現代公路數字化設計初探

霍三勝

（山西高陵高速公路有限公司，山西 陵川 048300）

從事公路設計工作近30年的經歷，沉淀一個想法，認為設計就是“想象”。從最初的“空想”虛擬圖像、切面分解、手工制作平面圖、手工圖解法，到現行的計算機CAD制圖，只改變了制圖工具，設計過程并沒有實質性改變，還是虛擬圖—二維平面分解圖—施工成品現實圖。但是，隨著新科技的迅速發展，云計算存儲的實現，3D打印技術的誕生，簡化設計制圖過程，跨越平面轉換，實現從“想象”虛無圖，到虛擬現實模式化圖，從量變到質變，實現公路設計二次革命。

1 公路的由來及初級設計

1.1 公路的由來及最初的設計

人類與交通同源，與交通發展相輔相成。交通是人們生活的一種要素，也是一種重要的生產力。古今中外，人們生產生活都離不開交通，而路就是最重要的基礎設施。人類吃、穿、住、行四大要素中的行，就是交通，而行就得有道。古人云：“本來沒有路，走得多了就成了路”。路從無到有，從本來沒有路到走的多了就成了路的原始路概念，發展到經過初步修筑的羊腸小道、車馬大道，到各種技術等級的公路，直至現在的高速公路。要有路，就得先修路，要修路，就得先設計，特別是現代社會的高等級公路更是這樣。傳統的設計，就是根據需求把想象虛擬道路用圖紙展示出來，通過動手去完成。現在的設計，則是從項目建議書到立項、工可、初設、施設，一應俱全。

1.2 數字公路模塊化設計

隨著科技的進步，電腦云計算的出現，3D打印技術的實現，加上“互聯網+”的推動，實現立體模塊化設計，將原來的不可能成為可能。實現“想象”（初始虛擬圖）利用新的科學技術，實現立體模塊化數字化設計。利用地模數字技術，象積木式建樓房一樣，建立公路模塊庫，跨過平面紙質作圖環節，直接生成立體數字化設計圖，再利用3D打印技術，生成按比例縮放的現實立體模塊圖，由“紙上談兵”到現實的模擬圖、現實圖。數字公路模塊化圖，既簡化程序減少平面紙質設計過程，又環保節約，省去大量紙張，更能直觀真實地體現公路實景效果，一張光盤就是一條路的設計資料，打印出來就是公路現實的微模型，就是直觀數字化現實版“微公路”。可以說，加上地質、地貌、水文和結構計算等輔助資料的驗證，數字模型化公路設計變成現實。

2 現代公路設計理念的探索與思考

2.1 推進設計直觀化、模型化、數字化，提高設計品位

設計理念，數字立體公路與地模數據銜接，以直觀、量化的形式展現，數字公路與地理環境充分吻合，相互驗證，形成最符合實際的設計方案，真正的實體模型，更能體現方案的優越性。使虛擬變現實，理想與實際結合，通過實踐檢驗其合理性，從而提高設計品位。

2.2 利用虛擬現實與GIS技術，建立交互性、逼真性三維虛擬場景

虛擬現實與GIS技術的出現日趨成熟，為解決數字公路設計帶來了新的機遇。利用虛擬現實技術，結合真實地形數據，建立交互性、逼真的三維虛擬場景，用戶可以在虛擬環境中直接導覽三維場景，結合GIS與數據庫技術，構建三維可視化逼真的虛擬場景軟件系統，使得設計者依靠虛擬想象建立起立體模型結合地理信息系統及數據庫，生成直接的、逼真的三維數字現實設計圖。

2.3 利用3D打印技術實現按比例縮放的逼真場景模型圖

在國外“數字地球”的概念影響下，中國掀起了建立具有中國特色的“數字中國”、“數字北京”的熱潮，國內許多單位開始重視和研究虛擬現實技術及信息技術，其目的就是建立中國特色的“數字公路”，將虛擬現實技術、可視化技術、地理信息技術、數據庫技術和網絡技術有機地結合在一起，利用現代云計算技術、3D打印技術，實現數據模型公路模塊化、電子化設計，探討開發和研制公路數字模塊化設計操作系統，以適應公路建設、設計發展的需要。

