基于信息技术的道路三维设计

文｜蒋艺

近几十年来，我国交通业实现了跨越式的发展，给社会带来巨大效益的同时也对道路设计、施工、管理和养护技术等提出了更高的要求。

本文基于OpenRoads技术，以蟠龙抽水蓄能电站1号路为例，介绍该技术道路三维设计方法的流程及建模过程中横断面定制过程和技巧。以期给设计、决策者直观的三维立体展示，为道路选线、空间几何线性评价、行车安全评估和桥、隧、站位选择等提供决策依据。

蟠龙1号路工程区总体地貌为低中山地貌，沿线经过地段地形陡峻，山峰耸立，山梁与冲沟相间分布，沟谷发育且狭窄深邃，局部地段高差相差很大。受顺坡向结构面控制形成的数米至数十米的悬崖绝壁遍布其间。路线全长约2.801km，公路等级为Ⅲ级专用公路，设计速度为30km/h，全线共设桥梁1座，隧道1座，具体见图1、图2。

图1 k0+160段地形线路明线段地形

图2 下库左坝头至1号隧洞进口地形

OpenRoads技术道路三维设计

数字地面模型构建。数据端复杂和数据量庞大的数字地面模型（Digital Terrain Models，DTM）是道路三维设计的基础和关键。数字地面模型构建主要有两个途径：规则格网和不规则三角网。规则格网是用规则排列的正方形、矩形网格来表示地形表面。不规则三角网是通过从不规则分布的数据点生成的连续三角网来逼近地形。在数字地面模型构建的研究方向，国内一些专家学者开展了涉及地形数据处理，构网边界处理、构网方法优化，地面与模型融合构建等一系列卓有成效的研究。

OpenRoads技术主要采用在地形拟合方面表现最出色的狄洛尼三角网构建原理，能读取机载激光雷达获取的点云数据和多种存储地形数据的文件，如.dat、.tin、.xml文件，并易于对原始数据进行检查和修正处理，根据需要对地形进行剪切和融合。通过图形过滤器从测绘数据中提取等高线和高程点，导入软件构成三角网，对错误地形点进行修正，导出成.dat或.tin格式，供蟠龙项目各专业使用。交通专业从导入的枢纽地形中剪切出蟠龙1号路所需地形，可降低对硬件设备的要求，提高运行速度。通过数字地面模型可快捷的读取三维空间点（Y，Y，Z），剖切任意位置地形和直观查看三维显示地形，辅助路线进行高效设计。图3-1是通过线框模式显示三角构网，图3-2是使用光滑模式显示逼真的原始地形。

图3-1 三角网显示

图3-2 拟地形显示

道路三维设计流程。道路是一种在设计原则上要求平面、纵断面及横断面综合设计的空间带状构造物。建模分为地形建模、路基路面建模（如平面选线，纵断面拉坡，横断面定制等），构造物建模（如桥梁涵洞、隧道等）和附属设施建模（如标志标线、里程桩百米桩、照明设施）等。图4是道路三维设计的流程，不同的设计部位使用不同的设计模块，存放在不同的文件中。蟠龙1号路在进行三维设计前，规划 6个独立的设计文件，如图4中数字所示，其中，横断面模板定制保存在软件Workspace的配置文件中。各设计成果通过“参考”建立关联关系。“参考”是一种可读被参考文件数据信息，而不对文件产生实质影响的功能。

图4 道路三维设计流程

结合流程图可以看出，蟠龙1号路三维建模主要包括路基路面、隧道和涵洞建模，平面选线是道路设计的基础。道路中心线是先参考数字地面模型，激活后再根据地形给平面线形增加纵断面设计高程信息。PowerCivilfor China具有强大的平面线性和纵断面线性设计功能，在指定的设计规范内，缓和曲线、直线和圆曲线间能以任意形式衔接，并智能的将设计时断裂的线无缝连接成一条中心线，或者以工程文件形式导入RoadMaster、Weidi、EICAD和IDS的平、纵设计数据。该项目主要使用交点法进行平、纵线性设计，参数化设置数据，二三维视图联动修改，如图5所示，蓝色数字可直接修改联动。激活平面线，选择一个视图窗口，显示激活的纵断面，两窗口交互更新，如图6所示，其中，黑色的表示平面线中的直线，青色是圆曲线，紫色是缓和曲线。

图5 平面线形设计界面

图6 纵断面线形设计界面

在流程图4中，紧接着道路中心线设计的是横断面模板定制。横断面是由组件、末端条件组成的模板文件，采用“搭积木”方法，从构件库中选出合适的组件和末端条件，组成需要的横断面模板。其中，末端条件是能自动与地形相交的线，一般设计边坡使用此特性；组件是画出来特定形状的面，是不随地形变化的常量。创建组件和末端条件时可选择材质属性，如边坡植草、填土填石的路基、混凝土路面、沥青路面等。建立路廊模型是遵循一定规则的路基路面和隧道横断面，以设计桩号控制，沿设计中心线放样，横断面各特征点相对于路面中心点的平距和高差与地形数据相交，形成道路断面特征点数据。综上所述，进行高效率道路三维设计最理想的方法是定制一个包含各种设计情况的横断面，沿路中心线放样与地形相交，挖、填方、挡土墙、电缆沟和边坡等设计处处符合要求。但实际情况并不是这样的，在现有显示规则控制下，暂无法实现一个项目对应一个通用模板建立路廊模型，而不对其加以修改的高效建模方法。

