公路桥梁三维数据模型构建原理

公路桥梁三维数据模型构建原理

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）、