3 設計思路與基礎支撐

3.1 立體設計總體思路

構建公路參數化設計資料模塊庫，利用公路已有設計軟件生成平、縱線性數據，結合選用的公路標準斷面，生成帶狀的路線立體模型，調用參數化設計模塊資料，布置鑲嵌添加橋梁、涵洞等構造物，放入數字化的GIS地模場景中，形成三維數字化場景模型設計，加上3D打印技術即可生成真實的公路微模型設計圖。

3.2 建立GIS的公路三維可視化地模場景

建立高GIS的公路三維可視化地模，真實地形數據、地面特征物，以每段200 m建立起公路及兩側200 m寬的三維場景模型，構建出設計后的公路三維場景圖，提供公路三維交互與設計，為實現公路立體化設計提供直觀的地形地貌場景。

3.3 建立成品設計資料參數化模塊庫

收集整理相關專業各大院校、科研單位、設計單位成品的大中橋梁、特殊構造物、涵洞、通道等代表性構造物電子設計資料，錄制代表性作品數字化三維圖庫，建立全面的成品設計資料參數模塊庫。

3.4 公路場景真實的帶狀構造物設計模型

公路場景包括地形與構造物。針對地形數據量大的特點，采用分段與頂點索引的方式組織地形數據。公路場景包含路基、路面、橋梁、隧道、涵洞、防排水工程和交通安全設施等構造物，其中路基和隧道為帶狀構造物。根據帶狀構造物的特征，提出一種數據驅動的帶狀構造物建造自動化建模方法。該方法將帶狀構造物抽象為橫斷面模板，把連續的帶狀構造物離散化為橫斷面序列，根據少量的構造物參數生成橫斷面模型，并將其連接生成構造物竣工模型，從而達到基于真實場景地模自動化展示帶狀構造物模型。

4 科技創新與評價

4.1 關鍵技術科學性

高速公路三維信息可視化信息開發中涉及到的關鍵技術包括：a）高速公路三維場景逼真建模和繪制技術；b）三維實時交互漫游技術；c）GIS數據管理技術；d）基于VR設備的交互技術；e）二維導航圖生成與定位技術；f）建立模塊化大數據量的參數設計資料管理技術等。

4.2 核心理論無縫對接

設計數據管理在公路設計與維護系統中引入PDM概念和技術為公路全生命周期的各種數據信息的統一管理與控制提供必要的支持工具，與虛擬現實技術相結合，可帶來的好處是：提高設計的準確性、實用性，設計圖的直觀性和可塑性，有利于控制項目，設計與實地無縫對接。

4.3 構建統一的規劃設計中心

按照全國一盤棋的要求，建立數字公路，構建成立公路規劃設計中心，結合地理GIS建模，直接生成公路立體模型圖，實現集中規劃，分段實施，精細化設計的發展之路。

4.4 多功能綜合應用

采用空間數據與屬性數據相結合的混合數據模型，將空間屬性和物理屬性有機地結合在一個系統中，實現圖形、圖像和查詢統計數據的綜合分析與處理等功能。公路的三維可視化設計，一是能夠改善瀏覽公路信息的視覺效果，提供設計方案建成后的直觀性；二是借助于DIS技術為決策機構和領導準確、快速地提供決策信息，為深層次分析奠定基礎；三是為公路后期維護管理提供原始資料查詢與決策。

4.5 立體設計的評價

a）開創性 從虛擬立體無形直接設計立體實物微模型，簡化平面設計中間過程，實現數字化、電子化，可隨用隨打開，方便實用，直觀可見。利用云計算、3D打印互聯網+技術，實現網上辦公、網上設計生成現實版的微公路模型圖。

b）操作可塑 虛擬現實，量化直觀，按照堆積木的原理設計公路，操作方便。數字化、電子化，修改方便，可塑可換，電子更換，節省資源。

c）綜合性 規劃設計直觀可見、施工過程可控制、養護管理等綜合應用性強。可在全國乃至全世界各領域推廣應用，實現資源共享。

5 結語

立體模型化設計，方向正確、條件具備、意義重大。互聯網時代，數據共享、網絡化辦公，規范化應用，避免大量的重復勞動，實現各類資源利用最大化，各個環節操作精細化，各項作業規范化。建議聯系相關專業和業務部門，各大專院校、科研設計單位，建立全國性公關立體設計研究組，實現網絡立體化設計。利用虛擬現實和地理信息系統、數據庫管理信息系統等技術，最終實現公路立體模型化設計。