基于OpenRoads的公路選線三維設(shè)計方法研究

孔 哲， 程耀東， 楊 軍， 焉瑞鑫

(1.蘭州交通大學 土木工程學院， 甘肅 蘭州 730070； 2. 蘭州交通大學 電子與信息工程學院， 甘肅 蘭州 730070)

0 引言

隨著我國交通建設(shè)的迅速發(fā)展，對工程數(shù)字化、信息化的探索和需求更加迫切。BIM作為一種以信息流為核心的三維數(shù)字化技術(shù)，最先應用于建筑領(lǐng)域，并在此領(lǐng)域逐漸發(fā)展成熟；而公路工程因為具有帶狀、專業(yè)多、線路長、范圍廣、涉及地形復雜、工程量大等特點，所以BIM技術(shù)在此領(lǐng)域應用還處于起步階段。

近年來，許多專家及工程技術(shù)人員對BIM技術(shù)在公路路線設(shè)計等領(lǐng)域的應用和開發(fā)進行了探索。李冰等[1]基于Civil 3D構(gòu)建數(shù)字高程模型，驗證了BIM技術(shù)在道路勘察設(shè)計中的優(yōu)勢；劉向陽等[2]借鑒國內(nèi)外既有BIM理念，研究開發(fā)BIM多元信息數(shù)據(jù)庫和三維數(shù)字建模技術(shù)，實現(xiàn)公路BIM平臺的構(gòu)建和應用；宋愛蘋等[3]利用BIM構(gòu)建道路線形優(yōu)化相關(guān)參數(shù)并利用Civil 3D進行模擬，驗證了道路信息模型在線形評價方面的實用性；彭欣等[4]選擇Bentley軟件對公路工程BIM正向設(shè)計流程進行探索，梳理了一套適用于公路工程三維數(shù)字化的BIM正向設(shè)計流程方法。孫澤昌[5]以滬通鐵路項目為依托，闡述了PowerCivil在線路專業(yè)的應用。沈照慶等[6]將BIM技術(shù)應用于道路改擴建工程中，總結(jié)出PowerCivil在道路改擴建過程中的4大優(yōu)勢。王麗園等[7]對于公路勘察設(shè)計階段三維模型的建模要求和BIM協(xié)同設(shè)計進行了研究。

本文以O(shè)penRoads Designer為平臺，運用圖形學技術(shù)、選線設(shè)計理論及標準，探討數(shù)字地模數(shù)據(jù)獲取方法，形成三維地面模型；以地面模型為基礎(chǔ)研究路線平面設(shè)計、縱斷面設(shè)計、三維廊道建模等，形成道路總體模型，并對路基填挖方量等工程量進行計算及分析，探索基于BIM的公路三維設(shè)計建模技術(shù)和方法。

1 基于Bentley的路線三維設(shè)計流程

1.1 Bentley設(shè)計平臺優(yōu)勢

相比于其他建模軟件，Bentley公司建模軟件的優(yōu)勢主要在于其軟件均基于MicroStation平臺開發(fā)，軟件間的信息互通能力非常強[8]，對大體量的模型承載力好，其軟件可以為項目整個生命周期提供支持?？紤]道路模型體量大、距離長，因此，選擇Bentley公司的OpenRoads Designer作為主要建模軟件，對公路路線設(shè)計與建模進行研究。

1.2 工程概況

某道路工程全線采用高速公路標準，全長約10.8 km，沿線多為農(nóng)田，地形較平坦，地勢相對較低，地形起伏小，地質(zhì)條件較差，路線走向受限條件較多，路線全長設(shè)置有5條匝道，1處跨線橋，平面設(shè)計共設(shè)有平曲線4個，縱斷面設(shè)計共設(shè)20個變坡點，項目建設(shè)主要技術(shù)標準見表1。

表1 項目建設(shè)主要技術(shù)標準序號項目技術(shù)標準1公路等級高速公路(雙向四車道)2設(shè)計速度100 km/h3路基寬度26.0 m4設(shè)計洪水頻率1/100、1/3005汽車荷載等級公路-Ⅰ級6地震動峰值加速度0.15 g

