基于BIM 技術(shù)的公路線形三維可視化設(shè)計

潘 越，朱 福，齊振國

（1.吉林建筑大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130118；2.同豪土木有限責(zé)任公司，上海 200000）

引言

根據(jù)國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)，2020 年我國道路交通事故萬車死亡人數(shù)1.66 人，因交通安全問題造成的人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失仍居高不下。研究表明，除部分事故是由于駕駛員行駛不當(dāng)、車輛存在安全隱患、不良天氣等外部原因?qū)е峦猓?］，絕大部分是由于危險的行駛條件導(dǎo)致，而危險的行駛條件往往與不當(dāng)?shù)木€形條件有關(guān)。

在傳統(tǒng)二維設(shè)計背景下，公路線形平面、縱斷面及橫斷面設(shè)計一般均能滿足規(guī)范要求；但公路線形是空間三維的帶狀體，在疊加組合后，公路線形變成三維空間路徑，線形設(shè)計在部分路段無法實現(xiàn)平面線形與縱橫斷面的動態(tài)結(jié)合［2］，在二維設(shè)計下曲率連續(xù)的線形并不能保證其三維空間曲率的連續(xù)性，部分路段存在三維空間曲率連續(xù)性的衰減現(xiàn)象［3］。

1 公路工程設(shè)計BIM 系統(tǒng)的特點

1.1 路線三維可視化建模

目前主流的公路工程項目設(shè)計方案主要采用二維設(shè)計，在設(shè)計過程中，設(shè)計人員將二維平面與縱斷面分開設(shè)計，設(shè)計完成后根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查、公路沿線影響因素對設(shè)計方案進(jìn)行調(diào)整改進(jìn)。在該過程中，二維設(shè)計不僅孤立地將平面線形與縱斷面線形分開進(jìn)行設(shè)計，導(dǎo)致安全隱患；而且在設(shè)計過程中，由于二維設(shè)計不能直觀地展現(xiàn)表達(dá)周圍環(huán)境，在后期對路線的修改過程需進(jìn)行多方溝通，耗費大量的時間與精力。公路工程設(shè)計BIM 系統(tǒng)等三維可視化軟件的出現(xiàn)有效地解決了上述問題，通過三維設(shè)計將平面設(shè)計與縱斷面設(shè)計結(jié)合起來，保證了公路曲線的基本變量曲率、撓率的連續(xù)性，并采取航拍影像、實地勘測等所得數(shù)據(jù)，建立數(shù)字高程模型（DEM），并根據(jù)數(shù)字高程模型建立數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)集（DOM）［4-5］，生成三維地形模型，直觀、立體地反映項目整體與周邊環(huán)境的關(guān)系［6］，見圖1。

圖1 路線模型與周邊關(guān)系

1.2 路線方案比選

公路工程屬于政府投資的交通基礎(chǔ)設(shè)施項目，其可行性研究報告是決定項目能否立項的重要因素。報告中的周邊社會現(xiàn)狀及發(fā)展預(yù)測、長期經(jīng)濟(jì)發(fā)展與交通量預(yù)測、建設(shè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及當(dāng)?shù)氐匦苇h(huán)境條件等內(nèi)容將決定項目設(shè)計方案，并由政府召集建設(shè)、規(guī)劃、環(huán)境、國土、水利、財務(wù)等部門對多方案進(jìn)行可行性探討，最終做出決策［7］。

在設(shè)計及最終決策階段，由于設(shè)計部門及從業(yè)人員較多，所涉及相關(guān)專業(yè)跨度大，關(guān)注重點各不相同；專業(yè)性強(qiáng)，溝通交流難度較大；耗資巨大，時間跨度較長，涉及因素多，不確性大，調(diào)整范圍廣導(dǎo)致公路路線設(shè)計在最終確定前會由于各種原因進(jìn)行修改。為有效推進(jìn)設(shè)計進(jìn)程，利用公路工程設(shè)計BIM 系統(tǒng)，通過創(chuàng)建公路三維信息模型比選。項目建設(shè)各參與方及相關(guān)技術(shù)專家可以通過方案比選，更直觀地看到沿線各種建設(shè)條件、地形因素、建設(shè)方案及建成后的效果，加快方案比選論證過程，選定最優(yōu)方案。

1.3 自動出圖

作為傳統(tǒng)設(shè)計方式，CAD 主要以圖紙的形式進(jìn)行展示，通過二維設(shè)計圖紙，并不能完整的表達(dá)設(shè)計想法，容易產(chǎn)生疏忽與漏洞，施工人員若不能正確、完整讀懂設(shè)計意圖，將影響整體工程質(zhì)量；若是當(dāng)設(shè)計方案因故需要修改時，基于CAD 的二維圖紙修改，工作量較大［8］。

自動出圖是 BIM 技術(shù)的核心價值之一。在公路工程設(shè)計BIM 系統(tǒng)中，三維模型與圖紙具有實時性、關(guān)聯(lián)性，完成公路路線三維建模后，就可以直接由三維模型生成路線平面圖、縱斷面圖、橫斷面以及直線曲線及轉(zhuǎn)角表、土方數(shù)量表、主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)表等，從而實現(xiàn)圖紙繪制的自動化、便捷化。

