基于BIM技術(shù)的共享街道景觀改造 仿真系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

蔣芳 吳慕輝

摘? 要： 共享街道景觀項(xiàng)目在設(shè)計中，通常采用解析法實(shí)現(xiàn)三維圖像的構(gòu)建，但此方法導(dǎo)致各個指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)性不高，建模的效率低下，且圖像的質(zhì)量較低?；诠蚕斫值谰坝^信息模型（BIM）技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)共享街道景觀改造仿真系統(tǒng)的設(shè)計。BIM中Navisworks能夠整合和閱覽共享街道的景觀項(xiàng)目，提供共享街道景觀Navisworks信息的組織形式。借助于CAD建模技術(shù)，能夠完成大型共享街道景觀三維仿真系統(tǒng)的建模。同時，基于Navisworks可視化軟件可渲染共享街道三維仿真模型，從而制作出共享街道景觀的三維仿真圖像。BIM能夠提供共享街道景觀三維仿真系統(tǒng)的實(shí)際方案，結(jié)合動態(tài)演示功能，更好地掌控共享街道景觀三維仿真的具體進(jìn)展。實(shí)踐表明，基于BIM技術(shù)的共享街道景觀三維仿真圖像的清晰度更高、系統(tǒng)的耗時更短且性能更優(yōu)。

關(guān)鍵詞： BIM技術(shù); 共享街道景觀改造仿真系統(tǒng); 街道景觀仿真建模; Navisworks施工動畫模擬模塊; 數(shù)據(jù)可視化; BIM運(yùn)營維護(hù)管理平臺

中圖分類號： TN911.73?34; TP334? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）03?0129?05

Design and implementation of shared street landscape reconstruction

simulation system based on BIM technology

JIANG Fang， WU Muhui

（Hubei University of Education， Wuhan 430205， China）

Abstract： In the design of the shared street landscape， analytical method is usually adopted to build 3D image， but it nevertheless leads to low correlation between various indicators， with low modeling efficiency and poor image quality. Therefore， the shared street landscape reconstruction simulation system is designed on the basis of the building information model （BIM） technology. In the BIM， Navisworks is used to integrate and review the shared street landscape projects， and provide the organizational form of Navisworks information for the shared street landscape. The CAD modeling technology is used for the modeling of 3D simulation system of large?scale shared street landscape. Meanwhile， Navisworks visualization software is used to render the 3D simulation model of shared street landscape， based on which， the 3D simulation image of shared street landscape is built. The BIM can provide the practical scheme of the 3D simulation system for shared street landscape， and better control the detailed progress of 3D simulation of shared street landscape in combination with the dynamic demonstration function. The practices show that the 3D simulation image of shared street landscape based on BIM technology has higher definition， shorter system time consumption and better performance.

Keywords： BIM technology; shared street landscape reconstruction simulation system; street landscape simulation modeling; Navisworks construction animation simulation module; data visualization; BIM operation and maintenance management platform

0? 引? 言

Building Information Modeling （BIM）以三維信息為核心技術(shù)，基于同一工作平臺上構(gòu)建三維信息模型，滿足項(xiàng)目建設(shè)中設(shè)計部門、施工部門、管理部門等創(chuàng)建信息共享與交流的平臺，能夠?yàn)榻值谰坝^改造項(xiàng)目提供全生命周期的解決方案，有效地降低設(shè)計錯漏率，還能夠提升交流的質(zhì)量與效率，推動工程的進(jìn)展，保證工程的質(zhì)量等[1]。我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，行業(yè)發(fā)展穩(wěn)定，交通越來越發(fā)達(dá)。因此，交通功能已經(jīng)變成了街道功能最為核心的部分，空間與交通兩種功能的沖突越來越明顯。汽車工業(yè)的發(fā)展加快了車速，機(jī)動車道的寬度也在不斷增加，街道的步行安全性也在隨之降低，這一現(xiàn)象直接導(dǎo)致交通事故數(shù)量逐年上升。街道中原有的安全和舒適逐漸消失，城市中傳統(tǒng)的、具備特色的街道小巷逐漸被機(jī)動車道所取代，城市給人們的印象也越來越模糊，最終將失去其獨(dú)特性。共享街道景觀改造項(xiàng)目中，傳統(tǒng)的二維圖紙與平面方法已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代化發(fā)展需求，信息化的發(fā)展推動了項(xiàng)目的建設(shè)，尤其是大型項(xiàng)目的建設(shè)[2?3]。通過BIM技術(shù)的運(yùn)用，項(xiàng)目的設(shè)計與施工能夠?qū)崿F(xiàn)可視化，同時借助于設(shè)計校驗(yàn)、碰撞測試等方法，為項(xiàng)目的建設(shè)奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。本文在BIM技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了可視化的共享街道景觀改造仿真系統(tǒng)，并且對系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行深入的分析。

