摘要：当前工程技术发展日新月异，各学科之间高度融合。传统的测量技术已经不能满足当前的工程建设需要。统一的三维数据模型作为BIM前端模型，可与无人机航拍、DEM模型、谷歌地球等结合在一起，在项目进场初期进行项目经理部、搅拌站、梁场、弃渣场等的场地规划、工区的划分、施工便道的可视化设计等。统一的三维数据模型与DEM模型结合在一起，对路桥隧的设计意图进行整体评估，对进入山体内的桥梁、水渠之外的过水涵洞等不合理之处，及时变更；此外三维数据模型与信息化管理模型结合在一起，可实现项目管理信息的精细化、规范化管理。作者结合具体的工程案例：青岛新机场高速项目南枢纽主线桥，从桥涵平面结构物、桥涵立面结构物两个方面对公路桥梁三维数据模型构建原理做详细的介绍。
关键词：RBCCE；公路桥梁三维数据模型构建原理；青岛新机场高速项目
1桥涵平面结构物
桥涵结构物平面可以是桥墩的基础平面（桩基、承台）、墩身平面、盖梁平面、垫石平面或其他部位的轮廓平面，也可以是框架涵平面等，下文以公路基础平面为例介绍桥涵平面结构物的计算原理，下图为右幅86#墩的基础平面几何图形；
每一个桥墩都存在一个对应的跨径线，跨径线在桥涵平面上体现为横轴，横轴上对应于线路中线位置的点，称为中桩点。过中桩点，沿跨径线里程对应的切线方向为纵轴，纵轴与横轴之间夹角称为偏角。
根据跨径线里程K及纵、横轴之间的夹角α，在线路中线上确定出中桩点O及纵轴方向，顺时针旋转α角度，确定出横轴方向。
遵循“中桩点定位、纵横轴定向”的原则，将桥涵平面结构物经过适当的移动使得平面结构物的中桩点O与线路中线上的中桩点O重合，经过适当的旋转使得中桩点切线方向与纵轴方向重合，实现桥涵结构物平面模型的定位，上述过程称为桥涵平面结构物的模拟放样。
为了简化计算，这里提出基点的概念。基点可以设置在横轴上的任意位置，基点可以设在中桩点，也可以设在桥涵结构物形心位置。基点和中桩点在横轴上的距离为偏心A。中桩点位置可由基点和偏心推求出来，实现桥涵结构物平面模型基点定位、纵横轴定向。若基点设置在中桩点，偏心为0。
图1-1 计算机模拟放样图
2桥涵立面结构物模型
2.1桥涵立面结构物模型提出的背景
经过实际工作发现，关于盖梁轮廓点三维坐标计算，不同的测量技术人员应用不同的工具，采用不同的计算方法，导致计算结果不尽相同。一般将盖梁轮廓点位的三维坐标计算分为平面坐标（X,Y）计算和高程（H）计算。
1、里程+偏距+纵距逐点计算法（详情略）
2、AutoCAD绘图法：
在AutoCAD中，依据设计资料提供的桩位坐标表，将桩位展出，显示出桩心与线路中线的相对位置关系，之后利用桥墩各部位的几何构造图在AutoCAD中依次勾画出承台、系梁、盖梁的轮廓线，再利用坐标标示插件将轮廓点位的平面坐标提取出来。
盖梁高程计算：
盖梁高程计算与平面坐标计算相分离，依据设计资料提供的横坡、纵坡、盖梁横向偏心值，可以将盖梁的四个轮廓点位高程计算出来。图2-3中，中桩点O处的高程HO可由设计纵断面及相应的跨径线里程K计算得出，O’点为盖梁顶面上对应于线路中线跨径线中桩点，其高程为HO’。
ΔH即为上文中提到的盖梁竖向高差h，根据主梁类型、桥墩固结形式不同而不同。
以轮廓点A点为例，介绍轮廓点高程的计算方法，高程由O’点传递到A点，需要考虑盖梁横坡影响△H1，盖梁纵坡影响△H2。
图2-3 盖梁高程传递示意图（二）
其中，La为轮廓点A与O’点距离，Lb为轮廓点A与O’之间的纵向距离，一般取盖梁纵向宽度的一半，当存在高低台时，具体情况要具体分析。有： 
综合公式1和公式2得： 
从以上分析可以发现：
