1.本发明涉及高速公路服务优化领域，具体涉及一种高速公路服务区数字化设计与优化方法。
背景技术：2.高速公路服务区作为高速公路系统中人流和车流最为密集的地方，其设计的好坏直接影响到人们的体验和感受，同时随着“交通强国”和“交旅融合”等政策的提出，高速公路服务区被赋予了更多的责任和功能，也对高速公路服务区的设计提出了更高的要求。传统的高速公路服务区设计由于方案多、变改动大，设计师往往忽略了绿色分析和优化分析，存在套图和错漏碰缺的现象，导致了服务区设计、施工质量不佳，旅客实际使用体验差。
3.以bim技术为代表的三维数字化技术在本世纪初期出现，并在工程建设领域逐步得到推广和使用。三维数字化技术具有直观性、协调性、模拟性和可出图性等特点，可以使设计师能迅速设计、调整和审视服务区设计方案，并能与各类数值模拟分析计算一体化融合，为设计优化提供可靠的数据支撑，能快速准确的表达设计成果并统计工程量，使设计师从繁杂的重复性工作中解脱出来，更加专注于设计内容本身，有更多精力打造精品服务区和优质服务区。总之，现有的服务区设计方法存在可视化程度低、设计成果表达不直观、设计质量和设计效率不高等问题，已经不满足建设现代化、智慧化服务区的要求。为了迎合新时代高速公路服务区的定位和功能需求，亟需对高速公路服务区的设计方法和手段进行优化和更新
技术实现要素：4.本发明的目的为解决现有技术的不足，提供一种高速公路服务区数字化设计与优化方法，本发明用以解决高速公路服务区设计中存在的上述问题，能快速分析、优化高速公路服务区设计并基于三维数字化模型成果进行出图、算量以及数字化交付。本发明采用如下技术方案：
5.根据本发明的一个方面，本发明提供了一种高速公路服务区数字化设计与优化方法，所述数字化设计与优化方法包括以下步骤：
6.步骤1：确定高速公路服务区的场地基点，以场地基点为原点绘制服务区场地范围，在场地范围内建立服务区主要建筑物的总平面三维数字化体量模型；
7.步骤2：基于服务区总平面三维数字化体量模型进行三维交通流和交通组织分析，用于调整和规划服务区车流和人流路线；
8.步骤3：根据分析结果将服务区总平面三维数字化体量模型导出为cfd软件可接受的数据格式；基于导出的数据对服务区的通风环境和温度环境进行计算分析，根据分析结果判断否存在局部速度、压力突变或乱流的状况，若存在，则重新调整服务区建筑布置后再进行计算、分析和评审；
9.步骤4：将评审好的服务区总平面三维数字化景观空间进行可视化渲染、切分、提
取主要建筑物的空间数据；
10.步骤5：采用三维数字化技术进行结构设计，并对建筑物进行光照分析和能量分析，建立项目结构树文件以及文件存储位置，将各种空间数据在协同环境中同步上传，并实时保持引用和更新；
11.步骤6：通过碰撞干涉检查优化空间关系，生成服务区总平面施工所需要的图纸，并将图纸进行数字化交付。
12.上述方案进一步优选的，所述步骤1中，总平面三维数字化体量模型通过四参数模型(x,y,z,θ)来控制主要建筑物体量模型与场地模型的相对位置关系，其中，x为建筑体量模型与场地模型在x轴方向上的坐标差值；y为建筑体量模型与场地模型在y轴方向上的坐标差值；z为建筑体量模型与场地模型在z轴方向上的坐标差值；θ为角度差值，假设(x1、y1、z1)为建筑体量模型基点坐标，(x0、y0、z0)为场地模型基点坐标，θ1为建筑体量绕z轴与x轴方向形成的夹角，θ0为场地绕z轴与x轴方向形成的夹角，则(x,y,z,θ)个参数模型具体表达式满足：
13.x＝x
1-x0；
14.y＝y
1-y0；
15.z＝z
1-z0；
16.θ＝θ
1-θ0。
17.上述方案进一步优选的，所述步骤2中，基于服务区总平面三维数字化体量模型进行三维化交通流和交通组织分析的过程包括：
18.将服务区总平三维数字化模型与三维化交通流和交通组织交通结合进行仿真；