1? 基于BIM技術(shù)的共享街道景觀改造仿真系統(tǒng)設(shè)計

1.1? BIM應(yīng)用模塊的構(gòu)成

目前，在國外發(fā)達(dá)國家中，BIM技術(shù)已經(jīng)非常的成熟。其中，Autodesk公司出品的BIM系統(tǒng)是市場中較為常用的系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包含五個模塊，分別為CAD工程設(shè)計模塊、Civil 3D地形處理模塊、Revit建筑結(jié)構(gòu)建模、AIM快速表現(xiàn)模塊、Navisworks施工動畫模擬模塊[4]。BIM系統(tǒng)中能夠?qū)隒AD，Civil以及Revit構(gòu)建的模型，并且能夠?qū)㈨?xiàng)目在不同時間點(diǎn)的施工情況和施工布置展示出來[5]。具體效果如圖1所示。BIM系統(tǒng)中能夠以動態(tài)的形式將施工效果、施工進(jìn)展展現(xiàn)出來，借助于Navisworks或者3DMax軟件能夠?qū)崿F(xiàn)項(xiàng)目的可視化操作。

1.2? 系統(tǒng)功能設(shè)計

共享街道景觀改造仿真系統(tǒng)主要利用信息技術(shù)以及計算機(jī)技術(shù)，將復(fù)雜的項(xiàng)目工程建設(shè)過程借助計算機(jī)以仿真的形式表現(xiàn)出來，對項(xiàng)目的施工全過程進(jìn)行模擬，從而為工程設(shè)計方案與參數(shù)等內(nèi)容的設(shè)計與修改提供條件。在項(xiàng)目的設(shè)計階段中，設(shè)計者與施工管理者能夠基于該系統(tǒng)進(jìn)行方案的制定與決策。在共享街道景觀改造仿真系統(tǒng)中，相關(guān)人員能夠在簡潔的系統(tǒng)中直觀地理解與發(fā)現(xiàn)設(shè)計與技術(shù)的難點(diǎn)，同時還能夠?yàn)轫?xiàng)目的施工提供信息參考依據(jù)。因此，在對系統(tǒng)的需求以及項(xiàng)目目標(biāo)的研究中，制作出系統(tǒng)的總設(shè)計圖，具體如圖2所示。

根據(jù)圖2可知，共享街道景觀改造仿真系統(tǒng)的設(shè)計主要分為四大功能模塊，分別是BIM模型的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)、施工現(xiàn)場三維漫游、4D動態(tài)仿真以及運(yùn)維模塊。BIM模型的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)主要是借助三維技術(shù)以立體圖的方式展現(xiàn)出結(jié)果。施工中4D動態(tài)仿真是指構(gòu)建三維立體模型，將施工狀態(tài)賦予對應(yīng)的動態(tài)參數(shù)，進(jìn)而更好地結(jié)合工程建設(shè)與工程進(jìn)度。施工現(xiàn)場三維漫游是指借助于漫游的方式，直觀地展現(xiàn)出道路的布局以及景觀設(shè)計等內(nèi)容。運(yùn)維模塊主要作用于系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的維護(hù)與管理。

1.3? 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)體系

根據(jù)系統(tǒng)的功能設(shè)計，系統(tǒng)的架構(gòu)體系主要分為數(shù)據(jù)層、平臺層、模型層以及應(yīng)用層，具體如圖3所示。

數(shù)據(jù)接口層：根據(jù)工程的建設(shè)需求，綜合運(yùn)用BIM軟件以及其他軟件構(gòu)建多種數(shù)據(jù)信息，借助于數(shù)據(jù)接口與交換引擎，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化的轉(zhuǎn)換，最終由系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的識別。

數(shù)據(jù)層：項(xiàng)目工程中，數(shù)據(jù)根據(jù)對應(yīng)特點(diǎn)被分成BIM數(shù)據(jù)庫、組織與過程信息、非結(jié)構(gòu)信息數(shù)據(jù)庫，在仿真系統(tǒng)的構(gòu)建中，所有數(shù)據(jù)都能夠通過系統(tǒng)獲取。

