BIM+VR 技術(shù)在道路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

方白楊

（湖北省城建設(shè)計(jì)院股份有限公司,湖北 武漢 430051）

0 引言

隨著我國信息技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)道路設(shè)計(jì)方式由二維平面設(shè)計(jì)向著三維立體化、多專業(yè)化融合方向轉(zhuǎn)化，進(jìn)而給道路設(shè)計(jì)帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。BIM+VR 技術(shù)在此背景下應(yīng)運(yùn)而生，其涵蓋智能化水平高、可視化功能強(qiáng)和三維協(xié)同設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)。BIM+VR 技術(shù)以道路立交設(shè)計(jì)、高校路橋三維建模功能以及仿真模擬技術(shù)為基礎(chǔ)，在路橋設(shè)計(jì)工作領(lǐng)域擁有較高認(rèn)可度，其也為路橋設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)廣泛應(yīng)用做好充分準(zhǔn)備。

1 BIM+VR 相關(guān)概念

BIM+VR[1]（Building Information Modeling in Virtual Reality）是一種將建筑信息建模（BIM）技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)相結(jié)合的創(chuàng)新方法，旨在彌補(bǔ)傳統(tǒng)BIM 技術(shù)和VR 技術(shù)各自的不足之處，為建筑行業(yè)帶來全新的體驗(yàn)和應(yīng)用可能性。通過將BIM 平臺上的建筑數(shù)據(jù)和模型上傳到VR 平臺，BIM+VR 允許用戶進(jìn)入虛擬環(huán)境中，親身體驗(yàn)和觀察建筑物的全貌，從而實(shí)現(xiàn)更為沉浸式的建筑項(xiàng)目交流和決策過程。在傳統(tǒng)的BIM 技術(shù)中，建筑模型可以被創(chuàng)建、編輯和共享，但通常是在二維或三維的計(jì)算機(jī)界面中展示。這樣的展示方式雖然已經(jīng)極大地改善了設(shè)計(jì)和施工過程的效率，但仍然存在一定局限性，特別是在與非專業(yè)人員或普通公眾的交流中。一般人難以從平面圖或簡單的三維模型中準(zhǔn)確理解建筑設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)和空間感。這時，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的引入為BIM 技術(shù)帶來了新的發(fā)展方向。

通過BIM+VR，建筑模型可以被轉(zhuǎn)化為虛擬現(xiàn)實(shí)場景，用戶可以穿著VR 頭盔或使用手持設(shè)備進(jìn)入虛擬環(huán)境中，仿佛身臨其境地走進(jìn)建筑物內(nèi)部和周圍空間。這種沉浸式的交互體驗(yàn)不僅有助于專業(yè)人員更好地理解設(shè)計(jì)意圖和空間布局，還能讓一般公眾更直觀地感受到建筑的外觀和功能。這樣的交流方式有助于提高項(xiàng)目參與者之間的溝通效率，減少誤解和錯誤理解，從而更好地推動建筑項(xiàng)目的進(jìn)展。除了交流和決策方面的優(yōu)勢，BIM+VR 還在建筑項(xiàng)目的可視化和協(xié)作方面發(fā)揮著重要作用。通過VR 技術(shù)，建筑團(tuán)隊(duì)成員可以在虛擬環(huán)境中共同編輯和操控建筑模型，實(shí)時查看其他成員的修改和意見反饋。這種實(shí)時協(xié)作和共同決策的方式加強(qiáng)了建筑團(tuán)隊(duì)的合作，提高了項(xiàng)目的執(zhí)行效率，有助于快速解決問題和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

綜合而言，BIM+VR 作為一種融合技術(shù)，為建筑行業(yè)帶來了前所未有的創(chuàng)新體驗(yàn)和交流方式。通過將BIM的信息豐富性與虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸式體驗(yàn)相結(jié)合，BIM+VR使得建筑項(xiàng)目的可視化、交流和協(xié)作更加高效和直觀。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展和普及，相信BIM+VR 將在未來持續(xù)發(fā)揮重要作用，推動建筑行業(yè)邁向數(shù)字化和智能化的新階段。

