可視化技術(shù)在城市主干路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

楊興之

（貴州省建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550081）

0 引言

在可視化技術(shù)不斷發(fā)展背景下，我國城市主干道設(shè)計(jì)正逐漸由傳統(tǒng)2D 圖紙?jiān)O(shè)計(jì)到3D 立體可視化設(shè)計(jì)中。通過利用計(jì)算機(jī)和圖像處理技術(shù)，匯總主干道相關(guān)信息數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖像在屏幕上顯示出來，構(gòu)建工程模型?？梢暬夹g(shù)以其獨(dú)特優(yōu)勢被廣泛運(yùn)用在工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，能有效避免設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)與具體施工不相符的問題。

1 三維數(shù)字地形建立與處理

1.1 創(chuàng)建三維地形曲面

地形曲面表示地形的三維幾何狀態(tài)，是可視化技術(shù)應(yīng)用于城市主干道路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。其中，縱斷面設(shè)計(jì)、土方計(jì)算、主干道路路線設(shè)計(jì)等都是基于此項(xiàng)工作展開。設(shè)計(jì)人員通過利用BIM 軟件創(chuàng)建道路曲面圖，連接谷歌衛(wèi)星地圖功能進(jìn)行高程數(shù)據(jù)、影像圖數(shù)據(jù)，下載該城市地形數(shù)據(jù)。這種地形曲面圖創(chuàng)設(shè)方式針對一些勘測難度大、地形精度要求不高的城市主干路工程而言，有效解決傳統(tǒng)勘測設(shè)計(jì)方式存在的出錯(cuò)率高、工作量大、數(shù)據(jù)采集費(fèi)時(shí)費(fèi)力等問題，如圖1 所示。

1.2 三維地形曲面處理與分析

在三維地驅(qū)魔模型創(chuàng)設(shè)完成后，便可對地形曲面進(jìn)行處理和分析，包括高程檢查、高程分析、曲面升降等。高程檢查是監(jiān)測當(dāng)前曲面圖形中的高程數(shù)據(jù)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在問題的數(shù)據(jù)，如模型中高程點(diǎn)與實(shí)際點(diǎn)位差值過大、和周圍點(diǎn)形成較大坡度。設(shè)計(jì)人員通過高程檢查功能，刪除其中錯(cuò)誤高程點(diǎn)。高程分析是根據(jù)不同程度高程范圍區(qū)域繪制不同顏色，便于檢查高程分布情況，如圖1 所示[1]。

圖1 三維地形

2 城市主干路路線設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 三維場景建模

在城市主干道路設(shè)計(jì)中，三維場景模擬模型是重要基礎(chǔ)，通過創(chuàng)建三維道路路線網(wǎng)模型，能有效節(jié)省路線設(shè)計(jì)時(shí)間。雖然三維建模優(yōu)勢明顯，但在實(shí)際運(yùn)用中依舊存在不同程度缺陷。設(shè)計(jì)人員應(yīng)依據(jù)道路建造條件，根據(jù)施工現(xiàn)場情況實(shí)時(shí)調(diào)整，精確計(jì)算道路路線，創(chuàng)建多個(gè)不同閉環(huán)合路，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)階段進(jìn)行拼接，將其重新組合形成新的模型，進(jìn)一步保證道路路線設(shè)計(jì)質(zhì)量。

2.2 三維模型的可視化

三維虛擬模型結(jié)構(gòu)是基于設(shè)計(jì)道路路線規(guī)劃和設(shè)計(jì)理念，基于衛(wèi)星圖像和模型通過實(shí)地勘測，將獲取的三維模型與城市主干道有機(jī)連接和結(jié)合。設(shè)計(jì)人員利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，將地形數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為城市主干道路精確空間模型奠定基礎(chǔ)；或者利用衛(wèi)星或航空數(shù)字圖像進(jìn)行模擬和處理，能夠在主干道路上建立虛擬現(xiàn)實(shí)，體會(huì)到真實(shí)駕駛感受[2]。

