基于OSG的BIM+GIS在橋涵方案設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

張憲亮

(1.中鐵建大橋設(shè)計(jì)研究院,武漢 430063; 2.中國鐵建股份有限公司橋梁工程實(shí)驗(yàn)室,武漢 430063)

引言

BIM (Building Information Modeling)即建筑信息模型，開啟了基礎(chǔ)建設(shè)工程數(shù)字化新時(shí)代，貫穿勘察、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維等工程全壽命周期所有階段。BIM 具有幾何結(jié)構(gòu)精細(xì)、語義信息豐富及參數(shù)特征豐富的特點(diǎn)[1-2]，能夠更直觀更詳細(xì)地表達(dá)鐵路項(xiàng)目的幾何、物理、附加屬性及制造過程等信息。但是BIM缺乏空間分析、整體定位、一致性描述等功能。

GIS是以三維計(jì)算機(jī)圖形學(xué)為基礎(chǔ)，基于空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)，為包含地形、地物和設(shè)計(jì)控制要素在內(nèi)的海量三維地理空間數(shù)據(jù)，提供強(qiáng)大的存儲(chǔ)、管理、檢索和分析等服務(wù)[3]。鐵路工程建設(shè)項(xiàng)目具備地理空間跨度大，專業(yè)分工多，工點(diǎn)與地形結(jié)合緊密，施工復(fù)雜等特點(diǎn)，需要將BIM與GIS有效融合[4]，以解決統(tǒng)一空間定位和設(shè)計(jì)邊界約束等問題。

BIM中的三維模型以計(jì)算幾何學(xué)為基礎(chǔ)，專注于三維幾何關(guān)系的表達(dá)；而GIS中的三維模型是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)實(shí)現(xiàn)地理信息的可視化。BIM與GIS模型融合，是基于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的三維渲染場(chǎng)景的融合。BIM+GIS融合面臨坐標(biāo)統(tǒng)一和模型轉(zhuǎn)換的問題。

BIM+GIS的策略和軟件平臺(tái)有多種選擇，可以在GIS平臺(tái)中導(dǎo)入BIM模型，也可以在BIM設(shè)計(jì)軟件中加載GIS場(chǎng)景。ArcGIS通過導(dǎo)入obj等格式的BIM模型文件實(shí)現(xiàn)BIM與GIS集成；Catia則將GIS數(shù)據(jù)模型加載到BIM設(shè)計(jì)工作環(huán)境中；Autodesk通過Infraworks實(shí)現(xiàn)Revit模型與GIS模型的集成。吳祥龍等基于Bentley的Openrail Designer實(shí)現(xiàn)了BIM+GIS環(huán)境下的軌道交通選線應(yīng)用[5]；倪葦以CityMaker作為基礎(chǔ)3DGIS平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了西十高鐵設(shè)計(jì)成果的BIM+GIS展示[6]；范登科等研究了Skyline平臺(tái)下鐵路建設(shè)項(xiàng)目BIM+GIS信息化應(yīng)用[7]；蔣海里等則利用“黑洞”三維圖形引擎實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁端的BIM+GIS應(yīng)用[8]。

本文基于OpenSceneGraph(以下簡稱“OSG”)開發(fā)了BIM與GIS融合的模型信息處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)橋梁方案設(shè)計(jì)可視化，直觀而又全面的展示橋梁設(shè)計(jì)方案及其與周邊環(huán)境的關(guān)系。OSG具有成熟穩(wěn)定、應(yīng)用廣泛、支持模型格式豐富，以及可以與三維造型引擎OCC的無縫融合等優(yōu)點(diǎn)。

1 橋梁方案BIM設(shè)計(jì)

全局工程坐標(biāo)系C0為采用CGCS2000地理坐標(biāo)系的直角投影坐標(biāo)[9]，X軸指向正東，Y軸指向正北，Z豎直向上。本文開發(fā)了線路曲線計(jì)算工具，依據(jù)線路平、縱曲線和橋梁孔跨布置，計(jì)算每個(gè)橋墩的里程樁號(hào)、水平坐標(biāo)(xi，yi)、線路軌底標(biāo)高zi和方位角θi，并結(jié)合地形曲線及梁高h(yuǎn)b和支座高度hz，計(jì)算墩高h(yuǎn)和承臺(tái)標(biāo)高zbi，橋墩平面定位參數(shù)和橋梁高度參數(shù)計(jì)算示意如圖1、圖2所示。