2 三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的道路交通設(shè)計(jì)內(nèi)容

2.1 模擬實(shí)驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)

模擬實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在3D 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的道路交通設(shè)計(jì)中扮演著重要角色。該方法利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建道路、駕駛員、車輛和周圍環(huán)境等虛擬模型，并通過真人模擬駕駛等方式還原不同道路駕駛場景，全面統(tǒng)計(jì)車輛特性、駕駛員行為特征和道路設(shè)計(jì)參數(shù)等數(shù)據(jù)。在3D 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中，模擬實(shí)驗(yàn)方法是基于計(jì)算機(jī)生成的仿真環(huán)境，用于進(jìn)行交通場景的模擬實(shí)驗(yàn)，不僅減少實(shí)地試驗(yàn)成本和時間，還可創(chuàng)建復(fù)雜駕駛場景，包括不同道路類型、交通流量、天氣條件等。通過在虛擬環(huán)境中模擬真實(shí)駕駛行為，研究人員能夠收集大量數(shù)據(jù)，并分析駕駛員的反應(yīng)、行為和決策。數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在其中起著關(guān)鍵作用。通過在虛擬駕駛場景中收集大量數(shù)據(jù)，研究人員可以利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)來分析和挖掘隱藏在數(shù)據(jù)背后的有價值信息。這些信息涵蓋駕駛員的操作習(xí)慣、交通流量變化、車輛特性表現(xiàn)等方面。數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)幫助研究人員從海量數(shù)據(jù)中提取有意義的模式和規(guī)律，指導(dǎo)道路交通設(shè)計(jì)的優(yōu)化和改進(jìn)。在模擬實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)支持下，道路交通設(shè)計(jì)客觀全面地進(jìn)行評估。研究人員通過對虛擬駕駛場景中各種因素進(jìn)行調(diào)整和變化，研究不同設(shè)計(jì)方案效果。例如，模擬不同交叉口設(shè)計(jì)、不同道路標(biāo)線設(shè)置、不同交通信號燈配時等，通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)分析交通流量、安全性和效率等方面的表現(xiàn)。

具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可作如下參考（如表1 所示）：

表1 道路交通安全模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

綜上所述，模擬實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的道路交通設(shè)計(jì)中具有重要意義。這些方法的應(yīng)用有望推動道路交通設(shè)計(jì)領(lǐng)域的進(jìn)步，并為建設(shè)更安全、高效和智能化的道路交通系統(tǒng)提供有力支持。

2.2 三維虛擬交通環(huán)境設(shè)計(jì)技術(shù)

在三維虛擬交通環(huán)境設(shè)計(jì)中，采用多種技術(shù)來處理市政道路特性數(shù)據(jù)、進(jìn)行三維建?；顒右约斑M(jìn)行地形和接壤處擬合度分析。這些技術(shù)的綜合應(yīng)用有助于滿足道路輔助設(shè)計(jì)的要求，并確保模型修正需求得到相應(yīng)滿足。

（1）市政道路特性數(shù)據(jù)勘測。為進(jìn)行3D 虛擬交通環(huán)境設(shè)計(jì)，需采集市政道路特性數(shù)據(jù)，包括長度、寬度、標(biāo)線、信號燈等?？睖y方法包括實(shí)地測量、GIS 數(shù)據(jù)和遙感技術(shù)獲取高精度地表數(shù)據(jù)如激光雷達(dá)（LiDAR）或衛(wèi)星遙感圖像，以支持?jǐn)?shù)據(jù)獲取與更新。