3 主干道路縱斷面設(shè)計(jì)與土方量計(jì)算

3.1 三維建模

首先，由于城市主干道規(guī)劃面積較大，通常情況下由多個(gè)施工隊(duì)伍共同完成測量作業(yè)，所采集數(shù)據(jù)信息龐大。為順利將CAD 文件導(dǎo)入軟件中，需要對所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)處理主要包括以下3 點(diǎn)：①高程點(diǎn)篩選。需要將不同圖層高層點(diǎn)統(tǒng)一規(guī)劃到同一圖層中，便于設(shè)計(jì)人員查詢和后期數(shù)據(jù)分析。同時(shí)，由于城市主干道規(guī)劃高程點(diǎn)基數(shù)大，部分點(diǎn)位難免存在一定誤差，需要對這些高程點(diǎn)進(jìn)行處理，消除偏差大的高程點(diǎn)。②中線編輯。為了保證主干道中線為連續(xù)多段線，中間不能有斷點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員在利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提取道路縱斷面時(shí)，需要對設(shè)計(jì)主干道路中線進(jìn)行檢查和編輯。③分區(qū)邊界線編輯。各規(guī)劃區(qū)邊界線應(yīng)是閉合多段線，保證后期數(shù)字高程模型需要。

其次，在信息數(shù)據(jù)處理后，需要將CAD 數(shù)據(jù)無損轉(zhuǎn)換成GIS 系統(tǒng)可識(shí)別格式，以保證后續(xù)工作順利進(jìn)行。設(shè)計(jì)人員應(yīng)在軟件中建立全新數(shù)據(jù)庫，將主干道規(guī)劃高程點(diǎn)、道路中線、分區(qū)邊界線等數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，利用工具加載之前轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，再利用用戶桌面組件將轉(zhuǎn)化后的CAD 數(shù)據(jù)進(jìn)行符號化處理，如圖2 所示。

圖2 某城市主干道規(guī)劃

最后，構(gòu)建3D 立體模型。通過利用高程點(diǎn)數(shù)據(jù)真實(shí)反映地表模型，利用GIS 軟件采用不規(guī)則三角網(wǎng)建立地表模型，不僅能體現(xiàn)出地形特征點(diǎn)與線，還有效避免大量數(shù)據(jù)冗余。

3.2 縱斷面生成

城市主干道路縱斷面生成至關(guān)重要，關(guān)乎著車輛行駛速度、道路使用性能、道路建設(shè)投資、運(yùn)輸成本等問題。應(yīng)明確主干道最大縱坡，保證車輛能安全行駛在道路上，避免下坡車輛行駛速度過快引發(fā)安全事故。設(shè)計(jì)人員需要將道路中線加載到三維高程模型中，將其由2D 平面圖轉(zhuǎn)化為3D 立體模型，一定程度上提高了道路豎向設(shè)計(jì)工作效率。同時(shí)，GIS 系統(tǒng)通過將路網(wǎng)數(shù)據(jù)加載至3D 立體模型中，能快速獲取各條主干道縱斷數(shù)據(jù)，有助于降低城市主干道規(guī)劃區(qū)域設(shè)計(jì)龐大工作量和難度。除此之外，一旦主干道路線模型發(fā)生變化，僅需要將新生成的道路中線重新繪制在3D 立體模型上，便可生成新的主干道縱斷面。

3.3 土方量計(jì)算

設(shè)計(jì)人員通過利用GIS 軟件將主干道規(guī)劃區(qū)地表模型細(xì)化至若干微小單元，實(shí)現(xiàn)地表特征簡化，再采取近似于各個(gè)單元地表特征數(shù)值和插值數(shù)據(jù)，計(jì)算各個(gè)微小單位體積差進(jìn)行求和，得出最后土方量。首先，建立不規(guī)則三角網(wǎng)模型。利用計(jì)算機(jī)生成整個(gè)城市主干路規(guī)劃區(qū)模型，通過分區(qū)界線進(jìn)行劃分，探究各個(gè)區(qū)塊土方填挖情況，便于在分區(qū)界線調(diào)整時(shí)后續(xù)工作處理。同時(shí)，利用道路紅線覆蓋區(qū)域切割模型，計(jì)算主干道施工土方填挖情況，編制施工造價(jià)預(yù)算方案。其次，計(jì)算填挖土方量。根據(jù)上述建立模型，利用三維分析軟件能夠快速進(jìn)行土方填挖計(jì)算。當(dāng)施工區(qū)域土方均衡時(shí)，便可對整體土方運(yùn)輸路線進(jìn)行規(guī)劃，使得設(shè)計(jì)方案更加直觀，體現(xiàn)出設(shè)計(jì)思路。最后，統(tǒng)計(jì)匯總。通過利用數(shù)據(jù)表生成軟件，生成土方填挖統(tǒng)計(jì)表，或者構(gòu)建土方填挖三維模擬圖，形象表現(xiàn)土方填挖分布情況。

