三維建模技術在復雜地形中總圖設計的應用

摘 要：本文總結了筆者通過應用建筑信息模型（BIM）系列土木工程軟件Autodesk Civil 3D在復雜地形工業項目的總圖設計的經驗。對比傳統面向過程的二維總圖設計，表現出的運算精確性、對象可視化、用戶的友好性以及面對大型項目表現出的可靠性使總圖設計有了長足的進步。

關鍵詞：Civil 3D;三維總圖設計;道路設計;放坡設計

1 概述

隨著工程建設領域的市場競爭日益激烈，對工程設計行業的要求越來越高，客戶對設計服務行業也提出了多樣化的要求。面對新的需求形勢，工程設計行業也必須提升自身的服務水平來應對新的挑戰，總圖專業的工作內容也要有所變革來迎接這些挑戰。

BIM是建筑信息模型技術，是一種應用于工程設計、建造、管理的數據化工具，是用來形容以三維圖形為主、物件導向、建筑學有關的電腦輔助設計。BIM技術的應用，可能有效的提高工作效率，降低成本，縮短工程周期，實現利益最大化。BIM技術具有可視化、協調性、模擬性優化性以及可出圖性五個重要特點，同時它也是一套管理方法，是基于建筑設計、施工管理、項目協同、運維等為一體的全生命周期的管理方法，更能夠讓建筑節給能耗，減少污染等達到綠色節能的手段。

傳統的總圖設計工作是面向過程的一種單向的過程，設計師在開始設計前需要在充分收集有關項目的信息，加入各專業相關條件后形成完整的總圖專業設計成果，過程中如果有相關專業及業主等方面的變更將意味著部分前序工作的重新設計，將產生繁重的重復設計內容，尤其是當項目規模較大時更是如此。這種設計模式面對多任務、大規模、快速反應等要求的新形勢時顯得力不從心。順應這一要求，面向對象的三維總圖設計應運而生。

三維總圖設計本身具有高度的實時動態性、豐富的信息量、成果可視性、設計過程智能化，再加上大量的設計工具輔助，使總圖設計師帶來了可以更精確更快捷地完成工程項目從方案到施工圖的各類設計工作，不但縮短設計周期，而且通過組合各類信息呈現的各種表格、圖表、模型等來表現設計成果，給人們帶來冏異于二維總圖的體驗。

2 三維總圖設計的概念、任務

三維總圖設計，即運用各類設計輸入資料建立各類型三維對象模型，并賦予對象多種附屬信息的基礎上，通過對這些對象和信息進行組合加工，生成工程項目需要的各類圖形、表格、運算結果。

整個三維總圖設計的過程要充分利用傳統總圖設計的原理、經驗及技術等。在設計過程中，由于三維模型的特性及各種軟件工具的輔助，使總圖設計內容中的平面布置、豎向布置、道路系統設計、綜合管網設計、綠化設計、土方施工圖設計等減少了很多簡單重復工作，計算部分更另精確，增加了大量分析統計的工具，如地形坡度分析、降雨強度分析、匯水區域分析及各種三維模型預覽。

三維總圖任務的核心是各種三維模型的應用。它們的創建、加工、關聯等過程的質量決定了總圖設計成果的優劣。對三維模型精確刻劃，準確賦與多種參數值，部分模型還需要詳細定制運行規則，這些工作直接影響到三維總圖動態性、關聯性、易于編輯的特性的表現。基于三維模型的各種數據提取，各種數據的關聯組合后的多樣性展現則是更高層次上的綜合運用。

3 Civil 3D在總圖設計中的主要內容

本文就Civil 3D在復雜地形總圖設計中常用的兩個主要內容加以闡述，即：復雜地形道路設計、放坡設計。

3.1 復雜地形道路設計

復雜地形項目總圖設計特點在于地形起伏大，整個廠區形成多個不同標高平臺，各平臺之間由不同坡度的道路連接，同時還需要考慮道路轉彎半徑與交叉口帶來的影響，以及為廠區內管道、電氣、自控及給排水等系統工程預留用地。相較于單一坡度平整場地，復雜地形的道路路網設計在總圖設計中顯得尤為重要。

