Dynamo參數化設計在軟土路基處理中的應用研究

崔強，鐘杰，肖彬，陳肅明，張炳楠，張鑫

（林同棪國際工程咨詢（中國）有限公司，重慶 401121）

0 引言

隨著BIM技術在道路建設領域的推廣應用，設計高效、信息傳遞快、便于溝通等方面的優點逐漸得到了項目各參與方的認可，對道路三維正向設計技術的探索與研究也正如火如荼地進行中[1]。

以Civil 3D和OpenRoads Designer為代表的設計軟件提供了比較成熟的道路廊道設計解決方案[2-3]，但對于軟土路基等地質情況復雜、分布離散的區域，現有軟件均無法靈活、高效處理，傳統的二維設計方法存在步驟繁瑣、效率低下、計量不準等缺點。軟土路基處理成為道路正向設計技術的難點之一。

參數化設計作為BIM技術的一個重要部分，具有操作簡單、動態可調整等優點，在建筑、橋梁、隧道等方面得到了廣泛應用[4-6]。本文基于Dynamo for Civil 3D對軟土路基的參數化設計技術展開研究。

1 軟土路基處理常規設計思路

軟土路基在道路建設中較為常見，主要分布在山間洼地、魚塘、水田等區域，淤泥及淤泥質土呈流塑～軟塑狀。道路建設中，通常采用清淤換填和拋石擠淤兩種方式對路基范圍內的軟土進行處理，以保證路基工作強度和干濕狀態。

道路設計時，通常根據地質勘察單位提供的鉆孔數據評估軟土層的厚度范圍，并根據軟土層厚度確定處理方式。當軟土層較淺（H＜3m），或有局部少量軟基時，常采用全部挖除，清淤后換填一般路基、合格填料的方式；當軟土層較深（H≥3m）時，常采用拋片、塊石擠淤的施工方法，以提高地基的強度（圖1）。

圖1 軟土路基處理方式示意

2 參數化設計在軟土路基處理中的工作流程

基于Dynamo進行軟土路基處理參數化設計的技術路線 （圖2），主要由基礎資料處理、可視化編程、設計成果復核等三部分構成。

2.1 基礎資料處理

（1）在Civil 3D中進行道路設計，創建三維道路模型，提取道路兩側坡腳線，獲取道路占地范圍。

（2）根據地形圖整理與道路占地范圍相交的水田、魚塘等所有軟土區域的閉合邊界。

圖2 軟土路基參數化設計技術路線

（3）將地質鉆孔數據處理成指定格式（CSV），應用Geotechnical Module模塊進行三維地質建模，建立地質TIN曲面及三維地質模型。

2.2 Dynamo可視化編程

Dynamo for Civil 3D提供了眾多通用節點，可以對大多數CAD及Civil 3D對象進行讀取、編輯、計算、輸出等操作，節點化的編程邏輯避免了復雜難懂的程序語言，降低了道路設計人員的使用門檻。Dynamo也提供了可以內嵌Python腳本的自定義節點，進一步拓展了Dynamo的功能，提高了運算效率。本文所用節點均為原生通用節點（圖3）。

圖3 軟土路基處理主要程序節點

本文Dynamo程序主要工作流程如圖4所示。

（1）選擇道路及軟土閉合范圍并生成相應曲面，通過布爾運算得到軟土路基處理范圍。

（2）計算軟土路基處理范圍起、終點樁號。

（3）通過布爾運算對軟土地質實體進行切割，得到路基范圍內軟土實體。

（4）計算路基范圍內軟土層最大厚度Hmax及最小厚度Hmin。

（5）判斷軟土路基處理方式。當Hmax≥Hj（Hj為臨界厚度參數，默認值為3m）時，該區域即采用拋石擠淤方式處理，反之則采用清淤換填方式。

（6）確定處理深度，拋石擠淤處理深度通常取臨界深度（Hd=Hj），清淤換填則全部挖除。

（7）工程量計算。拋石擠淤工程量V=Hd·S，式中S為軟土處理面積，清淤換填工程量由節點Solid.Volume直接讀取實體得到體積。

（8）整理中間設計成果并輸出到Excel工作表，自動繪制軟土處理平面分布圖。

圖4 軟土路基處理Dynamo程序流程圖

2.3 設計成果復核

設計人員可在Excel工作表中對軟土處理方式進行復核、修正，然后使用Data.ImportExcel節點將修正后的中間設計成果輸入Dynamo程序，即可重新繪制軟土處理平面分布圖，并自動輸出最終設計明細表。

3 應用案例

3.1 項目背景

重慶兩江協同創新區位于兩江新區龍盛片區龍興組團，規劃范圍6.8km2，片區內六條次干路組成了該片區“三縱三橫”的骨架路網。環湖路位于協同創新區中心位置，環明月湖，是一條沿湖觀光的城市支路（圖 5）。

