摘 要：目前公路设计工作方式为将目标构造实体简化为二维设计图纸来指导施工作业。对于精细展现工程细节，二维图纸存在较大局限性。目前工程行业最普遍使用的绘图软件AutoCAD2010已能满足三维绘图需求。隧道洞门、支挡构造物等复杂工点若采用三维绘图，可更加清晰表达设计意图，准确指导施工工作。
关键词：高速公路设计;三维绘图;BIM;
1 概述公路设计制图方式不同于工民建的柱网设计方式，由于公路项目的线性特点，勘察设计工作采用“轴线 横断面”的方式构架设计文件。项目根据不同的工程类型拆分成各个工程单元，路基、桥涵、隧道等，通过轴线的桩号进行定位组合。在一般路段中，将不同横断面相对应的点采用轴线的平行线进行连接，所构成的空间几何体默认为设计目标的几何体并以此计算工程数量。在复杂工点，如桥梁、隧道、挡土墙、高边坡防护等，通过增加平行于轴线的截面图纸来展现设计成果。此种设计方法沿用至今，有着比较成熟的工作程序。随着道路行业发展，对于道路项目投入的控制精度越来越高，二维图纸对三维实体的控制准确度差的弊端愈发的明显。为能通过二维图纸尽量准确控制工程细节，图纸数量也越来越多。这样势必造成了工作量的增加，差错率的增高，同时也增加了图纸查阅的难度。
横向观察设计工作，在其他的工业领域，早已摒弃的二维图纸的设计方式。采用计算机构建三维数据模型表达设计意图，甚至可直接将模型数据传输给数字控制的加工机械，进行产品制造。公路行业采用拆解工程模型为二维图纸的设计思路相比已显得十分落后了。
采用三维绘图不需要很难上手的软件，各设计院使用最普遍AutoCAD已具有三维绘图能力，可满足工程设计需要。
2 三维绘图操作简介常用的三维绘图操作与二维大同小异，粘贴，复制，删除等没有变化。以下为几个常用的三维绘图命令，有别于二维绘图:
(1)ROTATE3D:三维旋转命令
使用方法:键入命令后选择需要旋转的图元，指定旋转轴，旋转轴可通过LINE命令做辅助线确定。
(2)EXTRUDE:图元三维拉伸命令
使用方法:键入命令后，选择要拉伸的图元，指定拉伸起终点，即完成拉伸操作。
(3)SLICE:切割实体
使用方法:键入命令后，选择要处理的实体，选在切割的起终点。
(4)3DFACE:绘制三维面
使用方法:键入命令后，选在同一平面的四个点，即可生成选择点连线为边界的曲面。
(5)MEASUREGEOM:查询工具
使用方法:键入命令后，选择要常看属性(体积，距离，角度，面积等)，选择要查看的对象。
3 应用实例(1)桩板式挡土墙起终点接顺(端墙)
云南某项目挖方边坡，需设置悬臂8.0m高桩板式挡土墙，截面尺寸2.5×2.0m。K6 190～K6 220段不设置抗滑桩，按1∶2.0坡率进行放坡。两种不同的防护构造物和坡率需在K6 220处衔接需设置重力式端墙，大桩号方向与桩板墙衔接，小桩号方向与边坡衔接。墙底采用台阶式基础，每级宽4.0m，高2.0m。端墙顶与桩板墙顶平齐，沿道路法向长度16m。K6 220处防护设计平面图见图1、图2。
通过二维图纸和文字叙述，工程人员很难领会设计构想，需要更多的视角，截取更多截面图。这样往往会导致更多的出错机会和增加读图的难度。
对重力式端墙进行三维模型绘制。主要为一下几个步骤:
(1)通过实体绘图命令，绘制抗滑桩，并准确定位抗滑桩坐标、高程;
图1 边坡立面设计图 下载原图
图2 重力式端墙布置图 下载原图
(2)根据边坡坡率、坡高、平台宽度，用LINE命令绘制K6 210～K6 240段各横断面的边坡线;
(3)K6 220处小桩号侧一级边坡与大桩号侧桩板式挡土墙连接处绘制重力式端墙，根据端墙墙背墙面坡率，采用EXTRUDE和SLICE命令绘制端墙为实体;
(4)K6 220处小桩号侧二级边坡与大桩号侧桩板式挡土墙顶上一级边坡，进行过度连接，过渡段范围为K6 220～K6 230;
(5)K6 220～K6 230段墙顶宽度进行过度，衔接大桩号侧墙顶平台和小桩号侧边坡一级平台;
(6)用3DFACE命令填充坡面，便于查看。
绘制三维模型见图3。
图3 桩板墙端部处理模型 下载原图
通过模型的展示，桩板式挡土墙端部衔接的处理可以一目了然。设计人员可自查设计是否合理。施工人员可更快的领会设计意图。除此之外，也可通过模型体积，精确计算工程数量。