19.在vissim中导入真实的服务区总平面，并定义服务区内的交通数据；包括输入变量(交通量、路径等)、信控方案输入、减速让行规则设置、检测器设置、动画刻录和仿真评价；
20.在服务区总平三维数字化模型中模拟大客流量时的行人疏散场景，生成道路运营状况的动画、延误或停车次数的评价文本，根据评价文本重新调整和规划服务区车流和人流路线，合理布局服务区的功能分区。
21.上述方案进一步优选的，所述步骤3中，将分析结果用服务区总平面三维数字化体量模型导出为cfd仿真软件可接受的数据格式，采用standard k-ε湍流模型进行流体数值分析计算，以服务区所在地区的气候参数作为计算输入条件，包括风速、气压和温度等，以建筑材料属性作为边界条件，通过数值计算模拟服务区空间的流场和温度场分布；
22.由于k-ε湍流模型适用于离开壁面一定距离的湍流区域，对于壁面附近区域，由于雷诺数较小，标准于k-ε湍流模型不再适用，可采用壁面函数法来处理，此时壁面速度与距离按对数分布，可以用以下公式表示：
[0023][0024]
其中u为近壁速度，y为通风口离壁面的距离，τ为流动切应力，ρ为流体密度，e＝9.011，k＝0.41。
[0025]
上述方案进一步优选的，生成服务区总平面施工所需要的图纸，基于服务区总平面三维数字化模型沿各向剖切或者多视角抽图，直接生成建筑物45
°
三维轴测图或者设备
外形轮廓图，添加和完善尺寸标注及文字标注，得到所需二维图纸，再将二维图纸连同三维数字化模型一起交付。
[0026]
上述方案进一步优选的，所述二维图纸括总平面图、建筑结构二维图纸和机电设备图纸、钢筋布置图中的一种或多种。
[0027]
综上所述，本发明由于采用了以上技术方案，本发明具有以下显著效果：
[0028]
(1)本发明通过对高速公路服务区进行三维数字化设计与优化，能快速分析、优化高速公路服务区设计方案并基于三维数字化模型成果进行出图、工程量计算以及数字化交付，主要应用于高速公路服务区建筑、结构、景观、机电的设计与优化分析领域；
[0029]
(2)本发明通过对高速公路服务区进行三维数字化设计与优化，实现服务区数字化模型与计算分析的一体化融合，在优化设计成果的同时规避了手工出图和工程量统计的繁琐程序，减少了人工参与计算和生成图纸、工程量过程中产生的不可控的人为错误，优化了服务区协同设计流程，不仅提高了服务区绿色分析与数值分析计算的精度，还提高了设计的效率和质量，实现了高速公路服务区数字化设计和绿色设计。
附图说明
[0030]
图1是本发明的一种高速公路服务区数字化设计与优化方法的流程图。
[0031]
图2是本发明的服务区建筑光照分析图；
具体实施方式
[0032]
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，举出优选实施例对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。下面结合附图，对本发明做进一步地详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。
[0033]
结合图1所示，本发明提供的一种高速公路服务区数字化设计与优化方法，所述数字化设计与优化方法包括以下步骤：
[0034]
步骤1：确定高速公路服务区的场地基点，以场地基点为原点绘制服务区场地范围，在场地范围内建立服务区主要建筑物的总平面三维数字化体量模型，建立服务区主要建筑物的总平面三维数字化体量模型主要包括综合楼、行政楼、加油站、机修间、配电室、水塔以及其它特殊建筑体等。建筑体量模型只表现建筑体主要外形轮廓，不体现具体的结构和细节，体量通过矩形体、球体、圆柱体、锥体、棱柱体等主要几何体装配组合而成；总平面三维数字化体量模型通过四参数模型(x,y,z,θ)来设置或控制主要建筑物与场地边界的约束关系，其中(x1、y1、z1)为建筑体量基点坐标,(x0、y0、z0)为场地基点坐标，θ1为建筑体量绕z轴与x轴方向形成的夹角，θ0为场地绕z轴与x轴方向形成的夹角，通过参数控制可以快速调整服务区概念建筑方案的尺寸以及总平布置；对在服务区场地范围内的主要建筑物进行三维空间定位，对在服务区场地范围内的主要建筑物进行三维空间定位，假设(x1、y1、z1)为建筑体量模型基点坐标，(x0、y0、z0)为场地模型基点坐标，θ1为建筑体量绕z轴与x轴方向形成的夹角，θ0为场地绕z轴与x轴方向形成的夹角，则(x,y,z,θ)个参数模型具体表达式满足：