平臺層：平臺層能夠完成數(shù)據(jù)的共享和集成，與此同時能夠讀取、存儲和驗(yàn)證各類數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)層實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，而項(xiàng)目中不同時期的所有數(shù)據(jù)都能夠在這一平臺中進(jìn)行集成。

模型層：模型層的主要功能為在平臺中將BIM軟件設(shè)計出的模型進(jìn)行集成，進(jìn)而滿足項(xiàng)目施工中模擬仿真對模型的調(diào)用。

應(yīng)用層：應(yīng)用層能夠以可視化的界面展示出項(xiàng)目的系統(tǒng)仿真結(jié)果，從而為項(xiàng)目管理人員的決策提供參考依據(jù)。項(xiàng)目的管理主要為施工進(jìn)度管理、成本管理、溝通協(xié)調(diào)、碰撞檢查以及施工的優(yōu)化等。

1.4? 關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

1.4.1? 基于空間插值法的街道空間點(diǎn)坐標(biāo)確認(rèn)

三維建模的核心內(nèi)容之一就是確認(rèn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)點(diǎn)的位置，空間插值法就是利用少量的原始采集點(diǎn)來預(yù)測位置必要的數(shù)據(jù)點(diǎn)參數(shù)，為地表模型建立提供估值空間的相關(guān)高度[6?8]。本設(shè)計利用克里金空間插值法確認(rèn)共享街道各組成部分的空間相關(guān)高度。

在三維空間中，待估計點(diǎn)的[x]，[y]坐標(biāo)已知，需要確認(rèn)[z]坐標(biāo)。假設(shè)[x1，x2，…，xn]代表[n]個坐標(biāo)點(diǎn)的空間位置中的[x]，[y]坐標(biāo)，[Zi=Z（xi）]，[i=1，2，…，n]，代表[i]點(diǎn)的空間位置中的[z]坐標(biāo)的測量值，則有：

式中：[Z?v（x）]代表待估點(diǎn)的[z]坐標(biāo)的估值;[λi]代表已知點(diǎn)權(quán)重系數(shù);[Z（xi）]代表待估點(diǎn)在影響范圍內(nèi)的有效樣本值。

問題轉(zhuǎn)換為求解可確定點(diǎn)的空間坐標(biāo)，需要滿足以下兩個條件：

1） 無偏估計

2） 最優(yōu)估計

當(dāng)變量[Z（x）]的[E[Z（x）]=m]是已知常數(shù)時，則為簡單克里格法，當(dāng)變量[Z（x）]的[E[Z（x）]=m]是未知常數(shù)時，則為普通克里格法。

在內(nèi)在平穩(wěn)條件下：

假設(shè)所需估計的[Z*0=Z*（x0）]是觀測值[Zi]，[i=1，2，…，n]的線性組合：

通過這個條件來確認(rèn)系數(shù)[λ0i]，目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)換為關(guān)于待定系數(shù)[λ0i]，[i=1，2，…，n]的二次函數(shù)形式。通過該拉格朗日乘數(shù)法轉(zhuǎn)換為目標(biāo)函數(shù)的無約束極小值，目標(biāo)函數(shù)如下：