(2)隧道洞口(仰坡)与边坡衔接设计
广西某项目隧道出口，洞门桩号YK27 800,ZK27 798.983。出口路基左侧挖方边坡较缓。缓边坡与洞门端墙衔接会出现许多工程问题，左侧设置桩板式挡土墙与洞门端墙连接，悬臂高8.0m，截面尺寸2.5×2.0m，墙顶以上进行放坡。隧道洞门端墙上方采用同挡墙顶相同的坡率。二维设计往往不能把握不同方向坡面相交后形成的形状。洞门及仰坡二维图纸见图4。
图4 隧道出口仰坡平面图 下载原图
通过三维绘图对二维设计成果进行验证后发现有较大差别。该工点的三维绘图主要为一下几个步骤。
(1)用LINE命令将左右线的设计轴线还原为三维设计线;
(2)绘制各桩号节点处平行于XOY平面的法线;
(3)将已绘制好的横断面移动至三维设计线上对应的桩号节点，注意设计控制点的位置，以及定位坐标的X、Y、Z值都要定位准确;
(4)用ROTATE3D命令将横断面旋转调整;
(5)根据隧道洞门桩号，绘制洞门端墙;
(6)在ZK27 798.983～ZK27 848.398左侧用实体绘制桩板式挡土墙;
(7)用三维曲面将横断面边坡线进行填充，ZK27 798.983处沿ZK27 798.983桩号断面的坡率向小桩号方向延伸150m;
(8)绘制隧道洞门上方仰坡，并向桩号行进方向左侧延伸150m;
(9)两坡面向所形成的交线，与地形曲面的交点即为仰坡角点，边坡坡面、仰坡坡面与地形曲面的交线为坡面的边界。
隧道出口三维模型见图5。
通过模型的建立清晰了解在该工点仰坡及边坡交汇后所的形状。由于两方向坡面的交线与山梁方向角接近，导致坡面角点延伸出120m。而在二维图纸上很难发现这个问题。二维绘图时对于复杂坡面控制不能满足要求导致后期设计变更修改。俯视视角可提取出准确占地。
图5 隧道出口及衔接边坡模型 下载原图
(3)挖方路基改渠工点设计
福建某项目，路线K11 920处与当地一条送水渠相交，改渠从K11 780处穿过路基，在K11 780处设置1—4×4涵洞。改移段渠道采用矩形断面宽度4m，深度3m。设计中路基边坡与改渠边坡很难通过二维图纸清晰表达。改渠处平面总体图见图6。
图6 改渠处平面总体图 下载原图
该工点的三维绘图主要分一下步骤:
(1)用LINE命令将高速公路设计轴线和改渠设计轴线还原为三维设计线;
(2)绘制各桩号节点平行于XOY平面的法线;
(3)将已绘制好的横断面移动至三维设计线上对应的桩号节点，注意设计控制点的位置已经定位坐标的X、Y、Z值都要定位准确;
(4)用ROTATE3D命令将横断面旋转调整;
(5)用实体绘制涵洞，并根据涵洞桩号和进出口高程定位涵洞模型。
(6)将道路边坡和改渠边坡采用三维曲面进行填充。
(7)在边坡曲面交汇处将相交坡面进行衔接。
改渠交叉工点三维模型见图7。
图7 改渠工点模型 下载原图
相交边坡接顺过渡方式在三维设计中清晰表达。涵洞洞口采用一字端墙即可。这些问题在二维图纸中很难体现。
4 结语通过几处工点设计的举例，可以看出三维绘图在公路设计中的益处和必要性。借此机会想谈一下目前土木行业较为流行的热词———BIM。在开头本文有意避开这个概念，因为BIM这阵风有些过热，却没有人去分析BIM的真正利弊。设计院所采用的仅仅是计算机绘图，而不是计算机设计。相比几十年前，不同的只是图纸由打印机打印。然而大体的设计模式没有改变。目前我们手中的计算机和软件已经有强大的三维处理能力，不需要过多的研究和学习即可掌握三维绘图技术。由于政策对BIM的大力支持，导致BIM推广者为了追求商业价值，将BIM概念不断吹嘘镀金，使真正要使用BIM技术的从业者产生了畏惧，将带来的真正优势。本文想表达的另一观点是，希望设计工作者不要畏惧三维设计，通过我们现有的设备和软件也可以轻松进行三维绘图。再有，三维绘图的设计思想其实正是BIM技术在设计阶段所以提倡的理念———充分利用计算机三维模拟技术，清晰表达设计思想，精确制导工程实施。
参考文献[1] 陈锦昌．计算机工程制图．广州:华南理工大学出版社，2014.
[2] 陈华卫，李力，阮志刚．公路工程制图与识图．北京:人民交通出版社，2012.
[3] 张弛．公路BIM与设计案例．北京:人民交通出版社，2018.