[0035]
x＝x
1-x0；
[0036]
y＝y
1-y0；
[0037]
z＝z
1-z0；
[0038]
θ＝θ
1-θ0。
[0039]
步骤2：基于服务区总平面三维数字化体量模型进行三维化交通流和交通组织分析，用于调整和规划服务区车流和人流路线，优化服务区建筑布局，使服务区的功能分区更加合理；基于服务区总平面三维数字化体量模型进行三维化交通流和交通组织分析的过程包括：
[0040]
将服务区总平三维数字化模型与三维化交通流和交通组织交通结合进行仿真；
[0041]
在vissim软件中导入真实的服务区总平面，并定义服务区内的交通数据；包括输入变量(交通量、路径等)、信控方案输入、减速让行规则设置、检测器设置、动画刻录和仿真评价；
[0042]
在服务区总平三维数字化模型中模拟大客流量时的行人疏散场景，生成道路运营状况的动画、延误或停车次数的评价文本，根据评价文本重新调整和规划服务区车流和人流路线，合理布局服务区的功能分区；
[0043]
步骤3：将分析结果用服务区总平面三维数字化体量模型导出可接受的数据格式；基于导出的数据对服务区的通风环境和温度环境进行计算分析，根据分析结果判断否存在局部速度、压力突变或乱流的状况，若存在，则重新调整服务区建筑布置后再进行计算、分析和评审，评审服务区主要建筑物的总平面三维数字化景观空间；将服务区总平面三维数字化体量模型导出为cfd仿真软件可接受的数据格式，减少了在cfd软件中建模的步骤，采用standard k-ε湍流模型，以服务区所在地区的气候参数作为计算输入条件，以建筑材料属性作为边界条件，模拟服务区空间的气候参数分布。由于k-ε湍流模型适用于离开壁面一定距离的湍流区域，对于壁面附近区域，由于雷诺数较小，标准于k-ε湍流模型不再适用，可采用壁面函数法来处理，此时壁面速度与距离按对数分布，可以用以下公式表示：
[0044][0045]
其中μ为近壁速度，y为通风口离壁面的距离，τ为流动切应力，ρ为流体密度，e＝9.011，k＝0.41。
[0046]
采用standard k-ε湍流模型对通风的进出口条件直接求解流动域，通过给定进口流速，可以采用多种方法，一种是相对进口边界的法向速度，或者是进口流量，另一种是给定速度的各方向的分量值，出口速度分量按第二类边界条件，出口压力按静压力给定，出口流量按出口的平均值给定。计算网格采用四面体(三角形)非结构化网格；通过cfd分析，可以直接模拟出服务区的气流速度分布、压力分布和温度场的温度分布，根据计算模拟结果判断是否存在局部速度、压力突变或则乱流的状况，并调整影响空气流态、温度分布的建筑布局，使其满足绿色、节能的需求；
[0047]
步骤4：将评审好的服务区总平面三维数字化景观空间进行可视化渲染、切分、提取主要建筑物的空间数据；在评审后的服务区总平面三维数字化景观空间的基础上进行三维数字化景观设计，利用景观bim软件进行场地、园路、台阶、花坛、树池、廊架等景观族的创建，实现植物和景观构件按直线、平面和曲面等方式的快速布设。在三维空间场景中对三维数字化景观空间的合理性进行分析和评审，通过日照分析精确计算哪些区域适合栽植耐阴
植物，哪些区域适合喜阳植物，让植物配置更科学，对景观空间进行效果渲染，采用动画、三维图纸等多种形式交付，让各建设各参与方更容易理解设计意图，根据审定好的景观绿化方案自动输出平面图、立面图、透视图并统计工程量；应用利用景观bim软件进行结构专业正向设计，完成建筑物结构部分建模后，分析所需的几何参数、弹性模量、密度、泊松比等数据，并对复杂的几何模型进行了切分处理，把提取的数据整理成ansys apdl命令流格式，从而实现了bim模型到ansys分析模型的直接转换，体现出结构建模与分析的优势互补和转换的快速高效；