4 城市主干道路交叉口設(shè)計(jì)

在城市道路網(wǎng)中，各條主干道路縱橫交錯(cuò)，難免會(huì)形成諸多交叉口，行人、私家車、公交車都會(huì)在交叉口會(huì)合、通過、轉(zhuǎn)向。這會(huì)對相交道路產(chǎn)生一定干擾，減緩行人、車輛行進(jìn)速度，延緩?fù)ㄟ^時(shí)間，造成交通堵塞或者交通事故。對此，通過設(shè)計(jì)合理主干路交叉口，提高通行能力，保證行車暢通，減少交通事故。

4.1 創(chuàng)建交叉口模型

設(shè)計(jì)人員應(yīng)基于地理信息系統(tǒng)、地質(zhì)勘測數(shù)據(jù)、主干道路資料、城市交通擁堵節(jié)段點(diǎn)等，完成主干道交叉口設(shè)計(jì)、路拱形式選擇、道路轉(zhuǎn)彎半徑、交叉口路緣石轉(zhuǎn)角半徑、交叉口邊坡方案設(shè)計(jì)等工作后，利用可視化技術(shù)和計(jì)算機(jī)依據(jù)設(shè)計(jì)方案創(chuàng)建主干道交叉口立體模型。

4.2 三維仿真模擬實(shí)驗(yàn)

在完成主干道交叉口設(shè)計(jì)后，設(shè)計(jì)人員利用可視化技術(shù)對交叉口進(jìn)行三維仿真模擬，依據(jù)實(shí)際車輛行駛數(shù)量、通過時(shí)速、紅綠燈配時(shí)等參數(shù)，對主干道交叉口通行能力進(jìn)行可視化模擬，如圖3 所示。若交叉口通行順暢便可說明交叉口設(shè)計(jì)滿足實(shí)際交通需求，若交叉口出現(xiàn)車輛擁堵，通行效率低下，則需要設(shè)計(jì)人員對交叉口設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。目前常見交通組織方式有：設(shè)置專用車道，組織渠化交通，實(shí)行信號管制，調(diào)整交通組織。設(shè)置右轉(zhuǎn)專用車道和非機(jī)動(dòng)車道是常見提高主干道交叉口通行能力有效方式；渠化交通是設(shè)置交通標(biāo)志線或交通島，引導(dǎo)行人和車輛各行其道；信號管制是通過設(shè)計(jì)最優(yōu)紅綠燈配時(shí)來提高通行效率；調(diào)整交通組織是考慮城市交通系統(tǒng)，改變車輛行駛路線，如單行道、限制主干道上支路等。如果經(jīng)上述優(yōu)化設(shè)計(jì)后，仍未能解決主干道交叉口通行效率低下現(xiàn)狀，則需要改變交叉口設(shè)計(jì)形式，可將平面交叉口轉(zhuǎn)化為立體交叉口形式[3]。

圖3 交叉口可視化模型

5 主干道路排水系統(tǒng)模型構(gòu)建

5.1 平面設(shè)計(jì)

