可视化技术在城市主干路设计中的应用研究

2022-09-03杨兴之

大科技 2022年35期

杨兴之

（贵州省建筑设计研究院有限责任公司，贵州贵阳 550081）

0 引言

在可视化技术不断发展背景下，我国城市主干道设计正逐渐由传统2D 图纸设计到3D 立体可视化设计中。通过利用计算机和图像处理技术，汇总主干道相关信息数据，将数据转换为图像在屏幕上显示出来，构建工程模型。可视化技术以其独特优势被广泛运用在工程项目设计中，能有效避免设计环节与具体施工不相符的问题。

1 三维数字地形建立与处理

1.1 创建三维地形曲面

地形曲面表示地形的三维几何状态，是可视化技术应用于城市主干道路设计的基础。其中，纵断面设计、土方计算、主干道路路线设计等都是基于此项工作展开。设计人员通过利用BIM 软件创建道路曲面图，连接谷歌卫星地图功能进行高程数据、影像图数据，下载该城市地形数据。这种地形曲面图创设方式针对一些勘测难度大、地形精度要求不高的城市主干路工程而言，有效解决传统勘测设计方式存在的出错率高、工作量大、数据采集费时费力等问题，如图1 所示。

1.2 三维地形曲面处理与分析

在三维地驱魔模型创设完成后，便可对地形曲面进行处理和分析，包括高程检查、高程分析、曲面升降等。高程检查是监测当前曲面图形中的高程数据，能够及时发现存在问题的数据，如模型中高程点与实际点位差值过大、和周围点形成较大坡度。设计人员通过高程检查功能，删除其中错误高程点。高程分析是根据不同程度高程范围区域绘制不同颜色，便于检查高程分布情况，如图1 所示[1]。

图1 三维地形

2 城市主干路路线设计优化

2.1 三维场景建模

在城市主干道路设计中，三维场景模拟模型是重要基础，通过创建三维道路路线网模型，能有效节省路线设计时间。虽然三维建模优势明显，但在实际运用中依旧存在不同程度缺陷。设计人员应依据道路建造条件，根据施工现场情况实时调整，精确计算道路路线，创建多个不同闭环合路，严格按照设计阶段进行拼接，将其重新组合形成新的模型，进一步保证道路路线设计质量。

2.2 三维模型的可视化

三维虚拟模型结构是基于设计道路路线规划和设计理念，基于卫星图像和模型通过实地勘测，将获取的三维模型与城市主干道有机连接和结合。设计人员利用虚拟现实技术和计算机技术，将地形数据与基础数据为城市主干道路精确空间模型奠定基础；或者利用卫星或航空数字图像进行模拟和处理，能够在主干道路上建立虚拟现实，体会到真实驾驶感受[2]。

3 主干道路纵断面设计与土方量计算

3.1 三维建模

首先，由于城市主干道规划面积较大，通常情况下由多个施工队伍共同完成测量作业，所采集数据信息庞大。为顺利将CAD 文件导入软件中，需要对所采集到的数据进行处理。数据处理主要包括以下3 点：①高程点筛选。需要将不同图层高层点统一规划到同一图层中，便于设计人员查询和后期数据分析。同时，由于城市主干道规划高程点基数大，部分点位难免存在一定误差，需要对这些高程点进行处理，消除偏差大的高程点。②中线编辑。为了保证主干道中线为连续多段线，中间不能有断点，设计人员在利用计算机系统提取道路纵断面时，需要对设计主干道路中线进行检查和编辑。③分区边界线编辑。各规划区边界线应是闭合多段线，保证后期数字高程模型需要。

其次，在信息数据处理后，需要将CAD 数据无损转换成GIS 系统可识别格式，以保证后续工作顺利进行。设计人员应在软件中建立全新数据库，将主干道规划高程点、道路中线、分区边界线等数据进行格式转换，利用工具加载之前转换数据，再利用用户桌面组件将转化后的CAD 数据进行符号化处理，如图2 所示。

图2 某城市主干道规划

最后，构建3D 立体模型。通过利用高程点数据真实反映地表模型，利用GIS 软件采用不规则三角网建立地表模型，不仅能体现出地形特征点与线，还有效避免大量数据冗余。

3.2 纵断面生成

城市主干道路纵断面生成至关重要，关乎着车辆行驶速度、道路使用性能、道路建设投资、运输成本等问题。应明确主干道最大纵坡，保证车辆能安全行驶在道路上，避免下坡车辆行驶速度过快引发安全事故。设计人员需要将道路中线加载到三维高程模型中，将其由2D 平面图转化为3D 立体模型，一定程度上提高了道路竖向设计工作效率。同时，GIS 系统通过将路网数据加载至3D 立体模型中，能快速获取各条主干道纵断数据，有助于降低城市主干道规划区域设计庞大工作量和难度。除此之外，一旦主干道路线模型发生变化，仅需要将新生成的道路中线重新绘制在3D 立体模型上，便可生成新的主干道纵断面。

