基于三廊道的公路路基设计及建模研究与应用

2022-06-25曾凡云汤宏伟唐俊成

水电站设计 2022年2期

曾凡云，汤宏伟，唐俊成

（中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙 410014）

0 前言

随着5G技术的普及与万物互联需求加速发展，数字孪生和物联网成为必然趋势，因此，具有精细、准确、即时的几何和信息的三维模型在BIM实施与互联发展中起到至关重要的作用，对于勘察设计行业而言，BIM模型的设计交付和应用也逐渐成为项目开发中的必要条件［1-4］。为了满足BIM模型交付的要求，当前的勘察设计团队往往在完成传统的设计方案的同时，通过建模的方式将既有的设计方案转换为三维几何模型，再将模型元素赋予对应的材料、造价等信息（行业内称为翻模）交付给施工方和业主［5-6］。对于公路项目而言，路基作为道路模型的主体，与路线方案及地形关系密切，设计过程涉及反复修改优化。如何高效地进行路基设计与修改，一直是公路设计中的难点问题。在三维协同设计环境中，由于多专业的参与，更多基础数据的加入，多项目的组合，使得路基设计的边界复杂度大大增加，而交互式的精细设计使得路基模型自身的标准程度大大降低，在这种情况下，如何实现三维体系中的路基高效设计修改，并能满足复杂边界条件，成为推进公路BIM应用必须解决的问题。

现以公路路基三维设计及建模为研究对象，分析当前常规路基设计方法和软件的不足，并提出一种基于三廊道的路基建模方法，以满足路基三维设计优化与模型交付的要求。该方法在江西省S206贵溪虹桥至黄思段公路改建工程的路基设计中进行应用，体现了很好的适用性。

1 公路路基设计建模现状分析

在传统二维设计过程中，公路路基设计过程并不考虑路基的三维建模问题，只是通过关键桩号横断面设计结果来描述整个道路的路基方案，关键桩号之间的区域并不表达，计量时按线性插值进行粗略考虑［7-8］。这种模式经过多年工程实践，基本适用于常规公路设计要求，但是也体现出一定的局限性。比如无法直观、清晰、完整地表现最终的路基设计方案，小半径回头弯位置的路基断面自相交难以处理等。

在三维设计中，常用Autodesk公司的Revit、Civil3D，Bentley公司的OpenRoadsDesigner等软件进行公路三维设计，这些软件在进行路基设计建模时，通常采用标准横断面进行路线放样，然后再针对放样模型进行精细调整［9-14］。这种模式通过全局三维建模，解决了路基方案整体表达的问题，也带来了宏观可视化的便利，但在路基模型精细度控制和建模效率上也体现出一定的局限性，主要表现在：

（1）现有的软件中无法针对上述设计过程中的填挖过渡、挡土墙布置、涵洞布设等关键位置自动进行断面加密。

（2）在路基设计的动态过程中，由于路基方案在不断进行调整和优化，这种全局建模的方式也在交互过程中呈现出明显的效率问题，且断面间距越密，路基模型建模的耗时越长存储空间占用越大，但道路左右侧的加密需求一般不同步。如图1案例所示，因地形变化，在路基较宽时左右路侧填挖过渡的桩号区间一般不一致，这种情况下对整个路基进行加密建模将进一步增加模型体量。现有软件的断面设计思路一般为将整个道路断面在一个廊道中进行定义（如图2所示），在仅需要对路基某一侧局部加密时弊端较明显。

图1 道路左右侧填挖过渡区间不一致的案例

图2 现有公路三维设计软件中道路横断面定义方式

澳大利亚交通项目工程师AlexanderBadaoui及其所在设计团队（TERRA）提出一种“三维线性法”来解决上述问题［15-16］，其基本原理如图3所示，即将道路横断面中，路面、路肩、边沟、护栏、边坡等构件进行拆解，分成多个廊道进行建模，多个廊道之间通过参数建立约束关系，以实现路基各构件的协同变化。但此方法的症结在于为了将一个横断面中的多个廊道动态关联在一起，需要建立大量的点控制与参数控制条件，廊道建模效率降低，而且在一个断面中廊道数量过多且不标准的情况下，维护多个廊道之间约束关系时的稳定性得不到保证。

图3 三维线性法进行路基建模的方法（多廊道定义整个断面）

2 三廊道建模方法

2.1 基本思路

本文对三维线性法进行简化处理，即利用“三维线性法”的思路进行路基模型创建，但是在构件的拆分，即廊道的数量上进行精简，以道路左右侧硬路肩或行车道外边缘为分界，将整个路基设计拆分为中间路面、左路基、右路基3个廊道（见图4）。这种左、中、右三廊道的建模方法有如下优点：

图4 左中右3个廊道定义整个断面

（1）在路基设计分区上，中间廊道主要处理道路分幅、超高加宽等方案以满足行车要求，而左右廊道主要处理与地形相关的填挖边坡及排水沟渠方案，以满足路基稳定及排水要求，概念清晰而简洁，便于方案管理。

（2）在整个路基设计流程以及修改工作量的方面，中间廊道用来表达行车范围之内的设计方案，一般在项目设计之初，道路等级、路基标准、超高加宽计算完成后即可确定，设计过程修改较少；而左右廊道在中间廊道设计完成后需要进一步结合地形及周边环境进行反复调整与优化，工作量较大，将左中右廊道分开可以在动态调整过程中只针对需要调整的位置进行模型修改，可以大大提高整体的建模效率。