2 公路線形三維可視化設(shè)計

2.1 三維數(shù)字地面模型創(chuàng)建

公路是空間三維的帶狀體，公路線形設(shè)計目的在于確定公路的三維空間位置。常用的公路線形設(shè)計將空間幾何轉(zhuǎn)向二維設(shè)計，將平縱斷面分開進(jìn)行設(shè)計，導(dǎo)致一系列安全隱患?；贐IM 的三維可視化設(shè)計，提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和計算分析能力，幫助從業(yè)人員通過實地勘測所得的相關(guān)三維數(shù)據(jù)通過整合處理，以3D 形式儲存于3D 格式中。

在公路工程設(shè)計BIM 系統(tǒng)中，利用 DWG 地形圖作為地形源數(shù)據(jù)，首先在公路工程設(shè)計BIM 系統(tǒng)界面中建立一個新工程；其次將DWG 地形圖導(dǎo)入軟件，在構(gòu)建地模中，分別添加DWG 地形圖中的等高線、高程點、輪廓邊界數(shù)據(jù)，創(chuàng)建完的地形模型見圖2。該三維地模是建立公路 BIM 模型的載體，其中包含了三維坐標(biāo)地形等信息，不再是 AutoCAD 的圖形對象［9］。

圖2 三維數(shù)字地面模型

2.2 平縱線形設(shè)計

在創(chuàng)建完成三維地形模型基礎(chǔ)上，采用導(dǎo)線法及線元法相結(jié)合的方式，進(jìn)行三維公路線形設(shè)計。公路工程設(shè)計BIM 系統(tǒng)不同于其他BIM 技術(shù)在于實現(xiàn)了平面設(shè)計及縱斷面設(shè)計的實時同步，對設(shè)計階段進(jìn)行了改良，見圖3。

在平面設(shè)計階段，對相關(guān)控制點進(jìn)行選取，并根據(jù)三維地形圖，輸入緩和曲線、直線、圓曲線等公路路線相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置［10］。在二維設(shè)計中，平面線形與橫縱斷面線形均是孤立存在。而在公路工程設(shè)計BIM 系統(tǒng)中，由于BIM 技術(shù)能夠?qū)崟r更新三維線形的特點且軟件提供平縱設(shè)計實時同步的功能，便能以平面線形為依據(jù)，進(jìn)行縱斷面線形設(shè)計，對其縱斷面線形走勢進(jìn)行調(diào)整，使其滿足公路工程設(shè)計相關(guān)規(guī)范；在此基礎(chǔ)上，可以進(jìn)行橋梁、隧道、涵洞等構(gòu)造物設(shè)計，進(jìn)一步對公路線形設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，軟件根據(jù)相關(guān)參數(shù)自動生成公路線形。

2.3 路基橫斷面設(shè)計

路基設(shè)計是公路工程設(shè)計中非常重要的一個環(huán)節(jié)。在以往的路基設(shè)計中，主要根據(jù)路線、地形圖、地勘資料等進(jìn)行路基橫斷面設(shè)計，再根據(jù)路基橫斷面對邊坡、防護(hù)、支擋、排水、土石方等路基相關(guān)專業(yè)進(jìn)行設(shè)計。同時，由于路基牽涉專業(yè)較多，且不同專業(yè)的設(shè)計會對路基橫斷面設(shè)計造成影響，需要設(shè)計人員反復(fù)迭代設(shè)計，加大了項目的成本。

在傳統(tǒng)的路基橫斷面設(shè)計流程中，不同的路基專業(yè)設(shè)計，需使用不同的工程軟件進(jìn)行設(shè)計；同時由于路基工程的“靈活性”，時常有許多設(shè)計結(jié)果不能通過軟件設(shè)計完成，有些專業(yè)甚至需要設(shè)計人員手工進(jìn)行繪圖計算。而現(xiàn)階段并沒有一套完整的路基設(shè)計解決方案，這就導(dǎo)致路基設(shè)計結(jié)果不夠嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致，同時設(shè)計過程中也存在難以協(xié)同、效率低下等問題。

傳統(tǒng)的路基設(shè)計是基于二維圖形的設(shè)計過程，這就導(dǎo)致在設(shè)計過程中存在一系列的設(shè)計盲點，如橫斷面樁號之間若存在特殊構(gòu)造物或是特殊地形，即使加密橫斷面樁號，也不能完整地表達(dá)構(gòu)造物、地形、地貌等信息。換句話說，傳統(tǒng)設(shè)計中的橫斷面設(shè)計結(jié)果并不是一個連續(xù)的結(jié)果。

公路工程設(shè)計BIM 系統(tǒng)針對傳統(tǒng)路基設(shè)計流程中的問題與弊端，結(jié)合GIS、BIM 和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提供了一套全流程、專業(yè)化、數(shù)字化、智能化的路基設(shè)計解決方案，見圖4。

圖4 路基橫斷面設(shè)計

3 結(jié)語

（1）對傳統(tǒng)二維設(shè)計的技術(shù)難點進(jìn)行了探討，對BIM 技術(shù)的相關(guān)技術(shù)特點進(jìn)行了研究，基于公路工程設(shè)計BIM 系統(tǒng)軟件，結(jié)合DEM 與DOM 所建立的三維數(shù)字地面模型，實現(xiàn)了公路線形平縱線形設(shè)計與路基橫斷面設(shè)計，有效解決了傳統(tǒng)二維設(shè)計中平縱斷面無法動態(tài)結(jié)合的問題。（2）基于公路工程設(shè)計BIM 系統(tǒng)軟件，對BIM 技術(shù)在公路線形設(shè)計上的相關(guān)功能，如路線三維可視化建模、路線方案比選、自動出圖進(jìn)行了研究，提出基于該系統(tǒng)的公路線形三維可視化設(shè)計技術(shù)方案。