基于OpenRoads技術的道路三維設計方法研究

蔣藝

（中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，長沙 410014）

基于OpenRoads技術的道路三維設計方法研究

蔣藝

（中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，長沙 410014）

論文以蟠龍1號路為例，采用基于OpenRoads技術的道路三維設計方法，對道路三維設計流程及建模中橫斷面定制過程和技巧進行了研究，實現(xiàn)了基于OpenRoads技術設計地形的融合。結果表明，該方法從設計角度出發(fā)，通過三維立體空間直觀地對道路進行線性設計，體現(xiàn)完整的設計意圖，快速完成方案比選，出圖和工程量統(tǒng)計，為項目決策提供可靠依據(jù)。對推廣BIM技術在道路設計中的廣泛應用具有重要意義。

OpenRoads技術；模型構建；道路三維設計；BIM技術

1 引言

近幾十年來，我國交通業(yè)實現(xiàn)了跨越式的發(fā)展，給社會帶來巨大效益的同時也給道路設計、施工、管理和養(yǎng)護技術等提出了更高的要求。

本文基于OpenRoads技術，以蟠龍抽水蓄能電站1號路為例，介紹該技術道路三維設計方法的流程及建模過程中橫斷面定制過程和技巧。以期給設計、決策者直觀的三維立體展示，為道路選線、空間幾何線性評價、行車安全評估和橋、隧、站位選擇等提供決策依據(jù)，并推廣BIM技術在道路三維設計中的廣泛應用。

2 工程概況

蟠龍1號路工程區(qū)總體地貌為低中山地貌，沿線經(jīng)過地段地形陡峻，山峰聳立，山梁與沖溝相間分布，溝谷發(fā)育且狹窄深邃，局部地段高差相差很大。受順坡向結構面控制形成的數(shù)米至數(shù)十米的懸崖絕壁遍布其間。路線全長約2.801km，公路等級為Ⅲ級專用公路，設計速度為30km/h，全線共設橋梁1座，隧道1座，具體見圖1、圖2。

圖1 k0+160段地形線路明線段地形

圖2 下庫左壩頭至1號隧洞進口地形

3 OpenRoads技術道路三維設計

3.1 數(shù)字地面模型構建

數(shù)據(jù)端復雜和數(shù)據(jù)量龐大的數(shù)字地面模型（digital terrain models，DTM）是道路三維設計的基礎和關鍵。數(shù)字地面模型構建主要途徑有兩個：規(guī)則格網(wǎng)和不規(guī)則三角網(wǎng)。規(guī)則格網(wǎng)是用規(guī)則排列的正方形、矩形網(wǎng)格來表示地形表面。不規(guī)則三角網(wǎng)是通過從不規(guī)則分布的數(shù)據(jù)點生成的連續(xù)三角網(wǎng)來逼近地形。在數(shù)字地面模型構建的研究方向，國內(nèi)一些專家學者開展了涉及地形數(shù)據(jù)處理，構網(wǎng)邊界處理、構網(wǎng)方法優(yōu)化，地面與模型融合構建等一系列卓有成效的研究。OpenRoads技術主要采用在地形擬合方面表現(xiàn)最出色的狄洛尼三角網(wǎng)構建原理，能讀取機載激光雷達獲取的點云數(shù)據(jù)和多種存儲地形數(shù)據(jù)的文件，如.dat、. tin、.xml文件，并易于對原始數(shù)據(jù)進行檢查和修正處理，根據(jù)需要對地形進行剪切和融合。本文通過圖形過濾器從測繪數(shù)據(jù)中提取等高線和高程點，導入軟件構成三角網(wǎng)，對錯誤地形點進行修正，導出成.dat或.tin格式，供蟠龍項目各專業(yè)使用。交通專業(yè)從導入的樞紐地形中剪切出蟠龍1號路所需地形，可降低對硬件設備的要求，提高運行速度。通過數(shù)字地面模型可快捷地讀取三維空間點（Y，Y，Z），剖切任意位置地形和直觀查看三維顯示地形，輔助路線進行高效設計。圖3是通過線框模式顯示三角構網(wǎng)，圖4是使用光滑模式顯示逼真的原始地形。

3．2 道路三維設計流程

道路是一種在設計原則上要求平面、縱斷面及橫斷面綜合設計的空間帶狀構造物。建模分為地形建模、路基路面建模（如平面選線，縱斷面拉坡，橫斷面定制等），構造物建模（如橋梁涵洞、隧道等）和附屬設施建模（如標志標線、里程樁百米樁、照明設施等）等。圖5是道路三維設計的流程，不同的設計部位使用不同的設計模塊,存放在不同的文件中。蟠龍1號路在進行三維設計前，規(guī)劃 6個獨立的設計文件，如圖5中數(shù)字所示，其中，橫斷面模板定制保存在軟件Workspace的配置文件中。各設計成果通過“參考”建立關聯(lián)關系。“參考”是一種可讀被參考文件數(shù)據(jù)信息，而不對文件產(chǎn)生實質(zhì)影響的功能。