根据蟠龙1号路地形地质情况，沿线需要设置大量挡土墙保证边坡安全。靠山侧（左边）是普通边沟与路堑墙挖方两种和普通填方，共三种模板；沿河侧（右边）是保证其襟边距离及埋置深度符合规范要求的路肩墙（12种）与路堤墙（8种）填方两种和普通填、挖方，共4种模板。设计的边坡不是严格遵循某一从陡到缓的规律去地面相交，而是根据地质条件好坏人为进行调整，这就难以定制一个通用的横断面模板来解决问题。而横断面模板定制思路是先建立分部组件和末端条件，拼装成符合设计的左、右两边模板，两半边模板自由组合成一个完整路基路面模板，其中不同尺寸的挡土墙在同一个模板中根据规则显示是技术难点。如图7所示，以路肩墙为例，不构建一根坡比与填方设计坡比一样的末端条件，以末端条件两点间垂直距离范围制定显示规则，利用逻辑关系“是、与、非”控制构件12种不同尺寸路肩墙的显示。不构建是指末端条件是做为辅助线，对地形为影响。

图7 组件显示规则界面

除此之外，还可根据水平距离、坡度和已显示组件制定显示规则，已显示组件可制定左边路堑墙/边沟在地面相交出现填方边坡时不出现，左边挖方边坡可与路堑墙/边沟建立“父、子组件”关系，在父组件边沟出现的情况下出现。与此同时，尝试在设置边坡时采用“标签”给边坡间平台两点以距离（角度）控制出现挖方坡比，可基本满足设计要求。如图8所示，蟠龙1号路的路基路面组件和设计边坡组成多种路面路基横断面模板。

图8 横断面模板定制图

模板定制好后，使用最普通的模板（无挡土墙）沿设计中心线放样，在横断面管理器中根据桩号将挡土墙模板代替普通模板，实时更新模型显示。“点控制”可选取路面向外凸出的辅助线，做成临时停车处或匝道。设定路基路面加宽和超高使设计更符合现实要求。图9是横断面模板沿中心线放样时，末端条件无法与数字地面模型相交形成边坡的情形。左图是路基路面模型，能清楚的看到构件的材质，右图是道路与隧道相接段模型。

图9 横断面模型（无地形情况）

继路基路面、隧道模型建立后，是桥梁和附属结构建模。桥梁建模是调用自带桥梁元件库，选定桥梁结构类型、桥梁属性、设定桥梁跨径等参数，沿设计中心线放样，能顺畅的与路面衔接，实现桥梁的参数化设计。附属结构在Microstation平台中使用长方体、球体、圆锥体等输入参数化数据生成实体模型，或应用线生成面，面拉伸成体、面沿路径放样成不规则实体的简单、快捷的建模方式。异形体能通过面对体的剪切，体之间的布尔加、减形成。在设计过程中，ACS坐标设置成临时相对坐标系并锁定，避免绘图出现错误，提高绘图效率。

道路三维设计整体模型是通过参考将流程图中的前5个文件组装在第6个文件（新空白文件）中展示。如图10-左是地形、桥梁和道路模型组装显示，图10-右是模拟车辆行驶路面。设计时，创建的2D文件能自动参考本文件3D Model显示，并进行联动修改。独立文件通过参考互相使用，实时减少缺、漏、碰情况，优化设计。模型成果可快速进行工程量统计、二维出图、模拟行驶、施工仿真，为工程全生命周期管理提供有效数据。

图10 道路整体三维设计模型

OpenRoads技术地形融合。基于OpenRoads技术研发了交通系统不同方向的专业软件。笔者使用较多的是Geopak场平开挖软件和Powercivil for China 道路设计软件，蟠龙抽水蓄能电站整个枢纽区模型总装是基于坝基开挖、水道进水口开挖和道路开挖的总地形面完成的。不同专业的开挖成果需要进行地形融合，坝工和水道专业使用Geopak，能完美融合；Geopak虽与道路开挖面的融合原理都是使用狄洛尼（Delaunay）三角网构建，实现的过程却不易。Geopak的开挖属性是存储在单独的.gsf文件中，单纯的将其参考进道路文件中，只显示无开挖属性的线，对开挖前地形没有实质性影响。多次尝试后，得出能单向将Geopak中开挖好的Model导出为.dat文件，在PowerCivil中将地形融合（合并、附加），导出成开挖面，如图11箭头所示，A为引水压力管虚拟开挖面，是大平台的场地开挖，B是蟠龙1号路开挖面。

图11 OpenRoads技术地形融合成果

本文依托蟠龙1号路工程，基于OpenRoads技术，实现了该技术设计地形的融合。该方法可将道路设计理念和成果由二维图纸转换为三维立体空间，能直观的对道路进行线性设计，快速完成方案比选，出图和工程量统计。该方法中，定制好的横断面模板能高效建立模型，参数化的联动修改，实时查看，减少了设计过程中的碰、漏、缺等问题。

道路三维设计不局限于使用虚拟仿真技术呈现整个设计成果，真正变更设计手段，使用三维设计方法，提取设计、施工过程数据与成果模型集成进行项目“PEPCTO”模式的全生命周期管理是未来发展的趋势。