在城市主干道路排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)提前聯(lián)系城市污水處理部門，獲取最新城市污水處理規(guī)劃圖紙，將其與城市主干道路設(shè)計(jì)高程點(diǎn)進(jìn)行對比，科學(xué)合理規(guī)劃設(shè)計(jì)出排水系統(tǒng)管線布局2D 平面設(shè)計(jì)圖紙。在完成排水系統(tǒng)平面設(shè)計(jì)后，應(yīng)根據(jù)相關(guān)規(guī)范和工程計(jì)算結(jié)果，適當(dāng)調(diào)整和優(yōu)化排水管道尺寸及材料。

5.2 縱斷面設(shè)計(jì)

此項(xiàng)設(shè)計(jì)是在城市主干道路縱斷面設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上完成的，豎井圖號選擇、選定斷面繪制功能等都需要相應(yīng)節(jié)點(diǎn)在道路縱斷面上的坐標(biāo)。排水系統(tǒng)管道縱斷面設(shè)計(jì)步驟如下：規(guī)劃管道坡度→定義管道標(biāo)高→雨水口連接管道標(biāo)高→管道標(biāo)高交互設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員在完成豎向設(shè)計(jì)作業(yè)后，需要利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和可視化技術(shù)，對排水系統(tǒng)管道線路進(jìn)行碰撞試驗(yàn)，避免出現(xiàn)地下管道碰撞現(xiàn)象，使得城市主干道路排水系統(tǒng)符合工程規(guī)范要求。

6 城市主干道地下管線規(guī)劃

6.1 可視化管線設(shè)計(jì)

城市主干道路地下埋設(shè)著大量管線，如照明電纜、熱力管線、給排水管線、通信管線等。在傳統(tǒng)城市主干道地下管線設(shè)計(jì)中，通常是管線綜合專業(yè)來規(guī)劃各個(gè)管線，僅僅是在2D 平面圖紙上標(biāo)注各個(gè)構(gòu)件數(shù)據(jù)信息，難以將三維效果、可視化設(shè)計(jì)展示出來。一旦在施工過程中發(fā)生管線碰撞沖突，需要建設(shè)單位消耗大量資金來解決。為了避免在城市主干道施工過程中損壞地下管線，需要協(xié)調(diào)好管線豎向高程點(diǎn)、平臺(tái)位置。設(shè)計(jì)人員通過利用可視化技術(shù)、軟件建立地下管線三維模型，讓城市主干道管線設(shè)計(jì)成果直觀呈現(xiàn)在人們眼前，不僅包含管線、管件尺寸，還能標(biāo)注出不同管線和管件，清楚展示出管線立體位置和各個(gè)管件之間三維關(guān)系。通過合理劃分不同管線施工圖紙，嚴(yán)格遵守地下管線建模順序，降低管道改建和調(diào)整難度。同時(shí)，在建模完成后，應(yīng)及時(shí)開展管線交叉碰撞試驗(yàn)。需要先在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行預(yù)施工實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)施工中存在著管線碰撞風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)做好調(diào)整，能有效避免后期管線碰撞現(xiàn)象，降低返修時(shí)產(chǎn)生的費(fèi)用，提高施工企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益[4]。

6.2 主干道路預(yù)留和預(yù)埋設(shè)計(jì)

通過利用可視化技術(shù)，便于設(shè)計(jì)人員明確預(yù)留孔洞詳細(xì)位置，按照設(shè)計(jì)、分析、模擬實(shí)現(xiàn)道路工程動(dòng)態(tài)管控，在全面角度入手進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。在GIS 軟件中，根據(jù)地下管線數(shù)據(jù)信息，根據(jù)模擬結(jié)果解決問題，提高設(shè)計(jì)效果，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，有助于縮減道路工程工期，如圖4 所示。

圖4 地下管網(wǎng)線路

7 結(jié)語

綜上所述，未來城市主干道設(shè)計(jì)領(lǐng)域大規(guī)模信息化建設(shè)是必然趨勢，應(yīng)深度探究可視化技術(shù)在城市主干道路設(shè)計(jì)方法應(yīng)用，探討出一套基于可視化技術(shù)的城市主干路設(shè)計(jì)全過程實(shí)施方案。通過應(yīng)用可視化技術(shù)對主干道工程項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)，構(gòu)建道路可視化模型，切實(shí)提高主干道路設(shè)計(jì)水平和質(zhì)量。