自动设计技术在路堤强夯处治中的应用

崔 强 钟 杰 肖 彬 张炳楠 梁贤炜 郭 栋

(林同棪国际工程咨询(中国)有限公司，重庆 401121)

引言

建筑信息模型(BIM)技术在基础设施领域迎来了大量的推广和应用，三维正向设计是一大关注热点[1-2]。

当前三维正向设计在公路及城市道路行业中主要聚焦于如何完成线路平面、纵断面以及横断面的总体设计，强大的软件技术已经为此提供了较为成熟的解决方案[3-6]。路基设计方面，虽然已有成熟的分析和设计理论，但由于地质条件复杂多变、项目实际情况差异较大等因素，当前尚无高效可靠的三维设计手段[7-8]。设计人员在进行路基设计时仍然只有采用传统的二维设计方法来对路基细部进行设计和算量，严重影响了设计品质和工作效率。道路三维正向设计尚未打通路基设计这一关键环节。

Dynamo等参数化设计工具便于对离散实体构件进行批量自动化操作，且具有可动态调整的优点[9]； 对于需要进行特殊处理的零星路基，亦可以理解为在道路三维空间内离散分布的不规则构造物。因此在现有软件技术层面，路基的参数化自动设计可以实现。本文以重庆两江协同创新区环湖路二期项目为例，基于Dynamo for Civil 3D对路堤强夯处治的自动设计技术展开研究和应用。

1 工程概况

重庆两江协同创新区位于两江新区龙盛片区龙兴组团，规划范围6.8km2，片区内六条次干路组成了本片区“三纵三横”的骨架路网。环湖路位于协同创新区中心位置，环明月湖布置，是一条沿湖观光的城市支路，如图1所示。

图1 项目区位图

本文研究对象为环湖路二期，设计桩号范围为K0-005.779～K2+897.222，全长2.9km，道路等级为城市支路，标准路幅宽度为16m，双向两车道，设计时速为30km/h。基于景观打造、投资经济性等因素，环湖路路基多采用自然放坡处理，出现了多处高填方边坡。

为提高路基的整体强度、降低工后沉降，按照规范应对填料进行分层碾压夯实； 针对高填方区域，本项目还采取强夯措施来加固路堤。

2 基本设计原则及自动设计工作流

2.1 路堤强夯设计原则

强夯面是与道路设计标高相关联的带状三维曲面。传统设计方法只能通过逐桩查看路基横断面图来判断是否强夯以及确定断面处的强夯面标高，设计效率极低，且无法准确绘制出强夯处理平面分布图、不便于精确计算工程量及施工放样。因此项目设计团队决定采用三维正向设计手段来对路堤强夯处治进行自动设计，如图2所示。

图2 路堤强夯处治设计示意

2.2 自动设计工作流

为保证道路模型的正向应用及数据信息的准确传递，本项目完全基于Civil 3D及其内嵌的Dynamo模块进行路堤强夯自动设计、通过Civil 3D及Excel输出设计成果，形成“C+D+E”的路堤强夯处治自动设计工作流，如图3所示：

图3 路堤强夯处治自动设计工作流

(1)通过Civil 3D完成场地模型及道路正向设计模型的建立。

(2)运用Dynamo完成数据输入、预处理、自动设计、数据输出等工作。

(3)根据设计文件的编制要求，将图形成果自动输出至Civil 3D形成设计图纸，将设计数据输出至Excel生成工程量清单。

3 路堤强夯自动设计过程

3.1 基本模型建立

利用基础勘测数据，在Civil 3D中建立三维地形曲面，搭建现状场地模型； 根据相关控制条件和规范要求，经过反复推敲后确定环湖路二期的平面及纵断面设计方案； 运用部件编辑器编写车行道及人行道铺装、路基边坡等参数化部件，灵活进行横断面装配设计，最终完成道路总体设计，建立了三维道路模型，如图4所示。

图4 场地及道路总体模型

实体对象(solid)在Dynamo环境中易于编辑，实体生成和数据读入方式也较为简便。道路模型曲面与场地曲面通过曲面差分计算即可提取三维路基实体，Dynamo将以路基实体模型为执行对象开展路堤强夯处治的自动设计。

3.2 强夯自动设计

可视化、模块化、参数化是Dynamo for Civil 3D的三大特点[10]。在可视化编程环境下，数据输入、预处理、自动设计、数据输出等四大模块构成了路堤强夯处治自动设计程序。

3.2.1 数据输入模块

数据输入模块用于获取、输入与路堤强夯处治设计相关的基本数据。分为道路模型基本信息与强夯设计控制参数两大类，如图5所示。

图5 数据输入

根据模型对象命名与组织规则输入相关字符串即可获取路线及路基的三维模型数据，通过File Path节点可指定设计成果的自动存储路径； 使用滑动输入条节点(Number Slider)，设计师可以灵活确定及修改关键设计参数，实现对路堤强夯设计方案的参数化动态调整。

图7 创建基准曲面

3.2.2 预处理模块

路堤在道路三维空间内是按段落离散分布的。通过曲面差分计算得到的不同桩号范围内的原始路基实体模型，在Civil 3D模型空间及Dynamo环境下均整合在一个实体对象内(非填方路段以空隙形式间断存在于该实体对象内)，无法按照路堤段落分别赋予相应的桩号信息等相关属性，给后续的分组设计带来极大的不便。因此需要对原始路基实体进行离散化预处理，如图6所示。

