看MicroStation和GEOPAK如何為伊利諾州交通部55號州際公路重建工程節省成本、減少錯誤。
作者：蘇珊•麥克林
 拜MicroStation和GEOPAK之賜，一項都市快速道路大型重建工程不但得以節省時間、改進設計、減少錯誤、提高正確度，伊利諾州交通部和工程顧問間的溝通也變得更加順暢。
位於芝加哥西區的史蒂文生快速道路 (即55號州際公路) 設計於四十年前，當初，誰料想得到，這項長僅4.5英里的路面和橋樑結構重建工程竟須耗資五億三千五百萬美元，而計畫書的頁數竟多達一萬頁。
目前，伊利諾州交通部已經開始利用科技之便來做好這樣的工作，同時也為二十年後的道路重建省下不少時間和金錢。為了確保其數位資訊能夠前後一致，涵蓋九個管轄區的伊利諾州交通部已經建立了一套工作程序。一九九二年以來，該部的大多數工程計畫便是使用MicroStation來設計的。
楊瑞克 (Rick Young) 是史蒂文生工程計畫的負責人，他的辦公室在伊利諾州的蕭姆伯格 (Schaumburg)，屬於伊利諾州交通部的第一管轄區。他負責協調該計畫的七名工程顧問，主要任務是監督工程顧問是否遵循該部的工作程序，並檢查每一名工程顧問的工程計畫，以確保工程的所有部份都能夠配合無誤。
芝加哥市有三項都市快速道路重建工程完全是以MicroStation進行設計，而史蒂文生工程計畫是其中的第一項。作為進入芝加哥的四條主要快速道路之一，其每日交通流量為十三萬八千輛汽車。本工程耗時兩年的設計和三年的施工後，於2000年10月完工。
「GEOPAK功能很強，短時間內就可以幫你完成許多工作，尤其是修改或修正的工作」-- 伊利諾州交通部第一管轄區，Shawn Ley
「測量師不小心放錯了水平尺的高度。我迅速看了一下三角模型才發現，那天所測量到的點都有偏差。GEOPAK幫我們抓出了測量誤差。」-- 康索工程顧問公司計畫工程師雨果•蓋瓦拉
此外，本計畫也是伊利諾州交通部首次在所有文件上一律採取公制度量單位的大型工程。本計畫在設計的第一階段是採用英制度量單位，後來，由於美國聯邦政府規定，公元2000年以後的工程必須以公制度量單位表示，因此必須進行單位換算。為了確保每個工作人員能夠同步，楊瑞克要求他們以概略 (即四捨五入取整數) 或嚴格 (例如：12 英尺 = 3.667公尺) 的方式進行換算。
結構重建
本工程包含4.5英里的路面重建和上部結構代換 (橫樑和上承)、11.5英里的表面重修和橋面代換、33座新擋土牆、以及超過33座的橋樑 (包括8座三拱式橋樑，其中一座長達1.5英里)。由於史蒂文生快速道路大多位於結構體之上，因此要將該公路往東西向拓寬為四線道是一項高挑戰性和高成本的工程。另外，由於該公路有部份原先建於伊密運河 (Illinois & Michigan Canal) 的填充物之上，因此他們計畫仿造這條運河的石灰石砌塊，以石灰石正面建造直立式擋土牆。
自1982年起，伊利諾州交通部開始以MicroStation作為該部的標準軟體，並於1984年左右加入GEOPAK。GEOPAK是該部電腦輔助設計工作人員的選擇，原因是，這套軟體有極佳的座標幾何功能，而且可以和MicroStation搭配使用。
該部第一管轄區的電腦輔助設計課課長Shawn Ley 說：「自從使用這套軟體以來，我們也在不斷成長。GEOPAK功能很強，短時間內就可以幫你完成許多工作，尤其是修改或修正的工作。」
根據Shawn Ley的記憶，這套軟體最初之所以吸引他們的工作團隊，是因為它和他們先前所使用的McDonald Douglas軟體相當類似。不過，如今他們發現，GEOPAK的省時除了來自它本身的優點，一方面也來自MicroStation在程式格式化上的彈性。
Shawn Ley 說：「不論你是使用Visual Basic或MDL來設計程式，MicroStation都給你很大的空間幫你做到你想做的事。它有很好的格式化功能。比方說，我們在原先的檔案中可能想設定某些設計類型，並有幾種不同的標準可供選擇 – 這些，我們都可以用巨集加以控制。如果我想設計一套排水系統，我只要按一下排水系統的巨集，它就會問我想要現有的設計類型還是其他的設計類型。接著，我只要選擇我想要的類型，它會用很快的速度更改所有的標準。因此，就算是不知道作圖標準的新人，他也可以利用這個功能迅速完成設計。」
Shawn Ley 還提到，他曾經寫過一個設計特定類型的道路交叉口的程式，結果將一項原本耗時20分鐘的工作縮減為2分鐘。
工程效率