圖1 橋墩平面定位參數(shù)示意

圖2 橋梁高度參數(shù)示意

OpenCasCade(簡稱OCC)，是一款開源的三維幾何造型引擎，擁有強(qiáng)大的曲面造型和實(shí)體布爾計(jì)算等功能[10-11]。本文以O(shè)CC為基礎(chǔ)開發(fā)了橋梁三維模型設(shè)計(jì)軟件，以線路平曲線在每個(gè)橋墩中心里程的法平面為基準(zhǔn)面，建立橋墩模型。根據(jù)橋梁孔跨布置，計(jì)算橋梁起、終點(diǎn)等特征截面的里程，進(jìn)而得到所有特征截面在線路平曲線上放樣點(diǎn)和法平面，以特征截面所在線路法平面為基準(zhǔn)面建立特征截面模型，再通過截面放樣得到適應(yīng)線路曲線的梁部BIM模型。

建立鐵路橋梁的參數(shù)化模型，并利用OCC批量生成鐵路全橋的BIM模型，如圖3所示。

圖3 OCC生成鐵路橋BIM模型

本文還建立了涵洞的參數(shù)模型，并利用OCC生成涵洞的BIM模型，如圖4所示。

圖4 參數(shù)化涵洞建模

OCC還提供了接口來讀寫step、iges等格式的三維模型文件，XBIM也有基于OCC的Geometry模塊可用于導(dǎo)入IFC模型文件[12]。對(duì)于桁架橋、拱橋、斜拉橋等復(fù)雜橋型和異形橋墩，難以實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模，可以借助成熟的商業(yè)BIM軟件，如Revit、Catia等等，進(jìn)行BIM設(shè)計(jì)，將設(shè)計(jì)結(jié)果導(dǎo)出step、iges、ifc等格式的模型文件，再通過OCC和XBIM導(dǎo)入本文的系統(tǒng)中，完成模型的拼裝和集成。

利用Catia設(shè)計(jì)的斜拉橋模型導(dǎo)入到系統(tǒng)內(nèi)集成的效果如圖5所示。

圖5 Catia設(shè)計(jì)的斜拉橋模型

利用OCC建立和導(dǎo)入橋梁BIM模型的過程如圖6所示。

圖6 OCC生成全橋模型過程示意

2 模型換帶坐標(biāo)協(xié)調(diào)

2.1 三維直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

繞X軸旋轉(zhuǎn)角度α的旋轉(zhuǎn)矩陣為

繞Y軸旋轉(zhuǎn)角度β的旋轉(zhuǎn)矩陣為

繞Z軸旋轉(zhuǎn)角度γ的旋轉(zhuǎn)矩陣為

按繞各旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的順序依次右乘相應(yīng)旋轉(zhuǎn)矩陣，即得最終旋轉(zhuǎn)矩陣R(α，β，γ)[13]。

點(diǎn)P在原坐標(biāo)系中的坐標(biāo)用(u，v，w)表示，在目標(biāo)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)用(x，y，z)表示，兩坐標(biāo)系間平差向量(Δx，Δy，Δz)，不考慮兩坐標(biāo)系間的尺度縮放，則三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型為[14-15]:

(1)

2.2 模型局部坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

橋墩、基礎(chǔ)和梁部模型，最終要拼裝在一起，需要解決坐標(biāo)協(xié)調(diào)問題。橋墩Pri的局部坐標(biāo)原點(diǎn)oi設(shè)置在里程中心線上，該點(diǎn)在工程坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為Oi(xi，yi，0)，水平方位角為θi。橋墩模型中的點(diǎn)在其局部坐標(biāo)系中坐標(biāo)用pi(u，v，w)表示，在全局坐標(biāo)系中坐標(biāo)用Pi(x，y，z)表示。橋墩模型坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式為

