基于BIM 技术的公路线形三维可视化设计

潘 越，朱 福，齐振国

（1.吉林建筑大学 交通科学与工程学院，吉林 长春 130118；2.同豪土木有限责任公司，上海 200000）

引言

根据国家统计局数据，2020 年我国道路交通事故万车死亡人数1.66 人，因交通安全问题造成的人员伤亡、经济损失仍居高不下。研究表明，除部分事故是由于驾驶员行驶不当、车辆存在安全隐患、不良天气等外部原因导致外［1］，绝大部分是由于危险的行驶条件导致，而危险的行驶条件往往与不当的线形条件有关。

在传统二维设计背景下，公路线形平面、纵断面及横断面设计一般均能满足规范要求；但公路线形是空间三维的带状体，在叠加组合后，公路线形变成三维空间路径，线形设计在部分路段无法实现平面线形与纵横断面的动态结合［2］，在二维设计下曲率连续的线形并不能保证其三维空间曲率的连续性，部分路段存在三维空间曲率连续性的衰减现象［3］。

1 公路工程设计BIM 系统的特点

1.1 路线三维可视化建模

目前主流的公路工程项目设计方案主要采用二维设计，在设计过程中，设计人员将二维平面与纵断面分开设计，设计完成后根据现场调查、公路沿线影响因素对设计方案进行调整改进。在该过程中，二维设计不仅孤立地将平面线形与纵断面线形分开进行设计，导致安全隐患；而且在设计过程中，由于二维设计不能直观地展现表达周围环境，在后期对路线的修改过程需进行多方沟通，耗费大量的时间与精力。公路工程设计BIM 系统等三维可视化软件的出现有效地解决了上述问题，通过三维设计将平面设计与纵断面设计结合起来，保证了公路曲线的基本变量曲率、挠率的连续性，并采取航拍影像、实地勘测等所得数据，建立数字高程模型（DEM），并根据数字高程模型建立数字正射影像数据集（DOM）［4-5］，生成三维地形模型，直观、立体地反映项目整体与周边环境的关系［6］，见图1。

图1 路线模型与周边关系

1.2 路线方案比选

公路工程属于政府投资的交通基础设施项目，其可行性研究报告是决定项目能否立项的重要因素。报告中的周边社会现状及发展预测、长期经济发展与交通量预测、建设技术标准以及当地地形环境条件等内容将决定项目设计方案，并由政府召集建设、规划、环境、国土、水利、财务等部门对多方案进行可行性探讨，最终做出决策［7］。

在设计及最终决策阶段，由于设计部门及从业人员较多，所涉及相关专业跨度大，关注重点各不相同；专业性强，沟通交流难度较大；耗资巨大，时间跨度较长，涉及因素多，不确性大，调整范围广导致公路路线设计在最终确定前会由于各种原因进行修改。为有效推进设计进程，利用公路工程设计BIM 系统，通过创建公路三维信息模型比选。项目建设各参与方及相关技术专家可以通过方案比选，更直观地看到沿线各种建设条件、地形因素、建设方案及建成后的效果，加快方案比选论证过程，选定最优方案。

1.3 自动出图

作为传统设计方式，CAD 主要以图纸的形式进行展示，通过二维设计图纸，并不能完整的表达设计想法，容易产生疏忽与漏洞，施工人员若不能正确、完整读懂设计意图，将影响整体工程质量；若是当设计方案因故需要修改时，基于CAD 的二维图纸修改，工作量较大［8］。

自动出图是 BIM 技术的核心价值之一。在公路工程设计BIM 系统中，三维模型与图纸具有实时性、关联性，完成公路路线三维建模后，就可以直接由三维模型生成路线平面图、纵断面图、横断面以及直线曲线及转角表、土方数量表、主要技术经济指标表等，从而实现图纸绘制的自动化、便捷化。

2 公路线形三维可视化设计

2.1 三维数字地面模型创建

公路是空间三维的带状体，公路线形设计目的在于确定公路的三维空间位置。常用的公路线形设计将空间几何转向二维设计，将平纵断面分开进行设计，导致一系列安全隐患。基于BIM 的三维可视化设计，提供了强大的数据处理能力和计算分析能力，帮助从业人员通过实地勘测所得的相关三维数据通过整合处理，以3D 形式储存于3D 格式中。

在公路工程设计BIM 系统中，利用 DWG 地形图作为地形源数据，首先在公路工程设计BIM 系统界面中建立一个新工程；其次将DWG 地形图导入软件，在构建地模中，分别添加DWG 地形图中的等高线、高程点、轮廓边界数据，创建完的地形模型见图2。该三维地模是建立公路 BIM 模型的载体，其中包含了三维坐标地形等信息，不再是 AutoCAD 的图形对象［9］。

图2 三维数字地面模型

2.2 平纵线形设计

在创建完成三维地形模型基础上，采用导线法及线元法相结合的方式，进行三维公路线形设计。公路工程设计BIM 系统不同于其他BIM 技术在于实现了平面设计及纵断面设计的实时同步，对设计阶段进行了改良，见图3。

在平面设计阶段，对相关控制点进行选取，并根据三维地形图，输入缓和曲线、直线、圆曲线等公路路线相关参数进行设置［10］。在二维设计中，平面线形与横纵断面线形均是孤立存在。而在公路工程设计BIM 系统中，由于BIM 技术能够实时更新三维线形的特点且软件提供平纵设计实时同步的功能，便能以平面线形为依据，进行纵断面线形设计，对其纵断面线形走势进行调整，使其满足公路工程设计相关规范；在此基础上，可以进行桥梁、隧道、涵洞等构造物设计，进一步对公路线形设计进行优化，软件根据相关参数自动生成公路线形。

2.3 路基横断面设计

路基设计是公路工程设计中非常重要的一个环节。在以往的路基设计中，主要根据路线、地形图、地勘资料等进行路基横断面设计，再根据路基横断面对边坡、防护、支挡、排水、土石方等路基相关专业进行设计。同时，由于路基牵涉专业较多，且不同专业的设计会对路基横断面设计造成影响，需要设计人员反复迭代设计，加大了项目的成本。

在传统的路基横断面设计流程中，不同的路基专业设计，需使用不同的工程软件进行设计；同时由于路基工程的“灵活性”，时常有许多设计结果不能通过软件设计完成，有些专业甚至需要设计人员手工进行绘图计算。而现阶段并没有一套完整的路基设计解决方案，这就导致路基设计结果不够严谨细致，同时设计过程中也存在难以协同、效率低下等问题。

传统的路基设计是基于二维图形的设计过程，这就导致在设计过程中存在一系列的设计盲点，如横断面桩号之间若存在特殊构造物或是特殊地形，即使加密横断面桩号，也不能完整地表达构造物、地形、地貌等信息。换句话说，传统设计中的横断面设计结果并不是一个连续的结果。

公路工程设计BIM 系统针对传统路基设计流程中的问题与弊端，结合GIS、BIM 和互联网技术，提供了一套全流程、专业化、数字化、智能化的路基设计解决方案，见图4。

图4 路基横断面设计

3 结语

（1）对传统二维设计的技术难点进行了探讨，对BIM 技术的相关技术特点进行了研究，基于公路工程设计BIM 系统软件，结合DEM 与DOM 所建立的三维数字地面模型，实现了公路线形平纵线形设计与路基横断面设计，有效解决了传统二维设计中平纵断面无法动态结合的问题。（2）基于公路工程设计BIM 系统软件，对BIM 技术在公路线形设计上的相关功能，如路线三维可视化建模、路线方案比选、自动出图进行了研究，提出基于该系统的公路线形三维可视化设计技术方案。