圖5 道路三維設計流程

圖3 三角網(wǎng)顯示

圖4 擬地形顯示

圖6 平面線形設計界面

結合流程圖可以看出，蟠龍1號路三維建模主要包括路基路面、隧道和涵洞建模，平面選線是道路設計的基礎。道路中心線是先參考“3.1數(shù)字地面模型構建”，并激活，再根據(jù)地形給平面線形增加縱斷面設計高程信息。PowerCivilfor China具有強大的平面線性和縱斷面線性設計功能，在指定的設計規(guī)范內(nèi)，緩和曲線、直線和圓曲線間能以任意形式銜接，并智能地將設計時斷裂的線無縫連接成一條中心線，或者以工程文件形式導入RoadMaster、Weidi、EICAD和IDS的平、縱設計數(shù)據(jù)。本文主要使用交點法進行平、縱線性設計，參數(shù)化設置數(shù)據(jù)，二三維視圖聯(lián)動修改，如圖6所示，藍色數(shù)字可直接修改聯(lián)動；激活平面線，選擇一個視圖窗口，顯示激活的縱斷面，兩窗口交互更新，如圖7所示，其中，黑色的表示平面線中的直線，青色是圓曲線，紫色是緩和曲線。

在流程圖5中，緊接著道路中心線設計的是橫斷面模板定制。橫斷面是由組件、末端條件組成的模板文件，采用“搭積木”方法，從構件庫中選出合適的組件和末端條件，組成需要的橫斷面模板。其中，末端條件是能自動與地形相交的線，一般設計邊坡使用此特性；組件是畫出來的特定形狀的面，是不隨地形變化的常量。創(chuàng)建組件和末端條件時可選擇材質(zhì)屬性，如邊坡植草，填土填石的路基，混凝土路面、瀝青路面等。建立路廊模型遵循一定規(guī)則的路基路面和隧道橫斷面，以設計樁號控制，沿設計中心線放樣，橫斷面各特征點相對于路面中心點的平距和高差與地形數(shù)據(jù)相交，形成道路斷面特征點數(shù)據(jù)。綜上所述，進行高效率道路三維設計最理想的方法是定制一個包含各種設計情況的橫斷面，沿路中心線放樣與地形相交，挖、填方，擋土墻，電纜溝和邊坡等設計處處符合要求。但實際情況并不是這樣的，在現(xiàn)有顯示規(guī)則控制下，暫無法實現(xiàn)一個項目對應一個通用模板建立路廊模型，而不對其加以修改的高效建模方法。

根據(jù)蟠龍1號路地形地質(zhì)情況，沿線需要設置大量擋土墻保證邊坡安全。靠山側（左邊）是普通邊溝與路塹墻挖方兩種和普通填方，共3種模板；沿河側（右邊）是保證其襟邊距離及埋置深度符合規(guī)范要求的路肩墻（12種）與路堤墻（8種）填方兩種和普通填、挖方，共4種模板。設計的邊坡不是嚴格遵循某一從陡到緩的規(guī)律去地面相交，而是根據(jù)地質(zhì)條件好壞人為進行調(diào)整。這就難以定制一個通用的橫斷面模板來解決問題。本文采用的橫斷面模板定制思路是先建立分部組件和末端條件，拼裝成符合設計的左、右兩邊模板，兩半邊模板自由組合成一個完整路基路面模板。而不同尺寸的擋土墻，在同一個模板中根據(jù)規(guī)則顯示是技術難點。如圖8所示，以路肩墻為例，不構建一根坡比與填方設計坡比一樣的末端條件，以末端條件兩點間垂直距離范圍制定顯示規(guī)則，利用邏輯關系“是、與、非”控制構件12種不同尺寸路肩墻的顯示。不構建是指末端條件作為輔助線，對地形的影響。

除此之外，還可根據(jù)水平距離、坡度和已顯示組件制定顯示規(guī)則，已顯示組件可制定左邊路塹墻/邊溝在地面相交出現(xiàn)填方邊坡時不出現(xiàn)，左邊挖方邊坡可與路塹墻/邊溝建立“父、子組件”關系，在父組件邊溝出現(xiàn)的情況下出現(xiàn)。與此同時，嘗試在設置邊坡時采用“標簽”給邊坡間平臺兩點以距離（角度）控制出現(xiàn)挖方坡比，可基本滿足設計要求。如圖9所示，蟠龍1號路的路基路面組件和設計邊坡組成多種路面路基橫斷面模板。