1.3 設(shè)計流程

目前，BIM在國內(nèi)的公路路線設(shè)計主要還處于“翻?！彪A段，大大降低了BIM的應用價值。因此，本文將在前期資料的基礎(chǔ)上，借鑒二維設(shè)計的流程進行BIM設(shè)計，充分發(fā)揮BIM技術(shù)的優(yōu)勢。公路路線BIM設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 公路路線BIM設(shè)計流程

2 數(shù)字地形建模

DTM是一個表示地面特征空間分布的數(shù)據(jù)庫。OpenRoads Designer主要采用狄洛尼(Delaunay)三角網(wǎng)構(gòu)建原理，通過不規(guī)則分布的數(shù)據(jù)點生成連續(xù)的三角網(wǎng)逼近地形[9]。以dwg文件作為地形數(shù)據(jù)來源，DTM的創(chuàng)建方法如下。

1) 在dwg格式地形圖中，不同的圖層包含著不同的信息。而在OpenRoads Designer中進行地形建模時，只需要等高線和高程點帶有z值的三維數(shù)據(jù)即可。為提高建模效率，只保留等高線和高程點圖層，將其另存為dwg文件，作為地形建模時的原始地形圖。將修改后的dwg文件“參考”進入軟件，創(chuàng)建圖形過濾器與過濾器組。通過OpenRoads Designer軟件，對等高線、高程點進行圖層過濾，提高數(shù)據(jù)處理能力和建模效率。

2) 創(chuàng)建三維地形模型。通過過濾器組，將dwg文件中的高程信息過濾成為可以編輯的dgn文件。優(yōu)點是地形文件較小且方便快捷，缺點是效果并不能完全展示真實環(huán)境，僅僅只有基本的地形走勢、識別到的高程點和等高線的信息[10]。在構(gòu)建完三角網(wǎng)之后，運用地形編輯與剪切工具，將一些誤差較大的數(shù)據(jù)進行修改，使其更加逼近真實地形。

3 路線設(shè)計及建模

3.1 道路平面設(shè)計

道路平面設(shè)計即道路中心線的水平投影線形設(shè)計。OpenRoads Designer提供了2種平面線形設(shè)計方法：交點法和積木法。交點法是通過連接連續(xù)元素的交點來繪制路線，平面圖中的路線為一條完整路線；積木法是先繪制基本線形，再將各個元素連接成為一整條路線。用交點法設(shè)計路線平面的方法和步驟如下：

1) 選線及方案比選?？紤]地質(zhì)條件、自然環(huán)境、安全通暢等因素，制定出多個路線方案。通過對路線方案造價、沿線經(jīng)濟發(fā)展等因素進行分析，選擇合適的方案，對其進行優(yōu)化，得到最優(yōu)方案。OpenRoads Designer提供了8個設(shè)計窗口，可以同時對多個方案進行比選，方便快捷。

2) 對最優(yōu)方案進行指標設(shè)計。根據(jù)該項目建設(shè)主要技術(shù)標準(《公路工程技術(shù)標準》《公路路線設(shè)計規(guī)范》等)的規(guī)定，進行路線設(shè)計。包括確定路線起終點、各轉(zhuǎn)點坐標，結(jié)合交點處地形情況，確定合適的曲線半徑及長度。平面設(shè)計共設(shè)有平曲線4個，在平曲線半徑小于不設(shè)超高的最小半徑處，均設(shè)了緩和曲線和超高。

3) 軟件提供了土木精確繪圖選項，既可以精確定位路線的起點坐標、轉(zhuǎn)點坐標和終點坐標，又可以準確定義曲線長度與半徑。坐標間會自動生成平滑的道路中線，直觀快捷。

4) 給路線設(shè)置樁號。沿已經(jīng)布好的道路中線，從路線起點開始，將樁號標在道路中線上，完成路線平面設(shè)計。部分路線設(shè)計成果如圖2所示。