在復雜地形場地內，道路路網需要依據原始地形的標高變化，使各平臺的銜接盡量便捷流暢，距離盡可能縮短，道路坡度平緩，起伏變化少，用以實現溝通互聯，節能降耗。這種原始場與精細平整過的場地差別較大，路基土石方挖填、土石方平衡、道路路床平整與自然地面的處理、道路附屬設施設計都比常規場地道路路網設計復雜，工作量更大。特別廠區間用長距離廠外道路銜接的礦山類項目更是如此。面對市場和客戶提出的快節奏、高精準度和頻繁變更反應更及時等的要求時，傳統總圖設計則有力不從心的感覺。BIM技術在三維模型的基礎上加入了裝配這類三維實體工具，很好的解決了這一挑戰。

裝配是包含道路面層、基層、墊層、路基、附屬排水溝、護坡等內容的一個標準橫斷面。每個所含內容的參數都可以訂制，其中護坡創造性地引入智能化的特性，可以根據護坡連接的原始地面標高自動生成填挖的效果和三維實體，即：當道路外側地形標高高于道路放坡坡面，自動產生開挖效果，生成開挖三維實體;當道路外側地形標高低于道路放坡坡面，自動產生回填效果，并生成回填三維實體。裝配應用的最大特色是能與地形緊密貼合，自動選擇相應的部件構建三維道路實體，與其他實體組合生成各類圖表，如道路實體模型與地形實體模型組合可以生成包含全線路的各點的填挖高度、道路路面標高和原始地面標高等信息的縱斷面圖，可以生成各樁號點的橫斷面圖，可以生成各部件工程量匯總表格。另外三維道路實體模型還具有實時動態的特性，當改變路網中某點路面中心標高，模型會連動地根據改動后的數據生成相關聯道路坡度、坡向、標高，并體現在三維實體模型和與模型相關聯的圖表上。這一特性的應用讓設計變更不再是設計人員的煩惱，設計師只需要付出相較以往極低的時間人力成本就可以滿足工程各方提出的變更要求。

這些概念的加入總圖設計使設計人員的工作量大大降低，設計成果的準確性極大地提升。三維實體的輔助也讓設計人員與工程參展各方的溝通更加準確順暢。

3.2 放坡設計

復雜地形的放坡設計是總圖設計中一項目重要內容。在放坡設計中，由于原始地形的不可預計，給放坡設計帶來很多不可預計的困難。設計人員很難設計出貼合原始地形而又有準確工程計算出工程量。

在三維模型的輔助下，通過定制各類運行規則，不但能完美再現設計人員的設計實體，還能對不同方案類比時給出精確的工程量對比。在公路邊坡設計中，面對各樁號路面的往外延伸地面點的標高時，有的路段高于路面，需要挖方，有的路段低于路面，需要填方，如果線路較長時，傳統設計模式是需要逐漸樁號分別處理，這樣的工作量是較繁重的。通過定制智能化的邊坡部件，可以由軟件自動識別地形特征，根據識別結果采取相應的邊坡形式，帶來高效準確的便利。

在設計一般邊坡時，我們可以四種目標類型的規則來放坡：絕對高程;相對高程;向外距離;延伸到自然地面。絕對高程是指放坡到某一絕對高程水平面，相對高程是指放坡起止點本身的高程一定，向外距離是指按照某一特定的坡度和水平距離來確定放坡的形式，延伸到自然地面是指面對已有的自然地形模型，放坡從某特定的起點開始，按照特定的坡度延伸到地形曲面，得到貼合地面的放坡實體。

按照以上規則設計放坡時，設計的放坡最后都會生成一個與地形分離的曲面，把放坡曲面與地形曲面對照，在特定的邊界范圍內得到的實體就是放坡工程的填挖工程量。由此我們可以從這些三維模型中提取我們感興趣的各種信息，來為我們的項目服務。

4 結束語

BIM技術是目前較為流行的工程行業新技術，應用前景也十分廣闊，各個工程公司也不遺余力地推進BIM技術在工程行業的應用。總圖專業如果抓住機遇，路上時代的潮流，會帶來設計工作的極大便利，也使設計產出面向更智能更高效的方向發展。

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作者簡介：

孫龍（1985- ），男，漢族，湖南澧縣人，總圖工程師。