Pi=Oi+R(θi)pi。

梁部模型在建模時(shí)即考慮線路曲線平彎布置和縱坡，可適應(yīng)曲線梁的三維模型設(shè)計(jì)，然后起始橋墩為基準(zhǔn)作整體轉(zhuǎn)換。

2.3 GIS換帶坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

在長大干線鐵路工程的勘察設(shè)計(jì)工作中，為了保證精度，時(shí)常需要將全線的投影坐標(biāo)系按不同的投影度帶進(jìn)行拆分。而在方案設(shè)計(jì)時(shí)，需要將全線的建設(shè)項(xiàng)目拼裝整合。這就需要將在不同投影坐標(biāo)下設(shè)計(jì)的橋梁模型，統(tǒng)一轉(zhuǎn)換到GIS場(chǎng)景所用的坐標(biāo)系下。

橋梁起止里程點(diǎn)的投影坐標(biāo)分別為P0(u0，v0，w0)和P1(u1，v1，w1)，經(jīng)過投影坐標(biāo)度帶轉(zhuǎn)換工具計(jì)算得到的目標(biāo)度帶投影坐標(biāo)系下的相應(yīng)點(diǎn)坐標(biāo)為Q0(x0，y0，z0)和Q1(x1，y1，z1)。點(diǎn)P0到Q0的平移向量V=Q0-P0，橋梁在兩個(gè)投影坐標(biāo)中的方向向量分別為p和q，其中p=P1-P0，q=Q1-Q0。p與q的夾角為

式中，P為橋梁模型在原投影坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；Q為橋梁模型在目標(biāo)投影坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，則在不同度帶投影坐標(biāo)系間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型由公式(1)可得

P=V+R(θ)Q

3 三維幾何模型協(xié)調(diào)

OSG是基于OpenGL開發(fā)的高性能三維圖形渲染引擎[16]，可以對(duì)傾斜攝影osgb模型、激光點(diǎn)云las數(shù)據(jù)文件[17-18]、數(shù)字高程模型DEM數(shù)據(jù)[19]、三維幾何實(shí)體模型、shapefile矢量圖等多種地理信息數(shù)據(jù)進(jìn)行高效渲染。同OpenGL一樣，OSG也只能對(duì)點(diǎn)、線、三角形等簡單圖形進(jìn)行繪制[20]，復(fù)雜幾何體如球體、錐體、樣條曲面等都要先離散化成簡單網(wǎng)格面片后再進(jìn)行渲染。

OCC生成的BIM模型，是用邊界表示法(BRep)組織管理點(diǎn)、線、面、體的復(fù)雜邏輯關(guān)系的三維幾何實(shí)體模型。因此要將OCC創(chuàng)建的BIM模型，與OSG中的GIS數(shù)據(jù)模型融合，需要先對(duì)幾何實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格化處理，將離散化的網(wǎng)格模型在OSG中重構(gòu)生成OSG.Geometry節(jié)點(diǎn)，再添加到OSG場(chǎng)景樹中進(jìn)行融合。

本文以構(gòu)件為單位，將涵洞、基礎(chǔ)、橋墩、梁部、附屬結(jié)構(gòu)等構(gòu)件進(jìn)行離散化轉(zhuǎn)換，再在OSG場(chǎng)景中逐一重構(gòu)和組裝。

4 工程實(shí)例

某新建高速鐵路總長18.9 km的橋梁項(xiàng)目，其中包含10.3 km的公鐵合建段。雙層公鐵合建橋梁包含1座總長704 m的雙塔雙層鋼桁斜拉橋，1座總長576 m雙層連續(xù)鋼桁梁和1座總長553 m的獨(dú)塔雙層鋼桁斜拉橋。

公鐵合建段橋梁采用Π形橋墩上疊加雙柱式墩的異形橋墩，鐵路段橋梁采用圓端形橋墩。

本項(xiàng)目使用五軸攝影無人機(jī)，對(duì)線路左右各300 m的區(qū)域進(jìn)行了傾斜攝影測(cè)繪生產(chǎn)，生成本工點(diǎn)的三維地形實(shí)景模型，模型精度為5 cm。