楊瑞克告訴我們：「畫斷面圖的時候，你可以利用GEOPAK的斷面圖功能來設定各種條件，並檢查你的設計圖是否符合這些條件。當你要修正圖上的特徵時，10英里的斷面圖只要十分鐘就可以重新設計完成。真的非常省時。」
在這間辦公室裡頭，有大約25個MicroStation的座位都是使用Windows NT的Pentium II工作站。楊瑞克告訴我們，該部門的工程科技服務採取集中式管理方式，計畫的最初和最後版本都是在設計中心完成。所有的工程師都可以透過電腦輔助設計工作站來進行圖樣的設計和測試工作。當他們在MicroStation和GEOPAK的使用上有足夠的經驗之後，如果有足夠的時間，他們自己可以比較斷面圖和土方工程。設計完成後，檔案則送到設計中心進行最後的格式化。
這項工程計畫分成六大部份，並由四名主要工程顧問提供服務。楊瑞克的任務則是使用AXIOM的SpecChecker軟體檢查所有工程顧問的工程圖，並在標準化的過程中將錯誤標示出來，以確保所有工程圖的一致性。比方說，如果工程項目的標高、顏色或重量錯誤，伊利諾州交通部就會列出一張錯誤清單，然而要求工程顧問加以修改。
這項計畫用了超過兩千個MicroStation設計檔案來表示包括橋樑、土木以及電子部份的資訊，另外，由藤氏事務所 (Teng & Associates, Inc.) 負責的工程部份則用了超過一千張的契約工程圖。該事務所負責的部份為大約1公里的快速道路幹線以及一條跨越公路上方、銜接達門大道 (Damen Avenue) 的交流道，其工程服務內容包括：道路幾何、道路設計、橋樑設計、排水系統、照明設計、交通號誌、道路標誌、便路以及施工階段計畫。施工成本預估在7千萬美元左右。
重新思考交通流量
藤氏事務所的結構部門經理暨本計畫的高級負責人維納德•帕特爾 (Vinod Patel) 指出，這項計畫最複雜的部份在於達門大道交流道。現有的交流道有四條斜坡道和兩組交通號誌，導致出口斜坡道容易在交通尖峰時刻出現壅塞情形。為了改進其運輸容量，伊利諾州交通部計畫將新的交流道設計為單點都市鑽石型交流道，將四條斜坡道匯集在同一點上，交通號誌也只有一組。由於雙向交通同時進行，不會阻塞在交會區域，因此可以容納更高的交通流量。不過，要在公路上方建造一條匯集四條斜坡道的交流道，在幾何設計和結構設計上可是一大挑戰。
藤氏事務所負責電腦輔助設計的計畫協調人卡爾•巴耶茲克 (Karl Bajzek) 告訴我們，他們用Axiom軟體來維護檔案的完整性，執行批組檔案的修改，並確保其設計能夠符合伊利諾州交通部的標準。
他說：「透過我們所設計的一套獨特編碼系統，我們在更改檔案內容的時候，它會自動將檔案邊界的編號和所有的交叉索引及時予以更新。計畫邊界是由一個附加索引檔和一個標題方塊所構成。邊界索引檔是用來儲存各工程圖皆相同的邊界項目，例如大綱和商標，標題方塊則是用來標示各工程圖皆不同的邊界項目，例如工程圖的編號和標題。另外，邊界索引檔則包含了多個邊界。」
「使用附加索引檔不但可以快速一致地進行更新，它在首次附加的時候也比較容易放置和編排。標題方塊中有一個日期標籤，其中的附加索引檔變項可以幫助使用者更容易找到他需要進行編輯的設計檔案。設計檔可分成模範檔和流程檔。模範檔的內容是各個主要的工程項目，例如準線、地基等等，而流程檔則是包含了附加模範檔案索引和適當邊界索引檔的合成檔。透過這樣的方式，大量的電腦輔助設計資料不但可以組織得更加適切，MicroStation的使用者也可以同時在不同的檔案裡編輯不同的工程項目。」
另外，康索工程顧問公司 (Consultant Consoer Townsend Environdyne Engineers, Inc.) 則負責本計畫東向2.75英里的部份，成本估計在七千五百萬美元左右。內容為道路的重建與表面重修，包括：一條銜接90號及95號州際道路的高運量交流道、八座橋樑、五座新擋土牆、所有混凝土路面的拆除與重建、新的標誌和照明設備、一套新的交通監控系統、以及幾條周邊道路的改良。這份工程契約的高架結構包括：多跨連續式鋼筋縱樑、跨拱 (西向道路30個、東向道路31個)、一座橫跨芝加哥河南方支流的四跨式結構體、以及三條周邊道路上的橋樑。
由於這部份工程的結構設計在GEOPAK的結構模組推出之前就已經完成，因此康索工程顧問公司的結構工程師使用的是一套叫做DCALC的Dos程式來做結構的計算。不過，根據該計畫的工程師雨果•蓋瓦拉 (Hugo Guevara) 記憶所及，他們是用GEOPAK的座標幾何系統來為橋樑的定點和階寬進行定位。
