Dynamo参数化设计在软土路基处理中的应用研究

崔强，钟杰，肖彬，陈肃明，张炳楠，张鑫

（林同棪国际工程咨询（中国）有限公司，重庆 401121）

0 引言

随着BIM技术在道路建设领域的推广应用，设计高效、信息传递快、便于沟通等方面的优点逐渐得到了项目各参与方的认可，对道路三维正向设计技术的探索与研究也正如火如荼地进行中[1]。

以Civil 3D和OpenRoads Designer为代表的设计软件提供了比较成熟的道路廊道设计解决方案[2-3]，但对于软土路基等地质情况复杂、分布离散的区域，现有软件均无法灵活、高效处理，传统的二维设计方法存在步骤繁琐、效率低下、计量不准等缺点。软土路基处理成为道路正向设计技术的难点之一。

参数化设计作为BIM技术的一个重要部分，具有操作简单、动态可调整等优点，在建筑、桥梁、隧道等方面得到了广泛应用[4-6]。本文基于Dynamo for Civil 3D对软土路基的参数化设计技术展开研究。

1 软土路基处理常规设计思路

软土路基在道路建设中较为常见，主要分布在山间洼地、鱼塘、水田等区域，淤泥及淤泥质土呈流塑～软塑状。道路建设中，通常采用清淤换填和抛石挤淤两种方式对路基范围内的软土进行处理，以保证路基工作强度和干湿状态。

道路设计时，通常根据地质勘察单位提供的钻孔数据评估软土层的厚度范围，并根据软土层厚度确定处理方式。当软土层较浅（H＜3m），或有局部少量软基时，常采用全部挖除，清淤后换填一般路基、合格填料的方式；当软土层较深（H≥3m）时，常采用抛片、块石挤淤的施工方法，以提高地基的强度（图1）。

图1 软土路基处理方式示意

2 参数化设计在软土路基处理中的工作流程

基于Dynamo进行软土路基处理参数化设计的技术路线 （图2），主要由基础资料处理、可视化编程、设计成果复核等三部分构成。

2.1 基础资料处理

（1）在Civil 3D中进行道路设计，创建三维道路模型，提取道路两侧坡脚线，获取道路占地范围。

（2）根据地形图整理与道路占地范围相交的水田、鱼塘等所有软土区域的闭合边界。

图2 软土路基参数化设计技术路线

（3）将地质钻孔数据处理成指定格式（CSV），应用Geotechnical Module模块进行三维地质建模，建立地质TIN曲面及三维地质模型。

2.2 Dynamo可视化编程

Dynamo for Civil 3D提供了众多通用节点，可以对大多数CAD及Civil 3D对象进行读取、编辑、计算、输出等操作，节点化的编程逻辑避免了复杂难懂的程序语言，降低了道路设计人员的使用门槛。Dynamo也提供了可以内嵌Python脚本的自定义节点，进一步拓展了Dynamo的功能，提高了运算效率。本文所用节点均为原生通用节点（图3）。

图3 软土路基处理主要程序节点

本文Dynamo程序主要工作流程如图4所示。

（1）选择道路及软土闭合范围并生成相应曲面，通过布尔运算得到软土路基处理范围。

（2）计算软土路基处理范围起、终点桩号。

（3）通过布尔运算对软土地质实体进行切割，得到路基范围内软土实体。

（4）计算路基范围内软土层最大厚度Hmax及最小厚度Hmin。

（5）判断软土路基处理方式。当Hmax≥Hj（Hj为临界厚度参数，默认值为3m）时，该区域即采用抛石挤淤方式处理，反之则采用清淤换填方式。

（6）确定处理深度，抛石挤淤处理深度通常取临界深度（Hd=Hj），清淤换填则全部挖除。

（7）工程量计算。抛石挤淤工程量V=Hd·S，式中S为软土处理面积，清淤换填工程量由节点Solid.Volume直接读取实体得到体积。

（8）整理中间设计成果并输出到Excel工作表，自动绘制软土处理平面分布图。

图4 软土路基处理Dynamo程序流程图

2.3 设计成果复核

设计人员可在Excel工作表中对软土处理方式进行复核、修正，然后使用Data.ImportExcel节点将修正后的中间设计成果输入Dynamo程序，即可重新绘制软土处理平面分布图，并自动输出最终设计明细表。

3 应用案例

3.1 项目背景

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该片区“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，是一条沿湖观光的城市支路（图 5）。

图5 项目区位

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。环湖路二期场地范围内存在大量水田，水田中分布厚度0.0～8.2m的软塑～可塑性粉质黏土。