圖2 部分路線設(shè)計成果

與二維設(shè)計不同的是，當平面線中某些參數(shù)改變時，系統(tǒng)會自動更新路線平面，保證路線的平順銜接，直觀地反饋設(shè)計結(jié)果，提高設(shè)計效率，避免重復返工。

3.2 縱斷面設(shè)計

依據(jù)高速公路的縱斷面設(shè)計指標，進行路線縱斷面設(shè)計。主要方法和步驟如下：

1) 激活地形模型，打開縱斷面模型。任意選擇一個窗口，系統(tǒng)會自動提取到地面線，并根據(jù)窗口中背景顏色的不同，清楚地劃分平面設(shè)計中圓曲線和緩和曲線的位置分布。

2) 進行縱斷面方案比選。在生成地面線以后，結(jié)合地形地質(zhì)條件等，考慮最大及最小縱坡、填挖均衡等因素，在多個窗口中同時設(shè)計多個縱斷面進行快速比選，確定最優(yōu)方案。

3) 在最優(yōu)方案中，結(jié)合設(shè)計標準，對縱坡的長度、大小、豎曲線半徑等進行詳細設(shè)計。在10.8 km設(shè)計路線中，縱斷面共設(shè)變坡點20個，縱斷面各部分設(shè)計參數(shù)均須滿足設(shè)計規(guī)范要求。

4) 在確定設(shè)計指標之后，利用土木精確繪圖選項，通過樁號、起點設(shè)計高程精確定位縱斷面起點，通過拐點樁號和高程、豎曲線半徑確定豎曲線線形。按照此方法，設(shè)計至縱斷面終點，完成縱斷面設(shè)計。部分路段縱斷面設(shè)計線如圖3所示。圖中顯示凸型豎曲線和凹型豎曲線兩種線形，虛線代表地面線，實線代表設(shè)計線，各段直線長度、坡度、

圖3 部分路段縱斷面設(shè)計線

豎曲線長度和半徑在圖中均有顯示。

5) 在完成縱斷面設(shè)計后，要檢查平縱線形組合是否滿足線形的連續(xù)性和“平包豎”等原則[11]；力求縱坡均勻平順、起伏緩和、坡長和豎曲線長短適當。系統(tǒng)提供了動態(tài)編輯及更新的功能，當縱斷面上的設(shè)計要素改變時，系統(tǒng)會自動更新線形。

3.3 廊道設(shè)計及工程數(shù)量統(tǒng)計

本項目為新建高速公路，主線路基寬26 m，各組成部分為：中間帶3.5 m(左右側(cè)路緣帶為2×0.75 m，中央分隔帶2.0 m)，行車道為2×2×3.75 m，硬路肩為2×3.0 m(含右側(cè)路緣帶0.5m)，土路肩為2×0.75 m。

廊道設(shè)計就是道路橫斷面設(shè)計。因軟件提供的橫斷面模板庫與實際工程需要的模板并不相符，因此，利用軟件自帶的構(gòu)件庫，按照路基標準橫斷面分別設(shè)計面層和基層及邊坡等組件，將各個組件拼接起來，創(chuàng)建符合工程需求的橫斷面模板。具體步驟如下：

1) 選擇簡單組件。簡單組件是特定形狀的面，可以作為路基和路面中的每一層，根據(jù)主線路基橫斷面圖設(shè)置每一層的橫坡、寬度、層厚、材質(zhì)。將每一個組件拼接起來，完成路基路面模板的設(shè)計，如圖4所示。

2) 設(shè)置末端條件。在OpenRoads Designer中，末端條件可用來設(shè)置邊坡和土路肩。以填方路基為例，在該項目中存在多種邊坡坡率，當邊坡高度不同時，邊坡坡率也不同。因此，需創(chuàng)建多個邊坡模板并將其拼裝到組合邊坡文件下，如圖5所示。再將組合邊坡拖到路基路面模板文件夾下拼裝。由于每種坡率執(zhí)行的先后順序不同，因此要設(shè)置執(zhí)行情況的優(yōu)先級，優(yōu)先級越小，越先被執(zhí)行。系統(tǒng)提供了邊坡優(yōu)先級測試功能，模擬邊坡開挖，檢測邊坡設(shè)計是否正確。