图6 预处理模块流程图

原始路基实体对象在空隙处并不能与其他几何对象产生布尔交集，无法直接通过平面切割原始路基实体的方式来进行离散化预处理。本文通过采用垂直平面切割路基包围盒实体、并用离散的包围盒实体与原始路基实体进行布尔交集计算的方法，实现了路基实体的离散化预处理。主要步骤如下：

图8 确定强夯处治范围

图9 包围盒实体离散化处理

(1)沿三维道路中线创建带状三维曲面。对于曲面上与中线垂直的任意横截面，其宽度均为该桩号处的道路占地宽度、两侧高程均为该桩号处的道路设计标高。此曲面为路堤强夯处治的设计基准曲面，如图7所示；

(2)根据是否进行强夯处治的判断原则，将基准曲面按向量v=(0，0，-HR)平移，创建用于判断是否采取强夯处治措施的临界曲面，如图2所示；

(3)通过Geometry.Intersect节点计算临界曲面与原始路基实体的三维相交曲面。若某段路基实体与临界曲面存在交集，则该段路基填方高度超过了不进行强夯的临界高度，提取相交曲面的边缘点即可反算出该段路基的强夯处治桩号范围，如图8所示；

(4)根据强夯处治范围的起、终点桩号，过三维道路中线上的相应点创建切割实体的辅助平面。该桩号处的三维道路中线切向量在水平面上的投影为辅助平面的法向量；

(5)创建原始路基实体的包围盒(BoundingBox)，并生成包围盒实体； 通过辅助平面切割包围盒实体，仅保留处治范围内的部分，完成包围盒实体的离散化处理，如图9所示；

(6)将离散包围盒实体与原始路基实体进行布尔交集运算，交集部分即为离散后的路堤实体。

通过以上步骤，同时也自动计算出了需要进行强夯处治的路基范围，实现了桩号属性与离散路堤实体的分组匹配，如图10所示。

图10 路基实体离散化预处理过程

3.2.3 自动设计模块

利用Dynamo对空间不规则几何图形的强大计算能力，以离散路堤实体和基准曲面为对象，自动完成路堤强夯层数以及强夯面的计算。

最大强夯层数试算。如图2所示，第一层强夯面位于路床以下H2处，其他强夯面依次向下等距分布。强夯层数n可通过式(1)计算：

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

(1)

式中，n向下取整数，HS为路堤边坡高度。HS通过路基实体包围盒最高点(MaxPoint)和最低点(MinPoint)的z坐标来确定(HS′=zmax-zmin)，由于HS′≥HS，因此采用此方法确定的最大强夯层数总不小于实际强夯层数。

图11 试算最大强夯层数

三维强夯面生成。根据最大强夯层数n以及强夯面的分布规则，各层强夯面与基准曲面的相对高度可通过式(2)确定：

hi=-(H1+H2)-(i-1)·DH

(2)

式中，i=1，2，……，n。将基准曲面沿向量Ⅵ=(0，0，hi) 通过Geometry.Translate节点进行偏移变换，创建各层强夯面所在的三维空间曲面组。通过三维空间曲面组与离散路堤实体进行布尔计算并清除空列表，最终得到全体设计强夯面。

图12 路堤强夯面三维透视图

3.2.4 数据输出模块

完成路堤强夯面的自动设计后，即可使用数据输出模块对相关设计图纸成果及工程量清单进行整理输出。

图13 平面分布图自动绘制

在Dynamo环境下提取设计强夯面的边缘曲线三维空间点，使用Polyline3D.ByPoints节点将三维空间点连接成三维多段线(Polyline3D)，并输出至Civil 3D的模型空间，自动完成强夯处治平面分布图的绘制,如图13所示； 在Civil 3D模型空间里以强夯分布范围边缘三维多段线为曲面特征线和边界创建TIN曲面，并添加至横断面采样源，自动完成设计强夯面在路基横断面图上的精确绘制。

根据强夯层位，分层整理强夯桩号范围、强夯面竖向位置、强夯处治面积等数据，通过Data.ExportExcel节点输出至Excel工作表中，实现路堤强夯工程量清单的自动输出,如图14所示。

图14 强夯设计明细表

3.3 自动设计效果评价

根据前面提出的自动设计技术路线，完成了环湖路二期路堤强夯的自动设计。环湖路二期总计需要对3段填方路基采用强夯处治措施，最大强夯层数为2层，总计强夯面积11 740m2。

图15 强夯处治平面布置图

从图15可以看出，自动设计技术能够准确地绘制出路堤强夯处理的平面分布图，精确地表达强夯面的空间位置关系，实现了工程量的精确统计。传统方法只能由设计人员通过路基横断面图逐桩进行设计，无法准确把握强夯面的空间分布形态，不能准确绘制平面分布图，甚至出现了设计遗漏的情况，工程量统计存在较大误差。自动设计技术显著提高了设计品质。

自动设计程序完成了绝大部分的人工重复劳动，提高了设计工作效率。正向的设计工作流保证了在道路平面、纵断面及横断面设计调整的情况下，路堤强夯设计成果能够实时联动更新，节省了大量的反复修改时间。

4 结语

参数化自动设计技术在处理道路路基等空间分布离散的不规则构造物方面具有巨大优势，能够满足道路等基础设施的高效率、精细化设计需求，对三维正向设计理念的应用和推广具有重要意义。

本文基于参数化设计工具Dynamo，以三维BIM模型为核心，提出了路堤强夯处治的自动设计工作流，并在重庆两江协同创新区环湖路二期项目中成功进行了应用和验证，显著提高了设计品质和工作效率。研究成果对于类似项目设计具有一定的参考价值。