为对照分析参数化设计方法与传统二维设计方法在设计成果质量、工作效率等方面的差异，环湖路二期在施工图设计阶段采用了两种设计方法独立开展软土路基处理设计的工作模式，项目设计人员熟练掌握两种设计及软件操作方法，专业技术水平具有代表性。

3.2 参数化设计成果

完成软土分布范围提取、三维道路模型及三维地质模型建立等准备工作后，运行编写好的Dynamo程序即可快速输出软土路基处理中间设计成果，并在Civil 3D模型空间中绘制出软土路基处理区域的平面分布图（图6）。中间设计成果表明：环湖路二期共计有16处需进行软土路基处理，其中14处采用抛石挤淤处理，2处采用清淤换填处理。

图6 环湖路二期软土路基处理参数化设计过程（K0+140～K0+920）

3.3 参数化设计与传统二维设计对比

3.3.1 设计成果对比

（1）设计精度方面。使用参数化设计方法，能够准确地绘制出软土路基的处理边界，设计精度较高；传统设计方法只能依靠设计人员人工绘制、处理边界，通过肉眼估读或外部插件逐一查询的方式来确定桩号范围。表1根据桩号范围对两种设计方法的设计成果进行了人工匹配，可以看出采用传统设计方法对环湖路二期进行软土路基处理设计时，存在部分区域设计遗漏（未处理）的情况。

表1 设计成果对比

（2）处理方式判断方面。采用传统设计方法时，设计人员根据有限的地质数据对软土厚度范围进行估计，凭经验确定软土路基的处理方式，容易产生错误的判断；参数化设计中间成果基于路基范围内三维软土实体的厚度参数和Dynamo程序设定的临界厚度参数Hj进行自动判断，通过人工进行快速复核、修正，保证了设计质量。适当增加地质勘察数据、提高三维地质模型的精细度，程序能更加准确地判断软土路基的处理方式。

（3）工程计量方面。当软土层较厚时，两种设计方法均采用式V=Hd·S计算得到抛石挤淤处理的工程量，计量结果差异不大；但当软土较薄、采用清淤换填方式处理时，参数化设计方法通过直接读取软土实体体积的方式进行工程量统计，提高了工程计量的准确度。精确的软土路基边界处理能力是参数化设计方法准确计量的前提。

3.3.2 工作效率对比

两种设计方法对软土路基处理的设计原理基本一致，降低了设计人员从传统设计方法过渡到参数化设计方法的学习适应成本；参数化设计方法打通了与上游勘察专业的正向协同设计流程。表2列举了设计人员分别采用两种方法对环湖路二期进行设计时的工作时间情况。由于Dynamo节点包是可复用的通用程序，BIM研发人员完成开发后，相关设计人员可直接使用，不会增加设计人员的工作时间，因此表2未计入Dynamo程序的开发时间。

表2 工作效率对比

在进行软土路基设计时，相较于传统设计方法，参数化设计方法能够节省约1/4的工作时间。两种方法在创建道路模型、提取软土分布范围、地质勘察数据整理等步骤上所花工作时间基本一致，参数化设计方法增加了创建三维地质模型步骤。参数化设计方法在基础资料整理阶段（工作阶段Ⅰ）的工作时间累计占比超过90%，完成基础资料处理即完成了大部分的设计工作，传统设计方法仍有超过40%的工作（工作阶段Ⅱ、Ⅲ）需要人工完成。参数化设计方法节省了大量人工工作时间。

道路平、纵、横等设计参数常根据实际工程条件进行调整修改，软土路基处理设计亦随之变更；地质勘察资料的补充、数据精度的提高，亦会影响软土路基处理方式的选择。在道路设计方案修改完成后，传统设计方法几乎需要重新开展繁琐的设计流程，参数化设计方法仅需更新相关特性参数，运行Dynamo程序即可自动更新设计成果，大大提高了工作效率。

4 结语

参数化设计理念对于BIM技术的推广与应用具有重要意义。传统的廊道设计理念难以处理空间分布离散的不规则构造物，Dynamo的推出则弥补了这一短板。灵活运用三维设计工具，深入挖掘Dynamo参数化设计潜力，突破传统设计思维的限制，才能推动道路三维正向设计技术加速前进。本文提出的软土路基处理参数化设计技术在重庆两江协同创新区环湖路二期项目中进行了应用和验证，研究结果表明，利用Dynamo对软土路基处理进行参数化设计，可以在优化设计流程的同时，显著提高设计质量和工作效率。