他說：「我們必須沿著非平行、非同心圓式的橫樑定出許多點，以決定橋面立面圖的頂點。有一名結構技師必須在每一條橫樑上每隔十公尺就儲存座標幾何系統的定點，接著，我們先利用GEOPAK中的「layout offset」指令取得所有的定點和階寬，然後再將這些資訊直接輸入結構軟體，以決定橋面立面圖的頂點。這套作法極有助於我們正確而有效地取得所有的定點，避免人工輸入所可能造成的『人為疏失』。」
透過這套座標幾何系統，他們發現自己可以更快找到橋樑工程的定點階寬和擋土牆及橋樑工程的底腳位置，以便在緊密的定點之間保留足夠的間隙。
數位地形模型功能可以偵錯
另外，GEOPAK的數位地形模型功能則為蓋瓦拉帶來了極大的便利 – 雖然這項功能並非該計畫絕對所需。他說：「我們當時正在蒐集一大筆測量資料，得了出好多點。一時好奇之下，我跑了這個程式，結果，程式跑完後才發現，一整天辛苦測量到的點都和相鄰的土地差了大概兩英尺遠，因為測量師不小心放錯了水平尺的高度。我迅速看了一下三角模型才發現，那天所測量到的點都有偏差。GEOPAK幫我們抓出了測量誤差。」
蓋瓦拉表示，GEOPAK在其他工程中更展現了其優越的功能。舉例來說，他們有項工程出現了一條反向曲線後緊跟著一條水平曲線的情況，因此同時有三條曲線要處理，蓋瓦拉說：「我們必須在半英里內將這條曲線往一個方向拉高，接著拉往反方向，最後再拉往原先的方向。我用GEOPAK幫我沿著準線做這個工作。否則，我就必須到每一個站上思考平面應該如何翻轉。」
蓋瓦拉並利用這套軟體的各種顯示功能和計算管理員的顯示功能來檢查工程圖，他說：「我可以把整張圖叫出來。當我要求電腦把所有直徑二十四吋的下水道顯示出來時，其他東西都會被關掉。如果該出現下水道的地方沒有下水道，我就知道自己忘了畫上去，或畫錯了地方。」
他們經常利用標籤工具來取得工程計畫內的資訊，他說：「如果你只想知道一個東西的大概位置，只要按一下標籤就可以得到這個點的階寬。」
此外，蓋瓦拉也發現，這套軟體的條件檔十分有助於工程設計的改進；相較之下，某些軟體的範本在功能上就有所侷限，他說：「我設了一個條件檔來改進背坡的設計，因此，設計的時候只需要考慮必要的問題，其他的我都不必操心。每當碰到十字路口的時候，這套軟體就會自動逐項進行下列的計算工作：這個地點怎麼改良最好？」
至於其他的工程計畫，蓋瓦拉也用GEOPAK軟體來準備土方工程的資料，因此節省了不少時間，改進了設計品質，也製造了許多節省成本的機會。
在康索工程顧問公司，MicroStation是在一架連結多個工作站的NT伺服器上執行的。其中，蓋瓦拉的工作站是一顆擁有128MB RAM和4GB硬碟的Pentium II 450。當客戶要求他們使用AutoCAD時，他們雖然會遵照客戶的要求，但是，MicroStation才是他們所選擇的預設軟體。
「GEOPAK是一套功能強大的軟體，」蓋瓦拉接著說，「它滿足了大部份的工程設計需求，因此，使用者可以從中學到很多東西。以我們公司為例，雖然我們已經很熟練這套軟體了，但是每項計畫都會有人在打開選單的時候發現到，原來還有其他功能可以運用。你真的可以透過這套軟體成長。因此，雖然我很想說，我們已經很善於使用這套軟體了，但是當我帶著問題尋求GEOPAK的幫忙時，我偶爾都會發現一個我原先不知道的功能 – 儘管，這套軟體我們已經使用五年了。」
不過，比起工程圖的預估壽命，五年的時間算是短的了。因為，一項計畫的工程圖大概要等二十年的時間，也就是道路重建的時候，才會歸檔。
康索工程顧問公司的計畫負責人約翰•安奈特 (John Annett) 說：「以數位的方式作計畫有很多好處。例如，在設計的過程中，計畫可以修改得比較快，設計圖也可以用電子郵件的方式來回傳送。至於設計結束後的施工階段，同樣好處多多。他們可以用這些資料來計量，以節省施工人員的時間。倘若計畫要作小部份的修改，譬如移動下水道的位置，他們也可以在設計圖上直接修改。省時省力正是這套軟體最值得稱道之處。」
對楊瑞克來說，只要能夠做好這件工作，那麼工程的設計單位是康索工程顧問公司、藤氏事務所或其他工程顧問都不重要。因為，這些工程圖可以用得很久，而伊利諾州交通部也可以從大量的數位資料中獲得額外的利益。
作者蘇珊•麥克林 (Susan Maclean) 是蘇邁可通訊公司,Sumac Communication 總裁暨自由作家，其寫作主題為工程科技及其他IT的應用。你可以透過http://www.sumac.net 聯絡到她。
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