自動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)在路堤強(qiáng)夯處治中的應(yīng)用

崔 強(qiáng) 鐘 杰 肖 彬 張炳楠 梁賢煒 郭 棟

(林同棪國(guó)際工程咨詢(xún)(中國(guó))有限公司，重慶 401121)

引言

建筑信息模型(BIM)技術(shù)在基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域迎來(lái)了大量的推廣和應(yīng)用，三維正向設(shè)計(jì)是一大關(guān)注熱點(diǎn)[1-2]。

當(dāng)前三維正向設(shè)計(jì)在公路及城市道路行業(yè)中主要聚焦于如何完成線路平面、縱斷面以及橫斷面的總體設(shè)計(jì)，強(qiáng)大的軟件技術(shù)已經(jīng)為此提供了較為成熟的解決方案[3-6]。路基設(shè)計(jì)方面，雖然已有成熟的分析和設(shè)計(jì)理論，但由于地質(zhì)條件復(fù)雜多變、項(xiàng)目實(shí)際情況差異較大等因素，當(dāng)前尚無(wú)高效可靠的三維設(shè)計(jì)手段[7-8]。設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行路基設(shè)計(jì)時(shí)仍然只有采用傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)方法來(lái)對(duì)路基細(xì)部進(jìn)行設(shè)計(jì)和算量，嚴(yán)重影響了設(shè)計(jì)品質(zhì)和工作效率。道路三維正向設(shè)計(jì)尚未打通路基設(shè)計(jì)這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

Dynamo等參數(shù)化設(shè)計(jì)工具便于對(duì)離散實(shí)體構(gòu)件進(jìn)行批量自動(dòng)化操作，且具有可動(dòng)態(tài)調(diào)整的優(yōu)點(diǎn)[9]； 對(duì)于需要進(jìn)行特殊處理的零星路基，亦可以理解為在道路三維空間內(nèi)離散分布的不規(guī)則構(gòu)造物。因此在現(xiàn)有軟件技術(shù)層面，路基的參數(shù)化自動(dòng)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)。本文以重慶兩江協(xié)同創(chuàng)新區(qū)環(huán)湖路二期項(xiàng)目為例，基于Dynamo for Civil 3D對(duì)路堤強(qiáng)夯處治的自動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)展開(kāi)研究和應(yīng)用。

1 工程概況

重慶兩江協(xié)同創(chuàng)新區(qū)位于兩江新區(qū)龍盛片區(qū)龍興組團(tuán)，規(guī)劃范圍6.8km2，片區(qū)內(nèi)六條次干路組成了本片區(qū)“三縱三橫”的骨架路網(wǎng)。環(huán)湖路位于協(xié)同創(chuàng)新區(qū)中心位置，環(huán)明月湖布置，是一條沿湖觀光的城市支路，如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目區(qū)位圖

本文研究對(duì)象為環(huán)湖路二期，設(shè)計(jì)樁號(hào)范圍為K0-005.779～K2+897.222，全長(zhǎng)2.9km，道路等級(jí)為城市支路，標(biāo)準(zhǔn)路幅寬度為16m，雙向兩車(chē)道，設(shè)計(jì)時(shí)速為30km/h。基于景觀打造、投資經(jīng)濟(jì)性等因素，環(huán)湖路路基多采用自然放坡處理，出現(xiàn)了多處高填方邊坡。

為提高路基的整體強(qiáng)度、降低工后沉降，按照規(guī)范應(yīng)對(duì)填料進(jìn)行分層碾壓夯實(shí)； 針對(duì)高填方區(qū)域，本項(xiàng)目還采取強(qiáng)夯措施來(lái)加固路堤。

2 基本設(shè)計(jì)原則及自動(dòng)設(shè)計(jì)工作流

2.1 路堤強(qiáng)夯設(shè)計(jì)原則

強(qiáng)夯面是與道路設(shè)計(jì)標(biāo)高相關(guān)聯(lián)的帶狀三維曲面。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法只能通過(guò)逐樁查看路基橫斷面圖來(lái)判斷是否強(qiáng)夯以及確定斷面處的強(qiáng)夯面標(biāo)高，設(shè)計(jì)效率極低，且無(wú)法準(zhǔn)確繪制出強(qiáng)夯處理平面分布圖、不便于精確計(jì)算工程量及施工放樣。因此項(xiàng)目設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)決定采用三維正向設(shè)計(jì)手段來(lái)對(duì)路堤強(qiáng)夯處治進(jìn)行自動(dòng)設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖2 路堤強(qiáng)夯處治設(shè)計(jì)示意