本項(xiàng)目使用Autodesk Revit+Dynamo[21]，以參數(shù)化建模的方式生成了異形橋墩的BIM模型；使用Catia設(shè)計(jì)了斜拉橋和鋼桁梁的模型；使用本文基于OCC開發(fā)的三維橋梁設(shè)計(jì)軟件，以參數(shù)化方式批量生成了全橋的箱梁模型和圓端形鐵路橋橋墩的模型。

以基于OSG開發(fā)的BIM+GIS整合處理系統(tǒng)為平臺(tái)，將全橋橋墩、梁部以及特殊大跨橋梁的BIM模型進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和模型轉(zhuǎn)換后，集成拼裝組成全橋BIM模型，并與傾斜攝影實(shí)景模型融合，如圖7所示。直觀地表達(dá)了橋梁工程的橋型方案和地理定位，以及橋梁與江河、道路的跨越關(guān)系，與周邊建筑物的相鄰關(guān)系，并以此集成模型進(jìn)行了橋梁方案比選和評(píng)審。

圖7 全橋方案集成拼裝

本項(xiàng)目所用的三維數(shù)字地形為約23GB的傾斜攝影實(shí)景模型，在本文設(shè)計(jì)開發(fā)的BIM+GIS集成平臺(tái)上加載約耗時(shí)1 min。本項(xiàng)目所用的橋梁方案BIM模型共60MB大小，加載耗時(shí)約32 s。

5 結(jié)語

使用本文軟件系統(tǒng)進(jìn)行橋梁方案BIM+GIS設(shè)計(jì)，可以直觀表達(dá)梁型、墩型和基礎(chǔ)形式，以及橋梁與周邊環(huán)境的立交關(guān)系和相鄰距離等約束條件，實(shí)現(xiàn)橋梁方案可視化、精細(xì)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)成果的展示也更直觀，信息量更飽滿，方便進(jìn)行橋梁方案匯報(bào)展示、比選和評(píng)審。通過基于OSG的BIM+GIS橋梁設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究與開發(fā)，得出如下結(jié)論。

(1)經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和模型轉(zhuǎn)換，基于OSG和OCC可以實(shí)現(xiàn)BIM與GIS的無縫融合，可以實(shí)現(xiàn)BIM+GIS環(huán)境下橋梁方案設(shè)計(jì)和可視化與自動(dòng)化，BIM設(shè)計(jì)成果可實(shí)時(shí)展示在GIS場(chǎng)景中。

(2)OSG作為一個(gè)開源的、開放的、高性能的三維圖形渲染引擎，支持分級(jí)和分頁加載機(jī)制，支持多種GIS數(shù)據(jù)格式，可滿足大數(shù)據(jù)量大場(chǎng)景的模型渲染任務(wù)。利用開源的OSG、OCC等工具平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)開放的BIM設(shè)計(jì)系統(tǒng)以及BIM+GIS的融合應(yīng)用平臺(tái)，體現(xiàn)了開源軟件更靈活、更開放的優(yōu)勢(shì)。

(3)基于ifc、step、iges等開放數(shù)據(jù)格式的OpenBIM，可實(shí)現(xiàn)多專業(yè)和多軟件平臺(tái)間BIM協(xié)同設(shè)計(jì)，建議BIM設(shè)計(jì)工作及相關(guān)軟件的開發(fā)向OpenBIM的方向發(fā)展，消除專業(yè)間和軟件平臺(tái)的壁壘。

OSG還支持自動(dòng)漫游和動(dòng)畫生成，本文中軟件系統(tǒng)將在這方面做進(jìn)一步開發(fā)，使橋梁方案的展示更生動(dòng)。

另外，橋梁工程設(shè)計(jì)中，還需要對(duì)地形做一些處理，比如基坑開挖、邊坡防護(hù)等。這也是本文軟件系統(tǒng)存在的不足之處和努力方向。