基于OpenRoads的公路选线三维设计方法研究

孔 哲， 程耀东， 杨 军， 焉瑞鑫

(1.兰州交通大学 土木工程学院， 甘肃 兰州 730070； 2. 兰州交通大学 电子与信息工程学院， 甘肃 兰州 730070)

0 引言

随着我国交通建设的迅速发展，对工程数字化、信息化的探索和需求更加迫切。BIM作为一种以信息流为核心的三维数字化技术，最先应用于建筑领域，并在此领域逐渐发展成熟；而公路工程因为具有带状、专业多、线路长、范围广、涉及地形复杂、工程量大等特点，所以BIM技术在此领域应用还处于起步阶段。

近年来，许多专家及工程技术人员对BIM技术在公路路线设计等领域的应用和开发进行了探索。李冰等[1]基于Civil 3D构建数字高程模型，验证了BIM技术在道路勘察设计中的优势；刘向阳等[2]借鉴国内外既有BIM理念，研究开发BIM多元信息数据库和三维数字建模技术，实现公路BIM平台的构建和应用；宋爱苹等[3]利用BIM构建道路线形优化相关参数并利用Civil 3D进行模拟，验证了道路信息模型在线形评价方面的实用性；彭欣等[4]选择Bentley软件对公路工程BIM正向设计流程进行探索，梳理了一套适用于公路工程三维数字化的BIM正向设计流程方法。孙泽昌[5]以沪通铁路项目为依托，阐述了PowerCivil在线路专业的应用。沈照庆等[6]将BIM技术应用于道路改扩建工程中，总结出PowerCivil在道路改扩建过程中的4大优势。王丽园等[7]对于公路勘察设计阶段三维模型的建模要求和BIM协同设计进行了研究。

本文以OpenRoads Designer为平台，运用图形学技术、选线设计理论及标准，探讨数字地模数据获取方法，形成三维地面模型；以地面模型为基础研究路线平面设计、纵断面设计、三维廊道建模等，形成道路总体模型，并对路基填挖方量等工程量进行计算及分析，探索基于BIM的公路三维设计建模技术和方法。

1 基于Bentley的路线三维设计流程

1.1 Bentley设计平台优势

相比于其他建模软件，Bentley公司建模软件的优势主要在于其软件均基于MicroStation平台开发，软件间的信息互通能力非常强[8]，对大体量的模型承载力好，其软件可以为项目整个生命周期提供支持。考虑道路模型体量大、距离长，因此，选择Bentley公司的OpenRoads Designer作为主要建模软件，对公路路线设计与建模进行研究。

1.2 工程概况

某道路工程全线采用高速公路标准，全长约10.8 km，沿线多为农田，地形较平坦，地势相对较低，地形起伏小，地质条件较差，路线走向受限条件较多，路线全长设置有5条匝道，1处跨线桥，平面设计共设有平曲线4个，纵断面设计共设20个变坡点，项目建设主要技术标准见表1。

表1 项目建设主要技术标准序号项目技术标准1公路等级高速公路(双向四车道)2设计速度100 km/h3路基宽度26.0 m4设计洪水频率1/100、1/3005汽车荷载等级公路-Ⅰ级6地震动峰值加速度0.15 g

1.3 设计流程

目前，BIM在国内的公路路线设计主要还处于“翻模”阶段，大大降低了BIM的应用价值。因此，本文将在前期资料的基础上，借鉴二维设计的流程进行BIM设计，充分发挥BIM技术的优势。公路路线BIM设计流程如图1所示。

图1 公路路线BIM设计流程

2 数字地形建模

DTM是一个表示地面特征空间分布的数据库。OpenRoads Designer主要采用狄洛尼(Delaunay)三角网构建原理，通过不规则分布的数据点生成连续的三角网逼近地形[9]。以dwg文件作为地形数据来源，DTM的创建方法如下。

1) 在dwg格式地形图中，不同的图层包含着不同的信息。而在OpenRoads Designer中进行地形建模时，只需要等高线和高程点带有z值的三维数据即可。为提高建模效率，只保留等高线和高程点图层，将其另存为dwg文件，作为地形建模时的原始地形图。将修改后的dwg文件“参考”进入软件，创建图形过滤器与过滤器组。通过OpenRoads Designer软件，对等高线、高程点进行图层过滤，提高数据处理能力和建模效率。