[0048]
步骤5：采用三维数字化技术进行结构设计，建立项目结构树文件以及文件存储位置，将各种空间数据在协同环境中同步上传，并实时保持引用和更新；
[0049]
根据服务区主要建筑物风格要求，收集并分类整理成为服务区建筑构件库，采用积木法进行建筑体三维装配式设计，在三维数字化软件中对建筑物进行光照分析和能量分析，分析评价建筑物的能耗指标，以此调整建筑设计方案；三维装配式设计采用projectwise软件进行协同设计，并通过建立项目结构树文件以及文件存储位置，协同开展电气、给排水、消防、通风等专业模型设计，各专业模型文件在协同环境中同步上传，实时保持引用和更新，在协同环境中进行各专业间的碰撞干涉检查，根据检查调整各类设备、管路布置；区别于传统的建筑设计方法中，由于服务区建筑设计体量小、方案相对简单，易采用三维数字化正向设计，应用bim软件进行结构专业正向设计，首先根据服务区建筑的功能分区和地域建筑风格要求，建立服务区建筑构件的族库，族库采用云管理模式，可以通过本地局域网或者互联网上传、下载族库构件，在进行服务区建筑设计时，通过族库管理软件调用族库，在服务区方案模型的基础上进行精细化的建筑装配，形成服务区建筑深化方案。在bim软中，对服务区主要建筑物进行光照分析，模拟在自然光照条件下建筑内部的采光性能，根据光照分析结果调整窗户尺寸及位置设置。光照分析效果如附图2所示，图2中颜色的深浅表示自然光照条件下的室内光照强度，由图中可以看出，该建筑方案由于窗体个数少而且开窗面积较小，建筑中部大部分为深色区域，表明自然光照不足，因此需要调整窗体的设计方案以改善光照条件，或者在白天的情况下增加光源从而达到比较好的照明效果。对建筑物进行能耗分析，通过3d数字信息模型就可以事先模拟建筑物任意构件变换后所产生的能耗，从而在源头上控制建筑能耗，将建筑模型导入三维可视化渲染软件中，对建筑外观和建筑周围环境场景进行效果渲染形成方案效果图，对建筑的整体美观性和与环境的协调性进行客观分析评价；
[0050]
步骤6：通过碰撞干涉检查优化空间关系，生成服务区总平面施工所需要的图纸，并将图纸进行数字化交付；生成服务区总平面施工所需要的图纸基于服务区总平面三维数字化体量模型沿各向剖切与多视角抽图，直接成三维45
°
轴测建筑物或者设备外形轮廓图，并添加和完善尺寸标注及文字标注，从而得到所需二维图纸，再将二维图纸进行三维数字化后进行交付；生成服务区施工所需的二维图纸括总平面图、建筑结构二维图纸、机电设备图纸、钢筋布置图。根据模型，自动统计工程量，包括：钢筋工程量、混凝土工程量、机电设备、水电管线工程量。
[0051]
以上所述仅为发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：1.一种高速公路服务区数字化设计与优化方法，其特征在于：所述数字化设计与优化方法包括以下步骤：步骤1：确定高速公路服务区的场地基点，以场地基点为原点绘制服务区场地范围，在场地范围内建立服务区主要建筑物的总平面三维数字化体量模型；步骤2：基于服务区总平面三维数字化体量模型进行三维化交通流和交通组织分析，用于调整和规划服务区车流和人流路线；步骤3：将分析结果用服务区总平面三维数字化体量模型导出可接受的数据格式；基于导出的数据对服务区的通风环境和温度环境进行计算分析，根据分析结果判断否存在局部速度、压力突变或乱流的状况，若存在，则则重新调整服务区建筑布置后再进行计算、分析和评审；步骤4：将评审好的服务区总平面三维数字化景观空间进行可视化渲染、切分、提取主要建筑物的空间数据；步骤5：采用三维数字化技术进行结构设计，并对建筑物进行光照分析和能量分析，建立项目结构树文件以及文件存储位置，将各种空间数据在协同环境中同步上传，并实时保持引用和更新；步骤6：通过碰撞干涉检查优化空间关系，生成服务区总平面施工所需要的图纸，并将图纸进行数字化交付。