圖5 項目區位

本文研究對象為環湖路二期，設計樁號范圍為K0-005.779～K2+897.222，全長 2.9km，道路等級為城市支路，標準路幅寬度為16m，雙向兩車道，設計時速為30km/h。環湖路二期場地范圍內存在大量水田，水田中分布厚度0.0～8.2m的軟塑～可塑性粉質黏土。

為對照分析參數化設計方法與傳統二維設計方法在設計成果質量、工作效率等方面的差異，環湖路二期在施工圖設計階段采用了兩種設計方法獨立開展軟土路基處理設計的工作模式，項目設計人員熟練掌握兩種設計及軟件操作方法，專業技術水平具有代表性。

3.2 參數化設計成果

完成軟土分布范圍提取、三維道路模型及三維地質模型建立等準備工作后，運行編寫好的Dynamo程序即可快速輸出軟土路基處理中間設計成果，并在Civil 3D模型空間中繪制出軟土路基處理區域的平面分布圖（圖6）。中間設計成果表明：環湖路二期共計有16處需進行軟土路基處理，其中14處采用拋石擠淤處理，2處采用清淤換填處理。

圖6 環湖路二期軟土路基處理參數化設計過程（K0+140～K0+920）

3.3 參數化設計與傳統二維設計對比

3.3.1 設計成果對比

（1）設計精度方面。使用參數化設計方法，能夠準確地繪制出軟土路基的處理邊界，設計精度較高；傳統設計方法只能依靠設計人員人工繪制、處理邊界，通過肉眼估讀或外部插件逐一查詢的方式來確定樁號范圍。表1根據樁號范圍對兩種設計方法的設計成果進行了人工匹配，可以看出采用傳統設計方法對環湖路二期進行軟土路基處理設計時，存在部分區域設計遺漏（未處理）的情況。

表1 設計成果對比

（2）處理方式判斷方面。采用傳統設計方法時，設計人員根據有限的地質數據對軟土厚度范圍進行估計，憑經驗確定軟土路基的處理方式，容易產生錯誤的判斷；參數化設計中間成果基于路基范圍內三維軟土實體的厚度參數和Dynamo程序設定的臨界厚度參數Hj進行自動判斷，通過人工進行快速復核、修正，保證了設計質量。適當增加地質勘察數據、提高三維地質模型的精細度，程序能更加準確地判斷軟土路基的處理方式。

（3）工程計量方面。當軟土層較厚時，兩種設計方法均采用式V=Hd·S計算得到拋石擠淤處理的工程量，計量結果差異不大；但當軟土較薄、采用清淤換填方式處理時，參數化設計方法通過直接讀取軟土實體體積的方式進行工程量統計，提高了工程計量的準確度。精確的軟土路基邊界處理能力是參數化設計方法準確計量的前提。

3.3.2 工作效率對比

兩種設計方法對軟土路基處理的設計原理基本一致，降低了設計人員從傳統設計方法過渡到參數化設計方法的學習適應成本；參數化設計方法打通了與上游勘察專業的正向協同設計流程。表2列舉了設計人員分別采用兩種方法對環湖路二期進行設計時的工作時間情況。由于Dynamo節點包是可復用的通用程序，BIM研發人員完成開發后，相關設計人員可直接使用，不會增加設計人員的工作時間，因此表2未計入Dynamo程序的開發時間。

表2 工作效率對比

在進行軟土路基設計時，相較于傳統設計方法，參數化設計方法能夠節省約1/4的工作時間。兩種方法在創建道路模型、提取軟土分布范圍、地質勘察數據整理等步驟上所花工作時間基本一致，參數化設計方法增加了創建三維地質模型步驟。參數化設計方法在基礎資料整理階段（工作階段Ⅰ）的工作時間累計占比超過90%，完成基礎資料處理即完成了大部分的設計工作，傳統設計方法仍有超過40%的工作（工作階段Ⅱ、Ⅲ）需要人工完成。參數化設計方法節省了大量人工工作時間。

道路平、縱、橫等設計參數常根據實際工程條件進行調整修改，軟土路基處理設計亦隨之變更；地質勘察資料的補充、數據精度的提高，亦會影響軟土路基處理方式的選擇。在道路設計方案修改完成后，傳統設計方法幾乎需要重新開展繁瑣的設計流程，參數化設計方法僅需更新相關特性參數，運行Dynamo程序即可自動更新設計成果，大大提高了工作效率。

4 結語

參數化設計理念對于BIM技術的推廣與應用具有重要意義。傳統的廊道設計理念難以處理空間分布離散的不規則構造物，Dynamo的推出則彌補了這一短板。靈活運用三維設計工具，深入挖掘Dynamo參數化設計潛力，突破傳統設計思維的限制，才能推動道路三維正向設計技術加速前進。本文提出的軟土路基處理參數化設計技術在重慶兩江協同創新區環湖路二期項目中進行了應用和驗證，研究結果表明，利用Dynamo對軟土路基處理進行參數化設計，可以在優化設計流程的同時，顯著提高設計質量和工作效率。