交通安全設(shè)施、支擋結(jié)構(gòu)、邊坡防護(hù)、排水結(jié)構(gòu)、涵洞等均有關(guān)聯(lián)。以擋土墻設(shè)計(jì)為例（如圖10所示），路基左右側(cè)廊道分開(kāi)設(shè)計(jì)和建模，當(dāng)某側(cè)進(jìn)行擋土墻布置或方案調(diào)整時(shí)，只需要對(duì)對(duì)擋墻布設(shè)側(cè)的廊道邊坡進(jìn)行局部區(qū)間的加密和修改，可以很好地兼顧模型表達(dá)精度及動(dòng)態(tài)修改的效率。

圖10 擋土墻對(duì)路基邊坡的修改

4 結(jié) 論

本文針對(duì)公路BIM設(shè)計(jì)中的路基建模方法進(jìn)行研究，采用三廊道方法進(jìn)行路基橫斷面描述與路基三維建模，并基于Open Roads Designer開(kāi)發(fā)了公路路基設(shè)計(jì)功能，結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目對(duì)三廊道建模方法進(jìn)行了應(yīng)用，成果滿足工程設(shè)計(jì)需要。

（1）左、中、右三廊道獨(dú)立建模，解決了橫斷面整體建模時(shí)不能進(jìn)行某側(cè)局部區(qū)間加密的問(wèn)題。通過(guò)路基關(guān)聯(lián)構(gòu)件的設(shè)計(jì)協(xié)同功能開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)擋墻、涵洞等設(shè)計(jì)調(diào)整過(guò)程中的路基模型局部處理，較Open Roads Designer自帶的廊道功能建模，效率更高、模型占用空間更小。

（2）通過(guò)廊道間的法向垂直映射來(lái)處理多廊道間的同步刷新，解決了獨(dú)立廊道模型與完整斷面方案之間的同步問(wèn)題。

（3）通過(guò)絕對(duì)坐標(biāo)與起點(diǎn)距離之間的換算算法，解決了路線局部修改后的路基廊道刷新以及設(shè)計(jì)方案映射的問(wèn)題，盡可能避免了設(shè)計(jì)人員重做設(shè)計(jì)方案，提高了設(shè)計(jì)效率。

（編 輯：惠方方）