2) 创建三维地形模型。通过过滤器组，将dwg文件中的高程信息过滤成为可以编辑的dgn文件。优点是地形文件较小且方便快捷，缺点是效果并不能完全展示真实环境，仅仅只有基本的地形走势、识别到的高程点和等高线的信息[10]。在构建完三角网之后，运用地形编辑与剪切工具，将一些误差较大的数据进行修改，使其更加逼近真实地形。

3 路线设计及建模

3.1 道路平面设计

道路平面设计即道路中心线的水平投影线形设计。OpenRoads Designer提供了2种平面线形设计方法：交点法和积木法。交点法是通过连接连续元素的交点来绘制路线，平面图中的路线为一条完整路线；积木法是先绘制基本线形，再将各个元素连接成为一整条路线。用交点法设计路线平面的方法和步骤如下：

1) 选线及方案比选。考虑地质条件、自然环境、安全通畅等因素，制定出多个路线方案。通过对路线方案造价、沿线经济发展等因素进行分析，选择合适的方案，对其进行优化，得到最优方案。OpenRoads Designer提供了8个设计窗口，可以同时对多个方案进行比选，方便快捷。

2) 对最优方案进行指标设计。根据该项目建设主要技术标准(《公路工程技术标准》《公路路线设计规范》等)的规定，进行路线设计。包括确定路线起终点、各转点坐标，结合交点处地形情况，确定合适的曲线半径及长度。平面设计共设有平曲线4个，在平曲线半径小于不设超高的最小半径处，均设了缓和曲线和超高。

3) 软件提供了土木精确绘图选项，既可以精确定位路线的起点坐标、转点坐标和终点坐标，又可以准确定义曲线长度与半径。坐标间会自动生成平滑的道路中线，直观快捷。

4) 给路线设置桩号。沿已经布好的道路中线，从路线起点开始，将桩号标在道路中线上，完成路线平面设计。部分路线设计成果如图2所示。

图2 部分路线设计成果

与二维设计不同的是，当平面线中某些参数改变时，系统会自动更新路线平面，保证路线的平顺衔接，直观地反馈设计结果，提高设计效率，避免重复返工。

3.2 纵断面设计

依据高速公路的纵断面设计指标，进行路线纵断面设计。主要方法和步骤如下：

1) 激活地形模型，打开纵断面模型。任意选择一个窗口，系统会自动提取到地面线，并根据窗口中背景颜色的不同，清楚地划分平面设计中圆曲线和缓和曲线的位置分布。

2) 进行纵断面方案比选。在生成地面线以后，结合地形地质条件等，考虑最大及最小纵坡、填挖均衡等因素，在多个窗口中同时设计多个纵断面进行快速比选，确定最优方案。

3) 在最优方案中，结合设计标准，对纵坡的长度、大小、竖曲线半径等进行详细设计。在10.8 km设计路线中，纵断面共设变坡点20个，纵断面各部分设计参数均须满足设计规范要求。

4) 在确定设计指标之后，利用土木精确绘图选项，通过桩号、起点设计高程精确定位纵断面起点，通过拐点桩号和高程、竖曲线半径确定竖曲线线形。按照此方法，设计至纵断面终点，完成纵断面设计。部分路段纵断面设计线如图3所示。图中显示凸型竖曲线和凹型竖曲线两种线形，虚线代表地面线，实线代表设计线，各段直线长度、坡度、

图3 部分路段纵断面设计线

竖曲线长度和半径在图中均有显示。

5) 在完成纵断面设计后，要检查平纵线形组合是否满足线形的连续性和“平包竖”等原则[11]；力求纵坡均匀平顺、起伏缓和、坡长和竖曲线长短适当。系统提供了动态编辑及更新的功能，当纵断面上的设计要素改变时，系统会自动更新线形。

3.3 廊道设计及工程数量统计

本项目为新建高速公路，主线路基宽26 m，各组成部分为：中间带3.5 m(左右侧路缘带为2×0.75 m，中央分隔带2.0 m)，行车道为2×2×3.75 m，硬路肩为2×3.0 m(含右侧路缘带0.5m)，土路肩为2×0.75 m。