2.2 自動(dòng)設(shè)計(jì)工作流

為保證道路模型的正向應(yīng)用及數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確傳遞，本項(xiàng)目完全基于Civil 3D及其內(nèi)嵌的Dynamo模塊進(jìn)行路堤強(qiáng)夯自動(dòng)設(shè)計(jì)、通過(guò)Civil 3D及Excel輸出設(shè)計(jì)成果，形成“C+D+E”的路堤強(qiáng)夯處治自動(dòng)設(shè)計(jì)工作流，如圖3所示：

圖3 路堤強(qiáng)夯處治自動(dòng)設(shè)計(jì)工作流

(1)通過(guò)Civil 3D完成場(chǎng)地模型及道路正向設(shè)計(jì)模型的建立。

(2)運(yùn)用Dynamo完成數(shù)據(jù)輸入、預(yù)處理、自動(dòng)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)輸出等工作。

(3)根據(jù)設(shè)計(jì)文件的編制要求，將圖形成果自動(dòng)輸出至Civil 3D形成設(shè)計(jì)圖紙，將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)輸出至Excel生成工程量清單。

3 路堤強(qiáng)夯自動(dòng)設(shè)計(jì)過(guò)程

3.1 基本模型建立

利用基礎(chǔ)勘測(cè)數(shù)據(jù)，在Civil 3D中建立三維地形曲面，搭建現(xiàn)狀場(chǎng)地模型； 根據(jù)相關(guān)控制條件和規(guī)范要求，經(jīng)過(guò)反復(fù)推敲后確定環(huán)湖路二期的平面及縱斷面設(shè)計(jì)方案； 運(yùn)用部件編輯器編寫(xiě)車(chē)行道及人行道鋪裝、路基邊坡等參數(shù)化部件，靈活進(jìn)行橫斷面裝配設(shè)計(jì)，最終完成道路總體設(shè)計(jì)，建立了三維道路模型，如圖4所示。

圖4 場(chǎng)地及道路總體模型

實(shí)體對(duì)象(solid)在Dynamo環(huán)境中易于編輯，實(shí)體生成和數(shù)據(jù)讀入方式也較為簡(jiǎn)便。道路模型曲面與場(chǎng)地曲面通過(guò)曲面差分計(jì)算即可提取三維路基實(shí)體，Dynamo將以路基實(shí)體模型為執(zhí)行對(duì)象開(kāi)展路堤強(qiáng)夯處治的自動(dòng)設(shè)計(jì)。

3.2 強(qiáng)夯自動(dòng)設(shè)計(jì)

可視化、模塊化、參數(shù)化是Dynamo for Civil 3D的三大特點(diǎn)[10]。在可視化編程環(huán)境下，數(shù)據(jù)輸入、預(yù)處理、自動(dòng)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)輸出等四大模塊構(gòu)成了路堤強(qiáng)夯處治自動(dòng)設(shè)計(jì)程序。

3.2.1 數(shù)據(jù)輸入模塊

數(shù)據(jù)輸入模塊用于獲取、輸入與路堤強(qiáng)夯處治設(shè)計(jì)相關(guān)的基本數(shù)據(jù)。分為道路模型基本信息與強(qiáng)夯設(shè)計(jì)控制參數(shù)兩大類(lèi)，如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)輸入

根據(jù)模型對(duì)象命名與組織規(guī)則輸入相關(guān)字符串即可獲取路線及路基的三維模型數(shù)據(jù)，通過(guò)File Path節(jié)點(diǎn)可指定設(shè)計(jì)成果的自動(dòng)存儲(chǔ)路徑； 使用滑動(dòng)輸入條節(jié)點(diǎn)(Number Slider)，設(shè)計(jì)師可以靈活確定及修改關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)路堤強(qiáng)夯設(shè)計(jì)方案的參數(shù)化動(dòng)態(tài)調(diào)整。

圖7 創(chuàng)建基準(zhǔn)曲面

3.2.2 預(yù)處理模塊

路堤在道路三維空間內(nèi)是按段落離散分布的。通過(guò)曲面差分計(jì)算得到的不同樁號(hào)范圍內(nèi)的原始路基實(shí)體模型，在Civil 3D模型空間及Dynamo環(huán)境下均整合在一個(gè)實(shí)體對(duì)象內(nèi)(非填方路段以空隙形式間斷存在于該實(shí)體對(duì)象內(nèi))，無(wú)法按照路堤段落分別賦予相應(yīng)的樁號(hào)信息等相關(guān)屬性，給后續(xù)的分組設(shè)計(jì)帶來(lái)極大的不便。因此需要對(duì)原始路基實(shí)體進(jìn)行離散化預(yù)處理，如圖6所示。

