公路工程路基參數化交互設計系統應用研究★

歐佳佳

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司,安徽 合肥 230088)

為提升路基路面專業設計手段,利用三維設計環境更好的解決路基專業涉及資料多、設計復雜的問題,提高路基路面專業設計效率和質量,加速參數化三維協同設計的應用推廣,依托上游專業實現數據傳遞和利用已是大勢所趨。參數化協同設計是基于信息化技術和BIM(Building Information Modeling)技術融合后新型快速化可驅動型設計技術,是各類傳統設計軟件數字化變革及改造的必經之路,通過其設計手段的參數化、信息化轉型逐步實現公路工程設計數字化變革的推進[1]。

1 研究背景

目前公路工程路基路面設計工作依然處于二維的設計環境中,市場上并沒有成熟的路基路面參數化設計軟件,目前主要使用的設計工具有緯地軟件Hintsoft,EICAD和中交遠通。通過長期設計應用對比,上述軟件均有一定的應用市場,無論是功能試用界面、戴帽設計,還是用戶普及率均有相對優勢。但受長期行業軟件的壟斷及技術固封,軟件的產品功能及越來越豐富的數據集成能力逐漸出現短板,同時對專業設計師上手要求高,二次加工處理煩瑣,已無法充分滿足行業數字化轉型及智能設計發展的需求[2]。建立以上游多專業輔助數據集成計算是解決傳統路基路面設計工作最佳解決方案,將多專業數據集成以可視化的角度輔助專業設計,以平面化到立體化的方式來直觀展現空間規劃的信息,并提供快速的參數化交互設計功能從而實現路基路面專業的高效保質轉型。

在國內大數字化建設背景下,路基路面專業設計手段的參數化、信息化轉型是公路行業數字化推進的重要一步,更是我國交通基礎設施建設領域的重要發展方向之一,符合國家《數字交通發展規劃綱要》《關于打造公路水運品質工程的指導意見》等政策要求[3]。于近期交通運輸部《關于加快推進公路數字化轉型全面推動智慧公路高質量建設的意見》(征求意見稿)中明確提出:“國家高速公路項目初步設計報審時,應提交完整BIM數據,最終實現基于BIM技術的三維圖形設計成果審批制度”。

2 研究目標

通過路基路面設計所需多專業輔助數據(GIS數據、路線、橋隧涵基礎數據等)制定專業所需相應設計標準及應用標準,根據地形圖構建GIS數據地模[4]。利用上游專業基礎數據的標準化統一傳遞,系統通過接收數據、存儲數據、分析數據將多專業輔助數據進行集成管理,最后以可視化、信息化的方式進行集成展示。

依據設計經驗創建邊坡、防護、排水、支擋、路面等構件的經驗模板,歸納、匯總成路基各個設計模塊的模板庫,最終搭建設計經驗標準庫。從標準庫自動選配邊坡、防護、排水、支擋、路面等參數化構件,組成標準橫斷面模板快速完成對路基路面的方案處理,實現路基路面專業方案的快速設計。

路基參數化交互設計系統應用研究是針對路基路面設計所需基礎資料和相關專業數據進行集成管理,在整個設計過程中,能夠將路線的平縱橫及橋隧涵等相關專業數據以參數化模型的方式在三維設計環境中集成展示,對路基、支擋、防護及排水等內容進行參數化設計,并在三維環境中對結構之間的錯落碰隱患點進行核查,對于專業不合理的設計細節進行及時的優化,最后實現相關工程量的快速計算和整個圖冊的圖紙輸出,提高成果交付的效率及工程質量。

3 基于參數化標準庫的方案設計

3.1 參數化標準模板庫構建

建立標準化構件模塊,路基路面是由多個構件相互組合而成,根據不同構件的形式與需求來制定相應的模板標準,按專業劃分為邊坡模板、防護模板、排水模板、支擋模板、路面模板、基礎模板等[5]。通過參數化編輯各模板的形式,利用自定義的方式附加計算公式并作為變量使用。通過開發相應的模板編輯功能,按照參數化標準要求,將模板制定為庫的形式,對邊坡、防護、支擋、排水、路面等模塊分別管理,根據每項內容的特點及標準要求制定相應的模板編輯方案。

路基路面專業人員通過多年技術的積累形成了對相似工程情況豐富的標準設計方案,這種設計經驗多具有邏輯性強、工作重復性大的特點適合進行計算機介入輔助設計。基于專業技術人員標準化的設計流程,對邏輯性強、工作重復性大的內容以經驗庫的方式實現自動布設、半智能布設,減少設計師一部分機械化的設計工作,提高工作效率[6]。根據模型構件的配置與特性,將總結的構造物設計經驗進行整理匯總,在每個構造物模塊中制定可變參數標準經驗模板,建設經驗模板的錄入、編輯、擴充的管理界面,形成匹配的路基參數化設計標準庫,該庫具有可擴充、編輯、修改、導入、導出等功能。

3.2 自動化方案設計

程序根據地形模型與標準化構件相結合的方式,通過經驗庫參數控制實現道路模型快速生成和方案布設[7]。以分段模板的形式來組合構件種類形成道路模型,可快速確定填、挖路基邊坡與各構件之間的銜接情況,以經驗庫內的原則來確定具體構件選用的合理性,最后達到路基路面快速方案的布設,三維模型的快速搭建。

3.3 精細化交互設計

在傳統二維設計環境下,路基路面設計經常會忽略一些難以發現的隱患點,其中包括立交區的路基處理、橋隧涵與路基的銜接,直接影響整個工程質量,這也是傳統設計的弊端。因此在三維設計環境下場景呈現,隱患點更容易察覺,采用在三維模型上直接交互的方式來實現對模型的調整,修改完成模型即時更新,縮短了設計流程,提高設計效率。在邊坡與排水交互設計將采用列表參數化的操作方法,以填、挖段落劃分并顯示每段邊坡信息,專業人員通過修改列表信息便可直接更新模型,列表支持導入導出便于多人合并設計,提高工作效率及專業配合度。交互設計功能可分為以下多個功能模塊:

1)填挖段交互設計:考慮到邊坡與地形的填挖關系而自然劃分得到的段落,根據設計過程中需要對填挖段進行靈活處理,包括邊坡的刪除、拆分、合并、重置等操作。

2)邊坡及防護交互設計:在分離式路基和立交區,經常出現邊坡等構造物相互沖突的問題,所以程序將提供邊坡相交、接坡等功能;另外,根據地質情況的復雜性、邊坡與地形的關系,邊坡設置還需要進行邊坡樣式與防護類型的處理,可分為邊坡整平、削平、坡高、坡率編輯、防護類型的選擇等內容。

3)擋土墻交互設計:在邊坡與防護設計的同時,擋墻精細化設計同樣極為重要,程序通過選中需要添加擋墻的邊坡段落,根據布設參數及擋墻形式,系統自行判斷與地形關系選用合理擋墻尺寸,并通過擋墻縱向設計進行擋墻單元的詳細設計,最終利用三維模型核查擋墻布設的合理性。

4)排水工程交互設計:排水交互設計是根據路基填挖段進行不同水溝模型的設置,分為填、挖排水溝、平臺溝、擋墻排水溝、急流槽、截水溝、中間排水溝等,同樣采用模型選中參數控制的布設方式。通過三維模型查看水溝與地形的關系,采用平面交互與縱向交互來實現位置調整和溝底拉坡的操作。

5)路面工程交互設計:路面交互設置主要解決短路基、中央分隔帶等路面的詳細設計,通過選中需要修改的路面模型,可以對路面結構層進行詳細的參數調整。

6)路基處治及橋頭(涵臺背)處理交互設計:路基處治與橋頭(涵臺背)設計,程序根據路基模型與地形之間的關系并結合橋涵數據、路基處治控制參數等信息,來實現相關內容的設計工作。

7)零星工程交互設計:零星工程主要包括清除表土、排水清淤、填前夯壓、路基改良等工程,采用參數控制系統解析模型的研發思路,其中排水清淤是通過導入相關.shp文件,程序根據道路模型與.shp文件的相關數據進行分析,并獲取排水清淤的段落與處理面積。

4 參數化設計成果交付

4.1 專業圖表成果交付

路基、路面數量表統計工作實現標準化一直是行業的難點,存在專業多、工程需求差異大、統計方式靈活等特點。程序的研發綜合考慮了以上問題,為了應對一些非標情況將建立圖表個性化定制功能。通過定制一套符合行業規范及個人設計習慣和出圖的路基路面專業圖表模板,程序直接讀取標準格式,包含標準化的通用圖、標準化的工程數量表計算規則、圖紙和標準化的表格輸出風格。程序針對各項標準進行開發和適配。圖表的標準化使數據更加規范化、便于管理、減少在圖面修改和數量計算的工作量,提高設計效率和質量。

圖紙采用外部引用,表格采用用戶定制兩種方式實現[8]。其中表格定制將采用表格屬性管理與表頭內容來編輯,在對應的表頭內容中通過模板中的“變量”進行公式編輯,程序根據“變量”獲取道路模型的基礎參數,最后根據公式自動計算得出最終成果。構建二維圖紙成果與三維模型成果的輸出功能,二維圖紙根據路基、路面專業進行分類,可對成果輸出分為防護、排水、支擋、路面等內容的專業輸出,也可通過編冊設置按圖表目錄進行一鍵輸出,解決專業人員圖紙排版的工作時間,并對接院內成果管理平臺;三維模型的成果輸出應滿足多專業的協同機制來建設,包含了模型數據與多種模型格式的導出,綜合考慮專業所需及行業標準的要求。

4.2 多元化數據成果應用

通過將路基參數化設計系統的三維設計方案數據導入BIM協同設計平臺,利用其三維渲染引擎融合路基專業的設計成果,完成大場景的地形及構造物的模型加載,可進行方案匯報、場景漫游、細節展示,設計方案評審人員可實現三維可視化評審,項目成員可以實現三維可視化的溝通和匯報[9]。

不同專業人員僅需負責自己對口的專業部分,將完成的各子系統數據實時上傳至BIM協同設計平臺的沙盤方案中,同步完成大型公路建設項目的設計工作,能夠在保證專業性、準確性的同時實現工作效率的提升和整個設計周期的減少。

5 結語

本文所述的公路工程路基參數化交互設計系統應用研究可系統性支持路基路面專業設計功能,并建立基于GIS+地勘數據的三維方案設計環境,采用參數化+經驗庫創建形式,依照相關設計原則進行路基、路面模型處理,實現方案的快速設計。實現多專業數據集成使設計意圖表達更加形象,設計交底溝通更加便捷,通過內置多種標準構件快速建模,實現基于工程方案及填挖平衡的智能判斷[10]。根據所建立的數據模型,快速生成項目所需的設計成果,提高工程量計算與工程交付的效率,實現公路工程行業路基專業的設計模式轉換及效率提升,在推進參數化設計進程中為數字設計院建設提供有效基礎。

為實現路基路面專業設計模塊的方案數據統一集成,運用參數化設計理念構建多功能設計交互模塊,從而達到路基路面設計效率質量的有效提升[11]。本文通過對公路工程路基路面專業參數化交互設計系統研究應用總結,旨在為公路及相關行業的參數化設計研發思路及應用模式提供方案參考。