圖7 縱斷面線形設計界面

圖8 組件顯示規(guī)則界面

圖9 橫斷面模板定制圖

模板定制好后，使用最普通的模板（無擋土墻）沿設計中心線放樣，在橫斷面管理器中根據(jù)樁號將擋土墻模板代替普通模板，實時更新模型顯示。“點控制”可選取路面向外凸出的輔助線，做成臨時停車處或匝道。設定路基路面加寬和超高使設計更符合現(xiàn)實要求。圖10是橫斷面模板沿中心線放樣時，末端條件無法與數(shù)字地面模型相交形成邊坡的情形。左圖是路基路面模型，能清楚地看到構件的材質(zhì)，右圖是道路與隧道相接段模型。

繼路基路面、隧道模型建立后，是橋梁和附屬結構建模。橋梁建模是調(diào)用自帶橋梁元件庫，選定橋梁結構類型、橋梁屬性、設定橋梁跨徑等參數(shù)，沿設計中心線放樣，能順暢地與路面銜接，實現(xiàn)橋梁的參數(shù)化設計。附屬結構在Microstation平臺中使用長方體、球體、圓錐體等輸入?yún)?shù)化數(shù)據(jù)生成實體模型，或應用線生成面，面拉伸成體、面沿路徑放樣成不規(guī)則實體的簡單、快捷的建模方式。異形體能通過面對體的剪切，體之間的布爾加、減形成。在設計過程中，ACS坐標設置成臨時相對坐標系并鎖定，避免繪圖出現(xiàn)錯誤，提高繪圖效率。

圖10 橫斷面模型（無地形情況）

圖11 道路整體三維設計模型

道路三維設計整體模型是通過參考將流程圖中的前5個文件組裝在第6個文件（新空白文件）中展示。如圖11左是地形、橋梁和道路模型組裝顯示，圖11右是模擬車輛行駛路面。設計時，創(chuàng)建的2D文件能自動參考本文件3D Model顯示，并進行聯(lián)動修改。獨立文件通過參考互相使用，實時減少缺、漏、碰情況，優(yōu)化設計。模型成果可快速進行工程量統(tǒng)計、二維出圖、模擬行駛、施工仿真，為工程全生命周期管理提供有效數(shù)據(jù)。

4 OpenRoads技術地形融合

基于OpenRoads技術研發(fā)了交通系統(tǒng)不同方向的專業(yè)軟件。作者使用較多的是Geopak場平開挖軟件和Powercivil for China 道路設計軟件，蟠龍抽水蓄能電站整個樞紐區(qū)模型總裝是基于壩基開挖、水道進水口開挖和道路開挖的總地形面完成的。不同專業(yè)的開挖成果需要進行地形融合。壩工和水道專業(yè)使用Geopak，能完美融合。Geopak雖與道路開挖面的融合原理都是使用狄洛尼（Delaunay）三角網(wǎng)構建，實現(xiàn)的過程卻不易。Geopak的開挖屬性是存儲在單獨的.gsf文件中，單純地將其參考進道路文件中，只顯示無開挖屬性的線，對開挖前地形沒有實質(zhì)性影響。多次嘗試后，得出能單向將Geopak中開挖好的Model導出為.dat文件，在PowerCivil中將地形融合（合并、附加），導出成開挖面，如圖12箭頭所示，A為引水壓力管虛擬開挖面，是大平臺的場地開挖，B是蟠龍1號路開挖面。

圖12 OpenRoads技術地形融合成果

5 結語

本文依托蟠龍1號路工程，基于OpenRoads技術，實現(xiàn)了該技術設計地形的融合。得到了如下主要結論：

（1）該方法可將道路設計理念和成果由二維圖紙轉換為三維立體空間，能直觀地對道路進行線性設計，快速完成方案比選，出圖和工程量統(tǒng)計。

（2）該方法中，定制好的橫斷面模板能高效建立模型，參數(shù)化的聯(lián)動修改，實時查看，減少了設計過程中的碰、漏、缺等問題。

（3）道路三維設計不局限于使用虛擬仿真技術呈現(xiàn)整個設計成果，真正變更設計手段，使用三維設計方法，提取設計、施工過程數(shù)據(jù)與成果模型集成，進行項目“PEPCTO”模式的全生命周期管理是未來發(fā)展的趨勢。

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