现代公路数字化设计初探

霍三胜

（山西高陵高速公路有限公司，山西 陵川 048300）

从事公路设计工作近30年的经历，沉淀一个想法，认为设计就是“想象”。从最初的“空想”虚拟图像、切面分解、手工制作平面图、手工图解法，到现行的计算机CAD制图，只改变了制图工具，设计过程并没有实质性改变，还是虚拟图—二维平面分解图—施工成品现实图。但是，随着新科技的迅速发展，云计算存储的实现，3D打印技术的诞生，简化设计制图过程，跨越平面转换，实现从“想象”虚无图，到虚拟现实模式化图，从量变到质变，实现公路设计二次革命。

1 公路的由来及初级设计

1.1 公路的由来及最初的设计

人类与交通同源，与交通发展相辅相成。交通是人们生活的一种要素，也是一种重要的生产力。古今中外，人们生产生活都离不开交通，而路就是最重要的基础设施。人类吃、穿、住、行四大要素中的行，就是交通，而行就得有道。古人云：“本来没有路，走得多了就成了路”。路从无到有，从本来没有路到走的多了就成了路的原始路概念，发展到经过初步修筑的羊肠小道、车马大道，到各种技术等级的公路，直至现在的高速公路。要有路，就得先修路，要修路，就得先设计，特别是现代社会的高等级公路更是这样。传统的设计，就是根据需求把想象虚拟道路用图纸展示出来，通过动手去完成。现在的设计，则是从项目建议书到立项、工可、初设、施设，一应俱全。

1.2 数字公路模块化设计

随着科技的进步，电脑云计算的出现，3D打印技术的实现，加上“互联网+”的推动，实现立体模块化设计，将原来的不可能成为可能。实现“想象”（初始虚拟图）利用新的科学技术，实现立体模块化数字化设计。利用地模数字技术，象积木式建楼房一样，建立公路模块库，跨过平面纸质作图环节，直接生成立体数字化设计图，再利用3D打印技术，生成按比例缩放的现实立体模块图，由“纸上谈兵”到现实的模拟图、现实图。数字公路模块化图，既简化程序减少平面纸质设计过程，又环保节约，省去大量纸张，更能直观真实地体现公路实景效果，一张光盘就是一条路的设计资料，打印出来就是公路现实的微模型，就是直观数字化现实版“微公路”。可以说，加上地质、地貌、水文和结构计算等辅助资料的验证，数字模型化公路设计变成现实。

2 现代公路设计理念的探索与思考

2.1 推进设计直观化、模型化、数字化，提高设计品位

设计理念，数字立体公路与地模数据衔接，以直观、量化的形式展现，数字公路与地理环境充分吻合，相互验证，形成最符合实际的设计方案，真正的实体模型，更能体现方案的优越性。使虚拟变现实，理想与实际结合，通过实践检验其合理性，从而提高设计品位。

2.2 利用虚拟现实与GIS技术，建立交互性、逼真性三维虚拟场景

虚拟现实与GIS技术的出现日趋成熟，为解决数字公路设计带来了新的机遇。利用虚拟现实技术，结合真实地形数据，建立交互性、逼真的三维虚拟场景，用户可以在虚拟环境中直接导览三维场景，结合GIS与数据库技术，构建三维可视化逼真的虚拟场景软件系统，使得设计者依靠虚拟想象建立起立体模型结合地理信息系统及数据库，生成直接的、逼真的三维数字现实设计图。

2.3 利用3D打印技术实现按比例缩放的逼真场景模型图

在国外“数字地球”的概念影响下，中国掀起了建立具有中国特色的“数字中国”、“数字北京”的热潮，国内许多单位开始重视和研究虚拟现实技术及信息技术，其目的就是建立中国特色的“数字公路”，将虚拟现实技术、可视化技术、地理信息技术、数据库技术和网络技术有机地结合在一起，利用现代云计算技术、3D打印技术，实现数据模型公路模块化、电子化设计，探讨开发和研制公路数字模块化设计操作系统，以适应公路建设、设计发展的需要。