（3）在路基建模密度上，中间廊道需要在曲线段加密，而左右廊道需要在填挖过渡、挡墙支护、涵洞布设等位置进行局部加密，且左右侧路基的加密桩号一般不同步，三廊道建模方法可以使左中右廊道按各自需求进行单独加密，可明显降低模型占用存储空间与计算资源。

三廊道方法是一种数据和模型层面的处理方法，而对于工程设计而言，还是以道路整体断面进行分析和表达，因此三廊道方法的应用，还需要解决路基断面整体表达与三廊道表达之间的映射，以及道路路线修改后三廊道的刷新两个问题。

2.2 路基断面整体表达与三廊道表达之间的映射方法

对于三廊道路基设计而言，左中右3个廊道模型相对独立，因此需要针对三者之间的工程定位关系进行专门处理，以保证三廊道模型能够实现同步映射。由于道路设计中构造物的定位均通过其对应道路中线桩号位置进行描述，故本文采用法向垂直投影的映射关系作为多个廊道的同步逻辑（如图5所示），对于左右廊道上的任意点或断面的定位信息，均按其向道路中线的投影桩号进行描述和记录。

图5 三廊道路基设计时的廊道同步逻辑

2.3 路线修改后的廊道刷新方法

传统二维设计软件和当前的三维设计软件都是按桩号对路基进行定位，路线修改后的模型刷新一般也是按桩号进行匹配，并基于此在道路设计中引入了断链的概念，通过对路线桩号添加命名前缀（如AK0m＋050.0m＝BK0m＋068.5m）模拟长链或短链，来解决调线前后的定位对齐问题。但是这种断链的方法也存在一些问题，具体为：（1）在路线方案设计过程中，路线反复调整，此时为了保证廊道方案的刷新，需要反复设置断链，操作较为繁琐，阻碍了方案动态修改的连贯性；（2）路线修改前后，廊道的长度有可能发生变化，因此每次调线需要在每个廊道的起终点各设置一次断链，这导致整个调线后的路线方案中断链相当多，可能会引发命名歧义。

该研究采用最近点投影的方式来自动进行路线修改后的廊道刷新。如图6所示，当路线方案从A线调整为B线后，分别将A线中的点A1与A2按绝对坐标向B线进行最近点投影，计算得到点BA1与BA2；然后将廊道模型刷新至，这种刷新方式可以在路线局部调整后仍保留未调整部分的廊道方案不变，而局部调整区域最大限度贴近原方案，且能对廊道长度的变化进行自动处理。此方法可最大限度地利用原有设计方案，提高设计效率。

图6 路线修改后的廊道刷新逻辑示意

结合上述方法，基于Bentley平台OpenRoads Designer软件研发了公路路基设计功能，并按图7所示流程进行公路路基设计与调整。最后通过相关交互功能开发，将三廊道建模逻辑在后台进行实现，对于设计人员而言，可以选择性地针对单一侧廊道进行调整或者对路基横断面进行整体调整。

图7 三廊道路基设计流程

3 工程应用实例

3.1 工程概况

江西省S206贵溪虹桥至黄思段公路改建工程，项目全线采用二级公路标准建设，设计速度60km／h，双向两车道，路基宽度10m，横断面布置为：0.75m（土路肩）＋0.75m（硬路肩）＋2×3.5m（行车道）＋0.75m（硬路肩）＋0.75m（土路肩），如图8所示；路线全长9.544km。桥涵设计汽车荷载等级为公路Ⅰ级；其余技术指标采用交通部颁《公路工程技术标准》规定值。本项目设置大桥1座（预应力混凝土T梁，柱式墩、肋板台、桩基础），无隧道。工程结构物主要有路基主体、排水沟渠、重力式挡土墙、排水涵洞等。

3.2 设计应用

3.2.1 路基廊道建模与修改

路基建模时将整个断面划分为左、中、右三个廊道进行分开设计建模（见图8）。

图8 S206贵溪虹桥至黄思段公路改建工程路基标准横断面示意（单位：mm）

图9为完成的项目路基模型，从模型成果来看，左、中、右廊道的断面密度可分开设置，互不影响，可方便地进行针对性的局部加密，大大减小模型数据存储空间与计算耗时。

图9 项目路基模型

另一方面，对于当前道路三维设计软件进行廊道建模时，在填挖交界过渡区出现明显突变的问题，利用二分法进行过渡区断面间距自动加密，实现几何模型的平滑过渡。

路基标准横断面带帽后，对于路基断面还是按整个路基断面的参数进行交互式详细调整，而调整后的廊道模型按左、中、右廊道进行独立修改与建模。

3.2.2 关联专业协同修改

公路路基作为公路项目的主体，在设计过程中，它与道路交通安全设施、支挡结构、边坡防护、排水结构、涵洞等均有关联。以挡土墙设计为例（如图10所示），路基左右侧廊道分开设计和建模，当某侧进行挡土墙布置或方案调整时，只需要对对挡墙布设侧的廊道边坡进行局部区间的加密和修改，可以很好地兼顾模型表达精度及动态修改的效率。