3.3 土方量计算

设计人员通过利用GIS 软件将主干道规划区地表模型细化至若干微小单元，实现地表特征简化，再采取近似于各个单元地表特征数值和插值数据，计算各个微小单位体积差进行求和，得出最后土方量。首先，建立不规则三角网模型。利用计算机生成整个城市主干路规划区模型，通过分区界线进行划分，探究各个区块土方填挖情况，便于在分区界线调整时后续工作处理。同时，利用道路红线覆盖区域切割模型，计算主干道施工土方填挖情况，编制施工造价预算方案。其次，计算填挖土方量。根据上述建立模型，利用三维分析软件能够快速进行土方填挖计算。当施工区域土方均衡时，便可对整体土方运输路线进行规划，使得设计方案更加直观，体现出设计思路。最后，统计汇总。通过利用数据表生成软件，生成土方填挖统计表，或者构建土方填挖三维模拟图，形象表现土方填挖分布情况。

4 城市主干道路交叉口设计

在城市道路网中，各条主干道路纵横交错，难免会形成诸多交叉口，行人、私家车、公交车都会在交叉口会合、通过、转向。这会对相交道路产生一定干扰，减缓行人、车辆行进速度，延缓通过时间，造成交通堵塞或者交通事故。对此，通过设计合理主干路交叉口，提高通行能力，保证行车畅通，减少交通事故。

4.1 创建交叉口模型

设计人员应基于地理信息系统、地质勘测数据、主干道路资料、城市交通拥堵节段点等，完成主干道交叉口设计、路拱形式选择、道路转弯半径、交叉口路缘石转角半径、交叉口边坡方案设计等工作后，利用可视化技术和计算机依据设计方案创建主干道交叉口立体模型。

4.2 三维仿真模拟实验

在完成主干道交叉口设计后，设计人员利用可视化技术对交叉口进行三维仿真模拟，依据实际车辆行驶数量、通过时速、红绿灯配时等参数，对主干道交叉口通行能力进行可视化模拟，如图3 所示。若交叉口通行顺畅便可说明交叉口设计满足实际交通需求，若交叉口出现车辆拥堵，通行效率低下，则需要设计人员对交叉口设计方案进行优化。目前常见交通组织方式有：设置专用车道，组织渠化交通，实行信号管制，调整交通组织。设置右转专用车道和非机动车道是常见提高主干道交叉口通行能力有效方式；渠化交通是设置交通标志线或交通岛，引导行人和车辆各行其道；信号管制是通过设计最优红绿灯配时来提高通行效率；调整交通组织是考虑城市交通系统，改变车辆行驶路线，如单行道、限制主干道上支路等。如果经上述优化设计后，仍未能解决主干道交叉口通行效率低下现状，则需要改变交叉口设计形式，可将平面交叉口转化为立体交叉口形式[3]。

图3 交叉口可视化模型

5 主干道路排水系统模型构建

5.1 平面设计

在城市主干道路排水系统设计中，设计人员应提前联系城市污水处理部门，获取最新城市污水处理规划图纸，将其与城市主干道路设计高程点进行对比，科学合理规划设计出排水系统管线布局2D 平面设计图纸。在完成排水系统平面设计后，应根据相关规范和工程计算结果，适当调整和优化排水管道尺寸及材料。

5.2 纵断面设计

此项设计是在城市主干道路纵断面设计基础上完成的，竖井图号选择、选定断面绘制功能等都需要相应节点在道路纵断面上的坐标。排水系统管道纵断面设计步骤如下：规划管道坡度→定义管道标高→雨水口连接管道标高→管道标高交互设计。设计人员在完成竖向设计作业后，需要利用计算机系统和可视化技术，对排水系统管道线路进行碰撞试验，避免出现地下管道碰撞现象，使得城市主干道路排水系统符合工程规范要求。

6 城市主干道地下管线规划

6.1 可视化管线设计

城市主干道路地下埋设着大量管线，如照明电缆、热力管线、给排水管线、通信管线等。在传统城市主干道地下管线设计中，通常是管线综合专业来规划各个管线，仅仅是在2D 平面图纸上标注各个构件数据信息，难以将三维效果、可视化设计展示出来。一旦在施工过程中发生管线碰撞冲突，需要建设单位消耗大量资金来解决。为了避免在城市主干道施工过程中损坏地下管线，需要协调好管线竖向高程点、平台位置。设计人员通过利用可视化技术、软件建立地下管线三维模型，让城市主干道管线设计成果直观呈现在人们眼前，不仅包含管线、管件尺寸，还能标注出不同管线和管件，清楚展示出管线立体位置和各个管件之间三维关系。通过合理划分不同管线施工图纸，严格遵守地下管线建模顺序，降低管道改建和调整难度。同时，在建模完成后，应及时开展管线交叉碰撞试验。需要先在计算机上进行预施工实验，发现施工中存在着管线碰撞风险，及时做好调整，能有效避免后期管线碰撞现象，降低返修时产生的费用，提高施工企业经济效益[4]。