得到下列[Kriging]方程組：

假定測量誤差為彼此獨(dú)立的高斯噪聲，數(shù)學(xué)期望為0，方差為[σ2i（i=1，2，…，n）]。估計值為：

Kriging方程組如下：

估計的方差為：

利用克里金方法可以大量地模擬共享街道中的空間數(shù)據(jù)點(diǎn)，來彌補(bǔ)采集數(shù)據(jù)點(diǎn)不足的問題。

1.4.2? 運(yùn)用Civil 3D生成地形曲面

Civil 3D是Autodesk的產(chǎn)品，主要為BIM工作流程的土木工程設(shè)計提供解決方案[9]。Civil 3D的工具種類繁多，能夠在地形的構(gòu)建、整地、土方的計算，廊道的建模，配置衛(wèi)生設(shè)施，洪水分析和仿真，排水系統(tǒng)的構(gòu)建，工程量的計算，道路設(shè)計等方面發(fā)揮重要的作用，同時還能夠用作地形建置、排水整地、水文分析、坡度分析、坡向分析等，另外還廣泛應(yīng)用于景觀的專業(yè)化運(yùn)用[10?14]。利用Civil 3D構(gòu)建共享街道景觀改造的仿真系統(tǒng)中，項(xiàng)目的規(guī)劃人員可基于Civil 3D軟件平臺進(jìn)行街道景觀項(xiàng)目的整合與閱覽，進(jìn)而制作街道景觀的三維仿真模型，幫助用戶獲取街道景觀的BIM，從而提升街道景觀項(xiàng)目的核心競爭能力，推動項(xiàng)目的工程進(jìn)展。大型街道景觀利用BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維仿真，能夠獲取施工現(xiàn)場的進(jìn)度、施工情況等動態(tài)邏輯關(guān)系，還能夠獲知街道景觀施工場地、環(huán)境以及景觀位置等空間信息。Civil 3D中，曲面是指數(shù)字地形模型。Civil3D中，曲面又分為兩種，分別是三角網(wǎng)（TIN）曲面和柵格曲面，而三角網(wǎng)曲面為缺省的曲面種類。三角網(wǎng)曲面采用不規(guī)則的三角網(wǎng)對真實(shí)的地形進(jìn)行模擬更加的準(zhǔn)確，因此在土木工程的設(shè)計中有著廣泛的應(yīng)用。在構(gòu)建此類模型時，可導(dǎo)入文本格式的測量點(diǎn)數(shù)據(jù)文件，例如.txt，.csv等文件，實(shí)現(xiàn)地形曲面的生成。

1.4.3? 利用Navisworks進(jìn)行街道景觀仿真建模

1） 共享街道景觀改造仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程。

通過街道景觀三維仿真模型的構(gòu)建，能夠滿足街道景觀項(xiàng)目可視化的審閱與分析。三維仿真模型可展現(xiàn)出高清的動態(tài)信息[15]，涵蓋施工現(xiàn)場與工程內(nèi)街道景觀等內(nèi)容，例如，施工的地點(diǎn)、渣料的使用情況、地形的挖填等，使用者都可以通過仿真模型查閱。Navisworks三維仿真平臺的步驟主要為數(shù)據(jù)的采集、地形的數(shù)字化、街道景觀的模型構(gòu)建等，通過在Navisworks中導(dǎo)入街道項(xiàng)目的相關(guān)參數(shù)，并且通過渲染，獲取街道景觀的三維仿真圖像。

2） 街道景觀三維建模。

Navisworks軟件平臺中，借助于CAD技術(shù)完成街道景觀三維仿真模型的構(gòu)建。街道景觀可根據(jù)二維設(shè)計的模式細(xì)分為不同的獨(dú)立部分，確定各個部分之間的關(guān)系，明確街道景觀的空間形體信息。目前，街道景觀大部分都是不規(guī)則的，景觀設(shè)計中要能夠?qū)Σ灰?guī)則的部分進(jìn)行細(xì)致分析，將不規(guī)則形狀規(guī)劃成具體的形狀，例如矩形、圓柱形等，隨后借助CAD軟件描繪出街道中不同部分的三維仿真模型。對于難以精密區(qū)分的不規(guī)則形狀街道，將其自動的組成單元，借助于多次修改與編輯，獲取基本圖元。根據(jù)空間結(jié)構(gòu)關(guān)系將基本圖元依照層次進(jìn)行組合，最終構(gòu)建成街道景觀三維仿真模型。隨后，在Navisworks可視化軟件中增加街道景觀的三維仿真模型，并且通過渲染的方式獲得街道景觀的三維仿真圖像。

1.4.4? 基于BIM的街道景觀三維仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

街道景觀基于BIM技術(shù)的三維仿真系統(tǒng)的流程主要分為三個步驟：

1） 基于街道景觀項(xiàng)目中街道景觀的特征以及附近的樞紐情況，制作設(shè)計街道景觀三維仿真系統(tǒng)中需要的三維仿真模型。

2） 將步驟1）完成的三維仿真模型導(dǎo)入到Navisworks軟件平臺中，并且進(jìn)行渲染，將三維仿真模型中的動態(tài)仿真數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成軟件平臺可讀取的文件格式。

3） Navisworks軟件平臺在完成時間參數(shù)信息以及相應(yīng)的屬性信息的規(guī)劃后，借助于該軟件平臺的二次開發(fā)功能，實(shí)現(xiàn)街道景觀的三維仿真處理。街道景觀三維仿真系統(tǒng)的主要功能包括街道景觀三維仿真景觀施工過程的動態(tài)展示，其中動態(tài)展示的內(nèi)容主要為街道景觀工程施工的狀況以及各個分項(xiàng)目的情況，同時還能夠?qū)崿F(xiàn)街道景觀中仿真數(shù)據(jù)的可視化處理。Navisworks軟件平臺中，Time Liner模塊是實(shí)現(xiàn)街道景觀三維仿真施工過程動態(tài)展示的主要工具。項(xiàng)目施工的過程中，Animator模塊能夠進(jìn)行施工場地場景中的巡航動畫的制作，同時巡航動畫與Time Liner動畫連接，從而滿足用戶從多角度查閱街道景觀三維仿真動態(tài)施工進(jìn)度的需求，幫助用戶更好地通過街道景觀三維仿真了解項(xiàng)目的施工情況。

