三维绘图在公路设计中的应用

马骏，柳凯

（宜春公路勘察设计院，江西 宜春 336000）

0 引言

一级公路属于高等级公路，其路面结构主要为沥青混凝土，主要优点为平整度高、使用寿命长、性能好等。现阶段一级公路设计中所用的二维图纸往往精度不高，无法明确标示出施工细节，增加了工作量，延长施工周期。为提高设计精度，实现公路的横向勘察设计，采用计算机构建三维模型完成绘图，可将数据模拟机械化传输，提高设计效率。三维绘图技术可快速绘制出设计图纸，起到互相联动作用，修改模型时施工图纸即可更新出二维图纸。

1 公路中绘图原理及要点

对公路进行勘察设计时，其中的测绘内容主要根据实际工程的施工状况来展开，公路的绘图为一项基本环节，绘制的内容是施工范围内的地质情况，以提高公路的施工安全和设计合理。在公路的绘制设计过程中，遵循的主要原则有公路初步测量和施工图测量两个环节。其中初步测量主要是对未开启施工区域进行测量设计，通过初步测量结果得到并优化设计方案，根据测量实际数据，结合现有的数据进行综合考核，考核不满足要求的部分应进行优化处理。初步测量主要分为三个测量方面，即为地形图测量、平面高程控制以及纵横面测量；施工图绘制的重要依据是初步测量，结合初步测量数据进行二次测量，再进行纵横断面测量。施工图测量和初步测量相呼应，得到最佳的绘图信息，做好合理规划进行绘制工作。

目前公路设计中绘图技术主要为三维绘图，其中主要涉及到的应用有数字化绘图和3s绘图两种。数字化绘图技术单一，而3s绘图以数字化绘图结果为基础，结合工程实际完成最终绘图。而单独一项绘图技术由于其自身优点和缺点，无法满足一切施工项目，所以对多项技术进行集成应用可较为有效地满足公路绘图设计要求，为公路设计提供便利条件。

2 三维绘图技术概述

公路的勘察设计主要采用的是“轴线+横断面”的方式进行设计。针对一般路段，通常会选择不同横断面点位采用轴线平行的方式进行连接，以构成的几何体来计算工程量。针对复杂路段，如隧道、挡土墙、桥梁等，往往需要增加平行线来实现公路设计。现阶段所用的二维图纸精度不高，无法明确标示出施工细节，复杂工程中需要的二维图纸更多，会增大工作量，延长施工周期。为提高设计精度，实现公路的横向勘察设计，采用计算机构建三维模型完成绘图，可将数据模拟机械化传输，提高设计效率。

三维绘图不需复杂的设计软件，普通AutoCAD软件即可实现三维绘图功能，满足设计要求。三维绘图操作和二维绘图无较大差别，而具体一些命令则有相关规定，操作步骤简单设定为：（1）三维旋转命令。通过旋转轴指定旋转图元，以确定辅助线；（2）图元三维拉伸命令。确定拉伸图元，完成基本拉伸操作；（3）切割实体。选定需处理的实体，确定切割起止位置；（4）绘制三维面。生成出边界曲面；（5）查询工具。确定属性，如距离、面积、角度、体积等，完成对象查看。

3 应用实例

3.1 工程概况

G220东深线天井至下浦（宜春市城区绕城）段公路改建工程为宜春市南北走向公路，路线全长19.452km。K388+400～K394+650段采用设计速度60km·h-1，一级公路标准，路基宽度为24.5m。其中，路面宽23m，单侧土路肩宽0.75m。路基设计标高为行车道中线标高。路拱横坡：一般路段行车道、硬路肩的路拱双向横坡为2%，土路肩横坡3%。路基横断面布置如图1所示。此前施工设计中，主要采用的是图文叙述，并采用的是二维图纸，施工技术人员无法更好掌握设计要点，这样会增大设计难度，延长施工周期。经研究决定采用三维绘图技术进行公路设计，并对技术要点和指标进行研究分析。

图1 路基横断面布置图

3.2 三维绘图技术要点

（1）构建模型

结合现有的二维图纸，首先生成三维三角网模型，结合三角网中的出差点将模型进行补充和修正，经过调修后生成出三维数字地面模型。模型建立后对公路的各要素进行设计，实现公路设计立体化、高效率。

（2）平纵曲线设计

三维模型的参数化建模工作第一步是根据二维公路设计文件提取出公路平面线，采用PowerCivil软件设计平曲线。再进行纵断面设计，主要视图显示出设计线和地面线两种。三维模型中地面线要能准确反映出地面高低起伏变化情况。结合软件中高效的绘图功能，拟合平曲线和纵曲线，最终完成空间曲线拟合。

（3）参数化横断面设计

采用PowerCivil软件设计横断面，在设计过程中整合出公路路面边坡、结构、尺寸、挡土墙以及护栏等要素，对所有要素进行参数化设计，定义好各材料的名称和性能，将各要素和材料相整合。进行横断面设计的过程中将不同点位构建成一个构点，不同构点处可有多个约束点，自定义的方式进行点位设置，以不同参数来进行关系计算。参数横断面设计过程中，采用约束方式完成对横断面圆点和路面中线点进行参数关系分析，横断面构建不同，对应的材料性能和名称也不同。完成参数横断面设计后结合公路路面地形特征和交通环境来建立最终模型。

（4）信息管理与二维出图

本公路项目在三维模型建立时附加各构件和元素的信息，以便查询模型参数信息。由于本项目公路具有点多线长的特性，则可以加设桩号，结合桩号观测横断面属性，实现信息的菜单式管理，并可多视图动态观测属性信息。三维绘图技术可快速绘制出设计图纸，可将图纸和模型相结合，并互相联动，修改模型时施工图纸即可自动更新生成出二维图纸。

（5）工程量统计

本项目三维模型建立后，在桩号每隔5m自动生出填挖方、构建数，提高设计的质量和效率。采用三维绘图技术和传统绘图显示出的填挖方土量，其计算结果对比如表1所示。根据表中数据得到，传统绘图技术中显现出的土方结果较为模糊，而三维绘图技术显现出的计算结果更加快捷准确。

表1 土方量计算对比结果

4 结语

为提高设计精度，达到实现公路的横向勘察设计目的，可采用计算机构建三维模型完成绘图，可将数据模拟机械化传输，提高设计效率。三维绘图技术可快速绘制出设计图纸，通过互相联动作用在修改模型时施工图纸即可更新出二维图纸。本文重点对三维绘图技术原理和要点进行研究分析，采用三维绘图可达到快速出图的目的，增大设计效率，与传统绘图相比具有准确高效等优点，具有一定的可行性和实用性。