2.根据权利要求1所述的一种高速公路服务区数字化设计与优化方法，其特征在于：所述步骤1中，总平面三维数字化体量模型通过四参数模型(x,y,z,θ)来控制主要建筑物体量模型与场地模型的相对位置关系，其中，x为建筑体量模型与场地模型在x轴方向上的坐标差值；y为建筑体量模型与场地模型在y轴方向上的坐标差值；z为建筑体量模型与场地模型在z轴方向上的坐标差值；θ为角度差值，假设(x1、y1、z1)为建筑体量模型基点坐标，(x0、y0、z0)为场地模型基点坐标，θ1为建筑体量绕z轴与x轴方向形成的夹角，θ0为场地绕z轴与x轴方向形成的夹角，则(x,y,z,θ)个参数模型具体表达式满足：x＝x
1-x0；y＝y
1-y0；z＝z
1-z0；θ＝θ
1-θ0。3.根据权利要求1所述的一种高速公路服务区数字化设计与优化方法，其特征在于：所述步骤2中，基于服务区总平面三维数字化体量模型进行三维化交通流和交通组织分析的过程包括：将服务区总平三维数字化模型与三维化交通流和交通组织结合进行仿真；在vissim软件中导入真实的服务区总平面，并定义服务区内的交通数据；包括输入变量、信控方案输入、减速让行规则设置、检测器设置、动画刻录和仿真评价；在服务区总平三维数字化模型中模拟大客流量时的行人疏散场景，生成道路运营状况的动画、延误或停车次数的评价文本，根据评价文本重新调整和规划服务区车流和人流路线，优化服务区建筑布局，使服务区的功能分区更加合理。4.根据权利要求1所述的一种高速公路服务区数字化设计与优化方法，其特征在于：所述步骤3中，将优化后的服务区总平面三维数字化体量模型导出为cfd仿真软件可接受的数
据格式，采用standard k-ε湍流模型进行流体数值分析计算，以服务区所在地区的气候参数作为计算输入条件，包括风速、气压和温度等，以建筑材料属性作为边界条件，通过数值计算模拟服务区空间的流场和温度场分布，由于k-ε湍流模型适用于离开壁面一定距离的湍流区域，对于壁面附近区域采用壁面函数法来处理，此时壁面速度与距离分布满足：其中μ为近壁速度，y为通风口离壁面的距离，τ为流动切应力，ρ为流体密度，e＝9.011，k＝0.41。5.根据权利要求1所述的一种高速公路服务区数字化设计与优化方法，其特征在于：生成服务区总平面施工所需要的图纸，基于服务区总平面三维数字化模型沿各向剖切或者多视角抽图，直接生成建筑物45
°
三维轴测图或者设备外形轮廓图，添加和完善尺寸标注及文字标注，得到所需二维图纸，再将二维图纸连同三维数字化模型一起交付。6.根据权利要求5所述的一种高速公路服务区数字化设计与优化方法，其特征在于：所述二维图纸括总平面图、建筑结构二维图纸和机电设备图纸、钢筋布置图中的一种或多种。
技术总结本发明公开了一种高速公路服务区数字化设计与优化方法，包括以下步骤：在场地范围内建立服务区主要建筑物的总平面三维数字化体量模型；基于服务区总平面三维数字化体量模型进行三维化交通流和交通组织分析；将分析结果用服务区总平面三维数字化体量模型导出可接受的数据格式；将评审好的服务区总平面三维数字化景观空间进行可视化渲染、切分、提取主要建筑物的空间数据；建立项目结构树文件以及文件存储位置，将各种空间数据在协同环境中同步上传；通过碰撞干涉检查优化空间关系，生成服务区总平面施工所需要的图纸。本发明能快速分析、优化高速公路服务区设计并基于三维数字化模型成果进行出图、算量以及数字化交付。算量以及数字化交付。算量以及数字化交付。
技术研发人员：覃延春 黄德耕 覃薇 王长海 黎琮莹 欧剑聪 侯泽群 梁才 林婧 路盛敏
受保护的技术使用者：广西交通设计集团有限公司
技术研发日：2022.03.22
技术公布日：2022/7/5