1、要正确计算出盖梁点位的三维坐标，需要综合考虑诸如盖梁横向偏心A，盖梁横坡ih%，盖梁纵坡iz%等信息。
2、盖梁轮廓点位的三维坐标计算过程中平面坐标和高程是分离计算的。
3、盖梁点位平面坐标计算时，采用“里程K+偏距L”的计算方法是存在近似的，这是因为，求解过程中盖梁是沿线路方向布设的，即盖梁的两条横向外边缘轮廓线并不平行，均与其对应的里程切线方位垂直，造成用梯形替换矩形的近似计算。实际上，盖梁的布设是按照跨径线里程的切线方向布设的，这就导致数据计算从原理上已经造成了精度损失。
2.2桥涵立面结构物通用模型描述
针对盖梁以及类似于盖梁的结构物，在此提出桥涵立面结构物的概念。桥涵立面结构物是指将平面上沿跨径线里程对应中桩点切线方向布设的桥涵结构物的平面坐标计算与高程计算融为一体，通过基准点实现结构物与线路中线模型、纵断面模型的位置关联，从而达到轮廓点位三维坐标计算与查询的目的。桥涵立面结构物适用于公路的承台、墩身、盖梁及类似桥墩其他部位的轮廓点位三维坐标计算与查询。下文将以盖梁为例对桥涵立面结构物的计算原理做出介绍。
2.3桥涵立面结构物模型计算原理
下图中数据可从设计图中得：
图2-4 盖梁计算点位示意图
从图中可得，盖梁线路位置信息及盖梁几何构造信息，其中：
K为按照公路桥梁布置原则，确定出的每个桥墩计算跨径处里程，一般指桥墩中心处的里程，简称为跨径线里程；
La为计算点距离中桩点的横向距离，即计算点平距；
Lb为计算点距离中桩点的纵向距离，即计算点纵距；
α为跨径线对应中桩点切线方位与右侧跨径线的夹角，简称偏角；
ih为盖梁横坡，可根据设计的超高信息，线性内插得出；
iz为盖梁纵坡，常见于固结桥墩，可根据纵断面及跨径线里程计算得出；
由跨径线里程K和线路中线模型，坐标正算出中桩点O的平面坐标（Xo,Yo）、切线方位M，左侧法线方位N=M+α+Π；
由跨径线里程K和纵断面模型，推求出中桩点O设计高程Ho;
由盖梁的几何构造图，可得任意轮廓点与中桩点的平面相对位置及高程相对位置，从而确定出人以轮廓点的三维坐标，下文以如轮廓点A为例做坐标推导的详细介绍；
可得A点坐标:
同理，可确定出桥涵立面结构物任意轮廓点三维坐标。
以上即为，应用桥涵构造图、跨径线里程、纵坡、横坡偏角等模型数据，通过基准点实现桥涵立面结构物三维数据建模的原理。
为了简化计算，将几何构造一致的盖梁归为一类，称为一个桥涵立面结构物，赋予该盖梁桥涵结构物的跨径线里程、偏角α、纵坡iz、盖梁竖向偏移、垫石高度等，实现轮廓点位的坐标计算与查询、公路盖梁三维模型自动输出。
2.4桥涵立面结构物模型优点
桥涵立面结构物模型是针对沿跨径线里程切线方位布设的结构物，提取诸如结构物纵距、结构物横坡、结构物纵坡等专家规律，凝练出的适合于现场坐标计算的模型概念。具有以下优点：
①将平面坐标计算与高程计算融为一体，极大地简化了坐标计算程序；
②将计算轮廓可视化，便于模型数据的正确性检核；
③将模型数据凝练成一个整体，便于实现闭合性检查。
图2-5盖梁三维效果图
参考文献：
[1]杨腾峰、黄羚、侯永会等．图形驱动式隧道断面分析方法的实现．铁道勘查
[2]杜宁、王莉等．线路中边桩坐标计算的通用数学模型．矿山测量
[3]李德光等．铁路中线空间坐标与里程换算模型的研究．西南交通大学
[4]姚德新. 土木工程测量学教程，中国铁道出版社，2011
论文作者:夏连营,米强,吴昊
论文发表刊物:《基层建设》2018年第35期
论文发表时间:2019/3/14
标签：桥涵论文; 里程论文; 坐标论文; 结构论文; 平面论文; 高程论文; 模型论文; 《基层建设》2018年第35期论文;