3) 將末端條件和簡單組件組合起來；在面層添加“空點”，對“空點”添加約束條件和特征定義完成道路標線的設(shè)計；在路面邊緣處添加“護欄”的特征定義完成護欄的設(shè)計。形成道路橫斷面模板。橫斷面模板保存在itl文件中，將itl文件添加到模板庫管理器，可實現(xiàn)多人調(diào)用。

4) 在一條路線中有多種橫斷面形式時，用同樣的步驟建立多種橫斷面模板，通過起終點樁號來設(shè)置不同路段上的橫斷面模板。為了使道路平滑連接，在不同橫斷面模板交界處為道路設(shè)計漸變加寬。選擇局部路段漸變偏移命令，將道路中線分別在道路兩側(cè)進行起終點偏移，作為偏移定位線；通過創(chuàng)建點控制命令，將需要漸變加寬的廊道按照定位線進行漸變加寬。

5) 通過項目路線、起終點里程將橫斷面模板應用到路線之后，根據(jù)項目要求在曲線處設(shè)置加寬和超高，并且可以通過動態(tài)截面功能查看任意處的超高情況以及填挖方量等。

6) 在上述所有工作完成之后，打開三維視圖，檢查廊道設(shè)計情況，若有地形覆蓋在廊道之上，說明此路段屬于挖方路段，通過創(chuàng)建剪切地形模型的方法，修改該路段地形模型，使廊道清晰地顯示在地形之上，如圖6所示。

7) 將橫斷面模板應用到路線上并修改完成后，對路基、路面、填挖方量等工程量以及總價進行估算。在OpenRoads Designer中定制橫斷面模板時，已經(jīng)對表示路面、路基、邊坡的各個組件進行了材質(zhì)和尺寸的定義，如：瀝青面層，水穩(wěn)基層等[12]，通過修改單位成本，自動計算各部分造價以及總造價。

圖4 主線路基路面模板

圖5 組合邊坡模板

圖6 三維橫斷面

4 道路總體模型拼裝

隧道和橋梁設(shè)計也是道路工程設(shè)計中的重要組成部分。OpenRoads Designer中不僅提供了隧道橫斷面模板，也可以根據(jù)需求自主創(chuàng)建橫斷面[13]。橋梁設(shè)計需要用到OpenBridge Modeler軟件，Bentley公司還開發(fā)了ProStructures軟件進行配筋的設(shè)計[14]。在平、縱、橫設(shè)計完成之后，將隧道按照樁號布設(shè)到路線上，并將提前設(shè)計好的橋梁模型通過參考的方式拼裝到路線上進行匯總，檢查路、橋、隧等各專業(yè)間的銜接，再次對設(shè)計進行復核，見圖7。

圖7 總裝模型

5 結(jié)語

本文運用OpenRoads Designer軟件，結(jié)合實際工程探索了路線設(shè)計三維建模技術(shù)與方法。從數(shù)字地形模型的創(chuàng)建、修改與編輯、道路平縱線形設(shè)計與建模、廊道模板的設(shè)計與建模、標線和護欄的設(shè)計、工程量及造價的估算及模型總裝出發(fā)，展示了道路三維設(shè)計建模的成果，總結(jié)了設(shè)計過程的方法、步驟和關(guān)鍵技術(shù)。針對道路選線設(shè)計，運用Bentley系列軟件進行三維設(shè)計的優(yōu)勢在于：①可直觀地對路線進行線形設(shè)計，實現(xiàn)平縱橫聯(lián)動設(shè)計，快速完成方案比選以及工程量的統(tǒng)計；②數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一，兼容性強，確保了各專業(yè)間數(shù)據(jù)互通；③充分發(fā)揮了BIM的可視化、二維和三維設(shè)計實時聯(lián)動修改的優(yōu)勢，減少了錯誤和疏漏，提升了工作效率和智能化程度。該設(shè)計方法為三維數(shù)字化路線設(shè)計建模積累了經(jīng)驗，同時可為三維路線建模方法提供參考。