圖6 預(yù)處理模塊流程圖

原始路基實(shí)體對(duì)象在空隙處并不能與其他幾何對(duì)象產(chǎn)生布爾交集，無(wú)法直接通過(guò)平面切割原始路基實(shí)體的方式來(lái)進(jìn)行離散化預(yù)處理。本文通過(guò)采用垂直平面切割路基包圍盒實(shí)體、并用離散的包圍盒實(shí)體與原始路基實(shí)體進(jìn)行布爾交集計(jì)算的方法，實(shí)現(xiàn)了路基實(shí)體的離散化預(yù)處理。主要步驟如下：

圖8 確定強(qiáng)夯處治范圍

圖9 包圍盒實(shí)體離散化處理

(1)沿三維道路中線創(chuàng)建帶狀三維曲面。對(duì)于曲面上與中線垂直的任意橫截面，其寬度均為該樁號(hào)處的道路占地寬度、兩側(cè)高程均為該樁號(hào)處的道路設(shè)計(jì)標(biāo)高。此曲面為路堤強(qiáng)夯處治的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)曲面，如圖7所示；

(2)根據(jù)是否進(jìn)行強(qiáng)夯處治的判斷原則，將基準(zhǔn)曲面按向量v=(0，0，-HR)平移，創(chuàng)建用于判斷是否采取強(qiáng)夯處治措施的臨界曲面，如圖2所示；

(3)通過(guò)Geometry.Intersect節(jié)點(diǎn)計(jì)算臨界曲面與原始路基實(shí)體的三維相交曲面。若某段路基實(shí)體與臨界曲面存在交集，則該段路基填方高度超過(guò)了不進(jìn)行強(qiáng)夯的臨界高度，提取相交曲面的邊緣點(diǎn)即可反算出該段路基的強(qiáng)夯處治樁號(hào)范圍，如圖8所示；

(4)根據(jù)強(qiáng)夯處治范圍的起、終點(diǎn)樁號(hào)，過(guò)三維道路中線上的相應(yīng)點(diǎn)創(chuàng)建切割實(shí)體的輔助平面。該樁號(hào)處的三維道路中線切向量在水平面上的投影為輔助平面的法向量；

(5)創(chuàng)建原始路基實(shí)體的包圍盒(BoundingBox)，并生成包圍盒實(shí)體； 通過(guò)輔助平面切割包圍盒實(shí)體，僅保留處治范圍內(nèi)的部分，完成包圍盒實(shí)體的離散化處理，如圖9所示；

(6)將離散包圍盒實(shí)體與原始路基實(shí)體進(jìn)行布爾交集運(yùn)算，交集部分即為離散后的路堤實(shí)體。

通過(guò)以上步驟，同時(shí)也自動(dòng)計(jì)算出了需要進(jìn)行強(qiáng)夯處治的路基范圍，實(shí)現(xiàn)了樁號(hào)屬性與離散路堤實(shí)體的分組匹配，如圖10所示。

圖10 路基實(shí)體離散化預(yù)處理過(guò)程

3.2.3 自動(dòng)設(shè)計(jì)模塊

利用Dynamo對(duì)空間不規(guī)則幾何圖形的強(qiáng)大計(jì)算能力，以離散路堤實(shí)體和基準(zhǔn)曲面為對(duì)象，自動(dòng)完成路堤強(qiáng)夯層數(shù)以及強(qiáng)夯面的計(jì)算。

最大強(qiáng)夯層數(shù)試算。如圖2所示，第一層強(qiáng)夯面位于路床以下H2處，其他強(qiáng)夯面依次向下等距分布。強(qiáng)夯層數(shù)n可通過(guò)式(1)計(jì)算：

n=[(HS-H1-H2)/DH]+1

(1)

式中，n向下取整數(shù)，HS為路堤邊坡高度。HS通過(guò)路基實(shí)體包圍盒最高點(diǎn)(MaxPoint)和最低點(diǎn)(MinPoint)的z坐標(biāo)來(lái)確定(HS′=zmax-zmin)，由于HS′≥HS，因此采用此方法確定的最大強(qiáng)夯層數(shù)總不小于實(shí)際強(qiáng)夯層數(shù)。

圖11 試算最大強(qiáng)夯層數(shù)

三維強(qiáng)夯面生成。根據(jù)最大強(qiáng)夯層數(shù)n以及強(qiáng)夯面的分布規(guī)則，各層強(qiáng)夯面與基準(zhǔn)曲面的相對(duì)高度可通過(guò)式(2)確定：

hi=-(H1+H2)-(i-1)·DH

(2)

