基于BIM 技術的公路線形三維可視化設計

潘 越，朱 福，齊振國

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

引言

根據國家統計局數據，2020 年我國道路交通事故萬車死亡人數1.66 人，因交通安全問題造成的人員傷亡、經濟損失仍居高不下。研究表明，除部分事故是由于駕駛員行駛不當、車輛存在安全隱患、不良天氣等外部原因導致外［1］，絕大部分是由于危險的行駛條件導致，而危險的行駛條件往往與不當的線形條件有關。

在傳統二維設計背景下，公路線形平面、縱斷面及橫斷面設計一般均能滿足規范要求；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，線形設計在部分路段無法實現平面線形與縱橫斷面的動態結合［2］，在二維設計下曲率連續的線形并不能保證其三維空間曲率的連續性，部分路段存在三維空間曲率連續性的衰減現象［3］。

1 公路工程設計BIM 系統的特點

1.1 路線三維可視化建模

目前主流的公路工程項目設計方案主要采用二維設計，在設計過程中，設計人員將二維平面與縱斷面分開設計，設計完成后根據現場調查、公路沿線影響因素對設計方案進行調整改進。在該過程中，二維設計不僅孤立地將平面線形與縱斷面線形分開進行設計，導致安全隱患；而且在設計過程中，由于二維設計不能直觀地展現表達周圍環境，在后期對路線的修改過程需進行多方溝通，耗費大量的時間與精力。公路工程設計BIM 系統等三維可視化軟件的出現有效地解決了上述問題，通過三維設計將平面設計與縱斷面設計結合起來，保證了公路曲線的基本變量曲率、撓率的連續性，并采取航拍影像、實地勘測等所得數據，建立數字高程模型（DEM），并根據數字高程模型建立數字正射影像數據集（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境的關系［6］，見圖1。

圖1 路線模型與周邊關系

1.2 路線方案比選

公路工程屬于政府投資的交通基礎設施項目，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狀及發展預測、長期經濟發展與交通量預測、建設技術標準以及當地地形環境條件等內容將決定項目設計方案，并由政府召集建設、規劃、環境、國土、水利、財務等部門對多方案進行可行性探討，最終做出決策［7］。

在設計及最終決策階段，由于設計部門及從業人員較多，所涉及相關專業跨度大，關注重點各不相同；專業性強，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，調整范圍廣導致公路路線設計在最終確定前會由于各種原因進行修改。為有效推進設計進程，利用公路工程設計BIM 系統，通過創建公路三維信息模型比選。項目建設各參與方及相關技術專家可以通過方案比選，更直觀地看到沿線各種建設條件、地形因素、建設方案及建成后的效果，加快方案比選論證過程，選定最優方案。

1.3 自動出圖

作為傳統設計方式，CAD 主要以圖紙的形式進行展示，通過二維設計圖紙，并不能完整的表達設計想法，容易產生疏忽與漏洞，施工人員若不能正確、完整讀懂設計意圖，將影響整體工程質量；若是當設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 技術的核心價值之一。在公路工程設計BIM 系統中，三維模型與圖紙具有實時性、關聯性，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角表、土方數量表、主要技術經濟指標表等，從而實現圖紙繪制的自動化、便捷化。

2 公路線形三維可視化設計

2.1 三維數字地面模型創建

公路是空間三維的帶狀體，公路線形設計目的在于確定公路的三維空間位置。常用的公路線形設計將空間幾何轉向二維設計，將平縱斷面分開進行設計，導致一系列安全隱患。基于BIM 的三維可視化設計，提供了強大的數據處理能力和計算分析能力，幫助從業人員通過實地勘測所得的相關三維數據通過整合處理，以3D 形式儲存于3D 格式中。

在公路工程設計BIM 系統中，利用 DWG 地形圖作為地形源數據，首先在公路工程設計BIM 系統界面中建立一個新工程；其次將DWG 地形圖導入軟件，在構建地模中，分別添加DWG 地形圖中的等高線、高程點、輪廓邊界數據，創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地形等信息，不再是 AutoCAD 的圖形對象［9］。

圖2 三維數字地面模型

2.2 平縱線形設計

在創建完成三維地形模型基礎上，采用導線法及線元法相結合的方式，進行三維公路線形設計。公路工程設計BIM 系統不同于其他BIM 技術在于實現了平面設計及縱斷面設計的實時同步，對設計階段進行了改良，見圖3。

在平面設計階段，對相關控制點進行選取，并根據三維地形圖，輸入緩和曲線、直線、圓曲線等公路路線相關參數進行設置［10］。在二維設計中，平面線形與橫縱斷面線形均是孤立存在。而在公路工程設計BIM 系統中，由于BIM 技術能夠實時更新三維線形的特點且軟件提供平縱設計實時同步的功能，便能以平面線形為依據，進行縱斷面線形設計，對其縱斷面線形走勢進行調整，使其滿足公路工程設計相關規范；在此基礎上，可以進行橋梁、隧道、涵洞等構造物設計，進一步對公路線形設計進行優化，軟件根據相關參數自動生成公路線形。

2.3 路基橫斷面設計

路基設計是公路工程設計中非常重要的一個環節。在以往的路基設計中，主要根據路線、地形圖、地勘資料等進行路基橫斷面設計，再根據路基橫斷面對邊坡、防護、支擋、排水、土石方等路基相關專業進行設計。同時，由于路基牽涉專業較多，且不同專業的設計會對路基橫斷面設計造成影響，需要設計人員反復迭代設計，加大了項目的成本。

在傳統的路基橫斷面設計流程中，不同的路基專業設計，需使用不同的工程軟件進行設計；同時由于路基工程的“靈活性”，時常有許多設計結果不能通過軟件設計完成，有些專業甚至需要設計人員手工進行繪圖計算。而現階段并沒有一套完整的路基設計解決方案，這就導致路基設計結果不夠嚴謹細致，同時設計過程中也存在難以協同、效率低下等問題。

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

公路工程設計BIM 系統針對傳統路基設計流程中的問題與弊端，結合GIS、BIM 和互聯網技術，提供了一套全流程、專業化、數字化、智能化的路基設計解決方案，見圖4。

圖4 路基橫斷面設計

3 結語

（1）對傳統二維設計的技術難點進行了探討，對BIM 技術的相關技術特點進行了研究，基于公路工程設計BIM 系統軟件，結合DEM 與DOM 所建立的三維數字地面模型，實現了公路線形平縱線形設計與路基橫斷面設計，有效解決了傳統二維設計中平縱斷面無法動態結合的問題。（2）基于公路工程設計BIM 系統軟件，對BIM 技術在公路線形設計上的相關功能，如路線三維可視化建模、路線方案比選、自動出圖進行了研究，提出基于該系統的公路線形三維可視化設計技術方案。