3 设计思路与基础支撑

3.1 立体设计总体思路

构建公路参数化设计资料模块库，利用公路已有设计软件生成平、纵线性数据，结合选用的公路标准断面，生成带状的路线立体模型，调用参数化设计模块资料，布置镶嵌添加桥梁、涵洞等构造物，放入数字化的GIS地模场景中，形成三维数字化场景模型设计，加上3D打印技术即可生成真实的公路微模型设计图。

3.2 建立GIS的公路三维可视化地模场景

建立高GIS的公路三维可视化地模，真实地形数据、地面特征物，以每段200 m建立起公路及两侧200 m宽的三维场景模型，构建出设计后的公路三维场景图，提供公路三维交互与设计，为实现公路立体化设计提供直观的地形地貌场景。

3.3 建立成品设计资料参数化模块库

收集整理相关专业各大院校、科研单位、设计单位成品的大中桥梁、特殊构造物、涵洞、通道等代表性构造物电子设计资料，录制代表性作品数字化三维图库，建立全面的成品设计资料参数模块库。

3.4 公路场景真实的带状构造物设计模型

公路场景包括地形与构造物。针对地形数据量大的特点，采用分段与顶点索引的方式组织地形数据。公路场景包含路基、路面、桥梁、隧道、涵洞、防排水工程和交通安全设施等构造物，其中路基和隧道为带状构造物。根据带状构造物的特征，提出一种数据驱动的带状构造物建造自动化建模方法。该方法将带状构造物抽象为横断面模板，把连续的带状构造物离散化为横断面序列，根据少量的构造物参数生成横断面模型，并将其连接生成构造物竣工模型，从而达到基于真实场景地模自动化展示带状构造物模型。

4 科技创新与评价

4.1 关键技术科学性

高速公路三维信息可视化信息开发中涉及到的关键技术包括：a）高速公路三维场景逼真建模和绘制技术；b）三维实时交互漫游技术；c）GIS数据管理技术；d）基于VR设备的交互技术；e）二维导航图生成与定位技术；f）建立模块化大数据量的参数设计资料管理技术等。

4.2 核心理论无缝对接

设计数据管理在公路设计与维护系统中引入PDM概念和技术为公路全生命周期的各种数据信息的统一管理与控制提供必要的支持工具，与虚拟现实技术相结合，可带来的好处是：提高设计的准确性、实用性，设计图的直观性和可塑性，有利于控制项目，设计与实地无缝对接。

4.3 构建统一的规划设计中心

按照全国一盘棋的要求，建立数字公路，构建成立公路规划设计中心，结合地理GIS建模，直接生成公路立体模型图，实现集中规划，分段实施，精细化设计的发展之路。

4.4 多功能综合应用

采用空间数据与属性数据相结合的混合数据模型，将空间属性和物理属性有机地结合在一个系统中，实现图形、图像和查询统计数据的综合分析与处理等功能。公路的三维可视化设计，一是能够改善浏览公路信息的视觉效果，提供设计方案建成后的直观性；二是借助于DIS技术为决策机构和领导准确、快速地提供决策信息，为深层次分析奠定基础；三是为公路后期维护管理提供原始资料查询与决策。

4.5 立体设计的评价

a）开创性 从虚拟立体无形直接设计立体实物微模型，简化平面设计中间过程，实现数字化、电子化，可随用随打开，方便实用，直观可见。利用云计算、3D打印互联网+技术，实现网上办公、网上设计生成现实版的微公路模型图。

b）操作可塑 虚拟现实，量化直观，按照堆积木的原理设计公路，操作方便。数字化、电子化，修改方便，可塑可换，电子更换，节省资源。

c）综合性 规划设计直观可见、施工过程可控制、养护管理等综合应用性强。可在全国乃至全世界各领域推广应用，实现资源共享。

5 结语

立体模型化设计，方向正确、条件具备、意义重大。互联网时代，数据共享、网络化办公，规范化应用，避免大量的重复劳动，实现各类资源利用最大化，各个环节操作精细化，各项作业规范化。建议联系相关专业和业务部门，各大专院校、科研设计单位，建立全国性公关立体设计研究组，实现网络立体化设计。利用虚拟现实和地理信息系统、数据库管理信息系统等技术，最终实现公路立体模型化设计。