式中，i=1，2，……，n。將基準(zhǔn)曲面沿向量Ⅵ=(0，0，hi) 通過(guò)Geometry.Translate節(jié)點(diǎn)進(jìn)行偏移變換，創(chuàng)建各層強(qiáng)夯面所在的三維空間曲面組。通過(guò)三維空間曲面組與離散路堤實(shí)體進(jìn)行布爾計(jì)算并清除空列表，最終得到全體設(shè)計(jì)強(qiáng)夯面。

圖12 路堤強(qiáng)夯面三維透視圖

3.2.4 數(shù)據(jù)輸出模塊

完成路堤強(qiáng)夯面的自動(dòng)設(shè)計(jì)后，即可使用數(shù)據(jù)輸出模塊對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)圖紙成果及工程量清單進(jìn)行整理輸出。

圖13 平面分布圖自動(dòng)繪制

在Dynamo環(huán)境下提取設(shè)計(jì)強(qiáng)夯面的邊緣曲線三維空間點(diǎn)，使用Polyline3D.ByPoints節(jié)點(diǎn)將三維空間點(diǎn)連接成三維多段線(Polyline3D)，并輸出至Civil 3D的模型空間，自動(dòng)完成強(qiáng)夯處治平面分布圖的繪制,如圖13所示； 在Civil 3D模型空間里以強(qiáng)夯分布范圍邊緣三維多段線為曲面特征線和邊界創(chuàng)建TIN曲面，并添加至橫斷面采樣源，自動(dòng)完成設(shè)計(jì)強(qiáng)夯面在路基橫斷面圖上的精確繪制。

根據(jù)強(qiáng)夯層位，分層整理強(qiáng)夯樁號(hào)范圍、強(qiáng)夯面豎向位置、強(qiáng)夯處治面積等數(shù)據(jù)，通過(guò)Data.ExportExcel節(jié)點(diǎn)輸出至Excel工作表中，實(shí)現(xiàn)路堤強(qiáng)夯工程量清單的自動(dòng)輸出,如圖14所示。

圖14 強(qiáng)夯設(shè)計(jì)明細(xì)表

3.3 自動(dòng)設(shè)計(jì)效果評(píng)價(jià)

根據(jù)前面提出的自動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)路線，完成了環(huán)湖路二期路堤強(qiáng)夯的自動(dòng)設(shè)計(jì)。環(huán)湖路二期總計(jì)需要對(duì)3段填方路基采用強(qiáng)夯處治措施，最大強(qiáng)夯層數(shù)為2層，總計(jì)強(qiáng)夯面積11 740m2。

圖15 強(qiáng)夯處治平面布置圖

從圖15可以看出，自動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)能夠準(zhǔn)確地繪制出路堤強(qiáng)夯處理的平面分布圖，精確地表達(dá)強(qiáng)夯面的空間位置關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了工程量的精確統(tǒng)計(jì)。傳統(tǒng)方法只能由設(shè)計(jì)人員通過(guò)路基橫斷面圖逐樁進(jìn)行設(shè)計(jì)，無(wú)法準(zhǔn)確把握強(qiáng)夯面的空間分布形態(tài)，不能準(zhǔn)確繪制平面分布圖，甚至出現(xiàn)了設(shè)計(jì)遺漏的情況，工程量統(tǒng)計(jì)存在較大誤差。自動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)顯著提高了設(shè)計(jì)品質(zhì)。

自動(dòng)設(shè)計(jì)程序完成了絕大部分的人工重復(fù)勞動(dòng)，提高了設(shè)計(jì)工作效率。正向的設(shè)計(jì)工作流保證了在道路平面、縱斷面及橫斷面設(shè)計(jì)調(diào)整的情況下，路堤強(qiáng)夯設(shè)計(jì)成果能夠?qū)崟r(shí)聯(lián)動(dòng)更新，節(jié)省了大量的反復(fù)修改時(shí)間。

4 結(jié)語(yǔ)

參數(shù)化自動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)在處理道路路基等空間分布離散的不規(guī)則構(gòu)造物方面具有巨大優(yōu)勢(shì)，能夠滿(mǎn)足道路等基礎(chǔ)設(shè)施的高效率、精細(xì)化設(shè)計(jì)需求，對(duì)三維正向設(shè)計(jì)理念的應(yīng)用和推廣具有重要意義。

本文基于參數(shù)化設(shè)計(jì)工具Dynamo，以三維BIM模型為核心，提出了路堤強(qiáng)夯處治的自動(dòng)設(shè)計(jì)工作流，并在重慶兩江協(xié)同創(chuàng)新區(qū)環(huán)湖路二期項(xiàng)目中成功進(jìn)行了應(yīng)用和驗(yàn)證，顯著提高了設(shè)計(jì)品質(zhì)和工作效率。研究成果對(duì)于類(lèi)似項(xiàng)目設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。