廊道设计就是道路横断面设计。因软件提供的横断面模板库与实际工程需要的模板并不相符，因此，利用软件自带的构件库，按照路基标准横断面分别设计面层和基层及边坡等组件，将各个组件拼接起来，创建符合工程需求的横断面模板。具体步骤如下：

1) 选择简单组件。简单组件是特定形状的面，可以作为路基和路面中的每一层，根据主线路基横断面图设置每一层的横坡、宽度、层厚、材质。将每一个组件拼接起来，完成路基路面模板的设计，如图4所示。

2) 设置末端条件。在OpenRoads Designer中，末端条件可用来设置边坡和土路肩。以填方路基为例，在该项目中存在多种边坡坡率，当边坡高度不同时，边坡坡率也不同。因此，需创建多个边坡模板并将其拼装到组合边坡文件下，如图5所示。再将组合边坡拖到路基路面模板文件夹下拼装。由于每种坡率执行的先后顺序不同，因此要设置执行情况的优先级，优先级越小，越先被执行。系统提供了边坡优先级测试功能，模拟边坡开挖，检测边坡设计是否正确。

3) 将末端条件和简单组件组合起来；在面层添加“空点”，对“空点”添加约束条件和特征定义完成道路标线的设计；在路面边缘处添加“护栏”的特征定义完成护栏的设计。形成道路横断面模板。横断面模板保存在itl文件中，将itl文件添加到模板库管理器，可实现多人调用。

4) 在一条路线中有多种横断面形式时，用同样的步骤建立多种横断面模板，通过起终点桩号来设置不同路段上的横断面模板。为了使道路平滑连接，在不同横断面模板交界处为道路设计渐变加宽。选择局部路段渐变偏移命令，将道路中线分别在道路两侧进行起终点偏移，作为偏移定位线；通过创建点控制命令，将需要渐变加宽的廊道按照定位线进行渐变加宽。

5) 通过项目路线、起终点里程将横断面模板应用到路线之后，根据项目要求在曲线处设置加宽和超高，并且可以通过动态截面功能查看任意处的超高情况以及填挖方量等。

6) 在上述所有工作完成之后，打开三维视图，检查廊道设计情况，若有地形覆盖在廊道之上，说明此路段属于挖方路段，通过创建剪切地形模型的方法，修改该路段地形模型，使廊道清晰地显示在地形之上，如图6所示。

7) 将横断面模板应用到路线上并修改完成后，对路基、路面、填挖方量等工程量以及总价进行估算。在OpenRoads Designer中定制横断面模板时，已经对表示路面、路基、边坡的各个组件进行了材质和尺寸的定义，如：沥青面层，水稳基层等[12]，通过修改单位成本，自动计算各部分造价以及总造价。

图4 主线路基路面模板

图5 组合边坡模板

图6 三维横断面

4 道路总体模型拼装

隧道和桥梁设计也是道路工程设计中的重要组成部分。OpenRoads Designer中不仅提供了隧道横断面模板，也可以根据需求自主创建横断面[13]。桥梁设计需要用到OpenBridge Modeler软件，Bentley公司还开发了ProStructures软件进行配筋的设计[14]。在平、纵、横设计完成之后，将隧道按照桩号布设到路线上，并将提前设计好的桥梁模型通过参考的方式拼装到路线上进行汇总，检查路、桥、隧等各专业间的衔接，再次对设计进行复核，见图7。

图7 总装模型

5 结语

本文运用OpenRoads Designer软件，结合实际工程探索了路线设计三维建模技术与方法。从数字地形模型的创建、修改与编辑、道路平纵线形设计与建模、廊道模板的设计与建模、标线和护栏的设计、工程量及造价的估算及模型总装出发，展示了道路三维设计建模的成果，总结了设计过程的方法、步骤和关键技术。针对道路选线设计，运用Bentley系列软件进行三维设计的优势在于：①可直观地对路线进行线形设计，实现平纵横联动设计，快速完成方案比选以及工程量的统计；②数据格式统一，兼容性强，确保了各专业间数据互通；③充分发挥了BIM的可视化、二维和三维设计实时联动修改的优势，减少了错误和疏漏，提升了工作效率和智能化程度。该设计方法为三维数字化路线设计建模积累了经验，同时可为三维路线建模方法提供参考。