2? 仿真結(jié)果分析

施工可視化是指結(jié)合施工圖紙和項(xiàng)目現(xiàn)場施工方案在建模軟件平臺上完成模型的創(chuàng)建，同時確定各個加工環(huán)節(jié)工序的完成時間，在施工開始前結(jié)合具體的方案在軟件中構(gòu)建三維動態(tài)的虛擬建造。施工可視化的設(shè)計方案可參見圖4。共享街道景觀項(xiàng)目開始前，運(yùn)用BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維動態(tài)虛擬建造，既可以為工程項(xiàng)目安排合理的施工順序，還能夠確定項(xiàng)目施工中各部分的施工起點(diǎn)與流向，另外，還能夠有效地確定良好的施工技藝與相關(guān)技術(shù)措施。BIM技術(shù)的運(yùn)用實(shí)現(xiàn)了施工的可視化，借助于可視化結(jié)果進(jìn)行人工、物料與機(jī)械設(shè)備的合理分配，降低浪費(fèi)，有效地提前預(yù)測問題并且解決問題，保證了工程的工期，合理控制了施工成本。

圖4? BIM技術(shù)的街道景觀三維仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

3? 結(jié)? 論

共享街道模型的構(gòu)建能夠有效地規(guī)劃分析共享街道項(xiàng)目的材料費(fèi)用、施工進(jìn)度以及施工項(xiàng)目成本，通過項(xiàng)目修改可能性的分析，及時地統(tǒng)計道路的構(gòu)建，保障相關(guān)道路設(shè)計中工程量統(tǒng)計的準(zhǔn)確性，最終結(jié)合實(shí)際情況，運(yùn)用工程量的計算軟件自動統(tǒng)計出共享街道施工的工程量。借助于共享街道模型的構(gòu)建，能夠獲取共享街道的施工工程清單，幫助工程預(yù)算人員更好地整理項(xiàng)目的預(yù)算。根據(jù)數(shù)據(jù)與實(shí)踐案例分析可知，BIM技術(shù)的科學(xué)、高效運(yùn)用，能夠有效地減少道路造價的估算時間，提升預(yù)算的準(zhǔn)確率。共享街道項(xiàng)目的各個階段包括設(shè)計階段、管線預(yù)埋階段、運(yùn)行維護(hù)階段等，都能夠通過BIM模型獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，從而有助于各部門在統(tǒng)一平臺上進(jìn)行合作，避免傳統(tǒng)的設(shè)計中信息應(yīng)用引發(fā)的效率低下等問題，最終有效提高共享街道設(shè)計的效果與效率。另外，在運(yùn)營維護(hù)中，BIM中的運(yùn)營維護(hù)模型集成了BIM、物聯(lián)網(wǎng)、GIS技術(shù)等，創(chuàng)建了綜合性的BIM運(yùn)營維護(hù)管理平臺，實(shí)現(xiàn)區(qū)域基礎(chǔ)設(shè)施以及市政管網(wǎng)的信息化管理。在我國共享街道設(shè)計中運(yùn)用BIM技術(shù)能夠優(yōu)化項(xiàng)目施工中各個環(huán)節(jié)，完善不同環(huán)節(jié)道路設(shè)計的內(nèi)容，提高共享街道設(shè)計與施工的質(zhì)量和效率，科學(xué)掌控項(xiàng)目工程的規(guī)模和造價，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目全過程的管理。BIM技術(shù)的運(yùn)用能夠推動我國市政交通行業(yè)的動態(tài)數(shù)據(jù)化、信息化的發(fā)展。

BIM技術(shù)的運(yùn)用能夠?qū)崿F(xiàn)街道設(shè)計、施工等環(huán)節(jié)的優(yōu)化，從而完善道路設(shè)計與施工的內(nèi)容，進(jìn)而提升道路設(shè)計與施工的質(zhì)量，縮短施工的時間，合理控制工程的規(guī)模與成本。BIM技術(shù)的運(yùn)用能夠?qū)崿F(xiàn)共享街道景觀的仿真系統(tǒng)設(shè)計，為決策者制定各項(xiàng)決策提供參考依據(jù)。

注：本文通訊作者為吳慕輝。

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