公路工程路基参数化交互设计系统应用研究★

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(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司,安徽 合肥 230088)

为提升路基路面专业设计手段,利用三维设计环境更好的解决路基专业涉及资料多、设计复杂的问题,提高路基路面专业设计效率和质量,加速参数化三维协同设计的应用推广,依托上游专业实现数据传递和利用已是大势所趋。参数化协同设计是基于信息化技术和BIM(Building Information Modeling)技术融合后新型快速化可驱动型设计技术,是各类传统设计软件数字化变革及改造的必经之路,通过其设计手段的参数化、信息化转型逐步实现公路工程设计数字化变革的推进[1]。

1 研究背景

目前公路工程路基路面设计工作依然处于二维的设计环境中,市场上并没有成熟的路基路面参数化设计软件,目前主要使用的设计工具有纬地软件Hintsoft,EICAD和中交远通。通过长期设计应用对比,上述软件均有一定的应用市场,无论是功能试用界面、戴帽设计,还是用户普及率均有相对优势。但受长期行业软件的垄断及技术固封,软件的产品功能及越来越丰富的数据集成能力逐渐出现短板,同时对专业设计师上手要求高,二次加工处理烦琐,已无法充分满足行业数字化转型及智能设计发展的需求[2]。建立以上游多专业辅助数据集成计算是解决传统路基路面设计工作最佳解决方案,将多专业数据集成以可视化的角度辅助专业设计,以平面化到立体化的方式来直观展现空间规划的信息,并提供快速的参数化交互设计功能从而实现路基路面专业的高效保质转型。

在国内大数字化建设背景下,路基路面专业设计手段的参数化、信息化转型是公路行业数字化推进的重要一步,更是我国交通基础设施建设领域的重要发展方向之一,符合国家《数字交通发展规划纲要》《关于打造公路水运品质工程的指导意见》等政策要求[3]。于近期交通运输部《关于加快推进公路数字化转型全面推动智慧公路高质量建设的意见》(征求意见稿)中明确提出:“国家高速公路项目初步设计报审时,应提交完整BIM数据,最终实现基于BIM技术的三维图形设计成果审批制度”。

2 研究目标

通过路基路面设计所需多专业辅助数据(GIS数据、路线、桥隧涵基础数据等)制定专业所需相应设计标准及应用标准,根据地形图构建GIS数据地模[4]。利用上游专业基础数据的标准化统一传递,系统通过接收数据、存储数据、分析数据将多专业辅助数据进行集成管理,最后以可视化、信息化的方式进行集成展示。

依据设计经验创建边坡、防护、排水、支挡、路面等构件的经验模板,归纳、汇总成路基各个设计模块的模板库,最终搭建设计经验标准库。从标准库自动选配边坡、防护、排水、支挡、路面等参数化构件,组成标准横断面模板快速完成对路基路面的方案处理,实现路基路面专业方案的快速设计。

路基参数化交互设计系统应用研究是针对路基路面设计所需基础资料和相关专业数据进行集成管理,在整个设计过程中,能够将路线的平纵横及桥隧涵等相关专业数据以参数化模型的方式在三维设计环境中集成展示,对路基、支挡、防护及排水等内容进行参数化设计,并在三维环境中对结构之间的错落碰隐患点进行核查,对于专业不合理的设计细节进行及时的优化,最后实现相关工程量的快速计算和整个图册的图纸输出,提高成果交付的效率及工程质量。

3 基于参数化标准库的方案设计

3.1 参数化标准模板库构建

建立标准化构件模块,路基路面是由多个构件相互组合而成,根据不同构件的形式与需求来制定相应的模板标准,按专业划分为边坡模板、防护模板、排水模板、支挡模板、路面模板、基础模板等[5]。通过参数化编辑各模板的形式,利用自定义的方式附加计算公式并作为变量使用。通过开发相应的模板编辑功能,按照参数化标准要求,将模板制定为库的形式,对边坡、防护、支挡、排水、路面等模块分别管理,根据每项内容的特点及标准要求制定相应的模板编辑方案。

路基路面专业人员通过多年技术的积累形成了对相似工程情况丰富的标准设计方案,这种设计经验多具有逻辑性强、工作重复性大的特点适合进行计算机介入辅助设计。基于专业技术人员标准化的设计流程,对逻辑性强、工作重复性大的内容以经验库的方式实现自动布设、半智能布设,减少设计师一部分机械化的设计工作,提高工作效率[6]。根据模型构件的配置与特性,将总结的构造物设计经验进行整理汇总,在每个构造物模块中制定可变参数标准经验模板,建设经验模板的录入、编辑、扩充的管理界面,形成匹配的路基参数化设计标准库,该库具有可扩充、编辑、修改、导入、导出等功能。

3.2 自动化方案设计

程序根据地形模型与标准化构件相结合的方式,通过经验库参数控制实现道路模型快速生成和方案布设[7]。以分段模板的形式来组合构件种类形成道路模型,可快速确定填、挖路基边坡与各构件之间的衔接情况,以经验库内的原则来确定具体构件选用的合理性,最后达到路基路面快速方案的布设,三维模型的快速搭建。

3.3 精细化交互设计

在传统二维设计环境下,路基路面设计经常会忽略一些难以发现的隐患点,其中包括立交区的路基处理、桥隧涵与路基的衔接,直接影响整个工程质量,这也是传统设计的弊端。因此在三维设计环境下场景呈现,隐患点更容易察觉,采用在三维模型上直接交互的方式来实现对模型的调整,修改完成模型即时更新,缩短了设计流程,提高设计效率。在边坡与排水交互设计将采用列表参数化的操作方法,以填、挖段落划分并显示每段边坡信息,专业人员通过修改列表信息便可直接更新模型,列表支持导入导出便于多人合并设计,提高工作效率及专业配合度。交互设计功能可分为以下多个功能模块:

1)填挖段交互设计:考虑到边坡与地形的填挖关系而自然划分得到的段落,根据设计过程中需要对填挖段进行灵活处理,包括边坡的删除、拆分、合并、重置等操作。

2)边坡及防护交互设计:在分离式路基和立交区,经常出现边坡等构造物相互冲突的问题,所以程序将提供边坡相交、接坡等功能;另外,根据地质情况的复杂性、边坡与地形的关系,边坡设置还需要进行边坡样式与防护类型的处理,可分为边坡整平、削平、坡高、坡率编辑、防护类型的选择等内容。

3)挡土墙交互设计:在边坡与防护设计的同时,挡墙精细化设计同样极为重要,程序通过选中需要添加挡墙的边坡段落,根据布设参数及挡墙形式,系统自行判断与地形关系选用合理挡墙尺寸,并通过挡墙纵向设计进行挡墙单元的详细设计,最终利用三维模型核查挡墙布设的合理性。

4)排水工程交互设计:排水交互设计是根据路基填挖段进行不同水沟模型的设置,分为填、挖排水沟、平台沟、挡墙排水沟、急流槽、截水沟、中间排水沟等,同样采用模型选中参数控制的布设方式。通过三维模型查看水沟与地形的关系,采用平面交互与纵向交互来实现位置调整和沟底拉坡的操作。

5)路面工程交互设计:路面交互设置主要解决短路基、中央分隔带等路面的详细设计,通过选中需要修改的路面模型,可以对路面结构层进行详细的参数调整。

6)路基处治及桥头(涵台背)处理交互设计:路基处治与桥头(涵台背)设计,程序根据路基模型与地形之间的关系并结合桥涵数据、路基处治控制参数等信息,来实现相关内容的设计工作。

7)零星工程交互设计:零星工程主要包括清除表土、排水清淤、填前夯压、路基改良等工程,采用参数控制系统解析模型的研发思路,其中排水清淤是通过导入相关.shp文件,程序根据道路模型与.shp文件的相关数据进行分析,并获取排水清淤的段落与处理面积。

4 参数化设计成果交付

4.1 专业图表成果交付

路基、路面数量表统计工作实现标准化一直是行业的难点,存在专业多、工程需求差异大、统计方式灵活等特点。程序的研发综合考虑了以上问题,为了应对一些非标情况将建立图表个性化定制功能。通过定制一套符合行业规范及个人设计习惯和出图的路基路面专业图表模板,程序直接读取标准格式,包含标准化的通用图、标准化的工程数量表计算规则、图纸和标准化的表格输出风格。程序针对各项标准进行开发和适配。图表的标准化使数据更加规范化、便于管理、减少在图面修改和数量计算的工作量,提高设计效率和质量。

图纸采用外部引用,表格采用用户定制两种方式实现[8]。其中表格定制将采用表格属性管理与表头内容来编辑,在对应的表头内容中通过模板中的“变量”进行公式编辑,程序根据“变量”获取道路模型的基础参数,最后根据公式自动计算得出最终成果。构建二维图纸成果与三维模型成果的输出功能,二维图纸根据路基、路面专业进行分类,可对成果输出分为防护、排水、支挡、路面等内容的专业输出,也可通过编册设置按图表目录进行一键输出,解决专业人员图纸排版的工作时间,并对接院内成果管理平台;三维模型的成果输出应满足多专业的协同机制来建设,包含了模型数据与多种模型格式的导出,综合考虑专业所需及行业标准的要求。

4.2 多元化数据成果应用

通过将路基参数化设计系统的三维设计方案数据导入BIM协同设计平台,利用其三维渲染引擎融合路基专业的设计成果,完成大场景的地形及构造物的模型加载,可进行方案汇报、场景漫游、细节展示,设计方案评审人员可实现三维可视化评审,项目成员可以实现三维可视化的沟通和汇报[9]。

不同专业人员仅需负责自己对口的专业部分,将完成的各子系统数据实时上传至BIM协同设计平台的沙盘方案中,同步完成大型公路建设项目的设计工作,能够在保证专业性、准确性的同时实现工作效率的提升和整个设计周期的减少。

5 结语

本文所述的公路工程路基参数化交互设计系统应用研究可系统性支持路基路面专业设计功能,并建立基于GIS+地勘数据的三维方案设计环境,采用参数化+经验库创建形式,依照相关设计原则进行路基、路面模型处理,实现方案的快速设计。实现多专业数据集成使设计意图表达更加形象,设计交底沟通更加便捷,通过内置多种标准构件快速建模,实现基于工程方案及填挖平衡的智能判断[10]。根据所建立的数据模型,快速生成项目所需的设计成果,提高工程量计算与工程交付的效率,实现公路工程行业路基专业的设计模式转换及效率提升,在推进参数化设计进程中为数字设计院建设提供有效基础。

为实现路基路面专业设计模块的方案数据统一集成,运用参数化设计理念构建多功能设计交互模块,从而达到路基路面设计效率质量的有效提升[11]。本文通过对公路工程路基路面专业参数化交互设计系统研究应用总结,旨在为公路及相关行业的参数化设计研发思路及应用模式提供方案参考。