（2）三維建?；顒?。采用市政道路特性數(shù)據(jù)進(jìn)行3D 建模，可手動或自動化進(jìn)行。手動建模由專業(yè)設(shè)計(jì)師通過三維建模軟件逐步繪制道路與交通環(huán)境，創(chuàng)造逼真的虛擬環(huán)境。自動化建?？衫糜?jì)算機(jī)視覺技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，根據(jù)勘測數(shù)據(jù)自動生成三維模型，提高建模效率和準(zhǔn)確性。

（3）地形和接壤處擬合度分析。在3D 虛擬交通環(huán)境設(shè)計(jì)中，地形的準(zhǔn)確表現(xiàn)及道路與周圍環(huán)境的擬合度至關(guān)重要。地形分析可使用數(shù)字高程模型（DEM）或地形圖展示虛擬環(huán)境的地形變化，確保道路合理設(shè)計(jì)和坡度平緩。接壤處擬合度分析涉及道路與周圍建筑物、地貌等元素的銜接，確保虛擬交通環(huán)境的真實(shí)感和連續(xù)性。

（4）數(shù)據(jù)信息反饋與模型修正。設(shè)計(jì)師根據(jù)實(shí)際情況和用戶反饋不斷修正3D 虛擬交通環(huán)境設(shè)計(jì)。反饋數(shù)據(jù)可能包括模擬實(shí)驗(yàn)、用戶體驗(yàn)和實(shí)際道路使用數(shù)據(jù)等。設(shè)計(jì)師根據(jù)這些信息及時調(diào)整和改進(jìn)三維模型，確保準(zhǔn)確性和逼真度。

具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可作如下參考（如表2 所示）：

表2 道路交通三維模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

綜合使用這些三維虛擬交通環(huán)境設(shè)計(jì)技術(shù)，能夠有效地提高道路輔助設(shè)計(jì)的效率和精確度。同時，技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步將進(jìn)一步推動三維虛擬交通環(huán)境設(shè)計(jì)的應(yīng)用范圍和水平。

2.3 三維虛擬道路設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化

三維虛擬模擬平臺將公路工程作為參照依據(jù)，通過設(shè)計(jì)資料和圖片數(shù)據(jù)查詢獲取描述道路線形、道路車輛運(yùn)行等特性數(shù)據(jù)。駕駛員行為相關(guān)數(shù)據(jù)主要依靠虛擬的三維平臺進(jìn)行搜集。這些數(shù)據(jù)不僅直接影響三維建模結(jié)果，而且不同道路交通場景，設(shè)計(jì)內(nèi)容也會存在很大差異。

2.4 三維虛擬交通建設(shè)研究

將不同情況的組織作為研究對象，其中包括正常交通組織以及應(yīng)急交通組織，針對交通特性展開研究工作。其中，臨時交通組織的研究需要了解相關(guān)特性所產(chǎn)生的實(shí)際影響效果，包括施工區(qū)最佳作業(yè)周期等。

3 BIM+VR 技術(shù)在道路設(shè)計(jì)中的實(shí)際應(yīng)用

3.1 工程實(shí)例及軟件平臺

某大道位于南方某市空港新城，起于鹿山隧道，止于保稅港區(qū)邊界。該道路是城市主干路，全長1.133 km，標(biāo)準(zhǔn)路幅寬度44 m。該大道核心建設(shè)內(nèi)容包括土石方工程、路基工程、路面工程、排水工程、照明以及管線工程等。利用研發(fā)的VR 道路演示平臺，高分辨率地形模型結(jié)合模擬物理材質(zhì)、天氣及動態(tài)光照環(huán)境構(gòu)建真實(shí)、全面、直觀虛擬現(xiàn)實(shí)場景，展現(xiàn)全路段的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)及要點(diǎn)。VR沉浸式場景使用戶從行人及駕駛員視角全方位審查方案設(shè)計(jì)，對全局和細(xì)節(jié)進(jìn)行綜合性評價[2]。VR 平臺性軟件的開展主要以C++語言為基礎(chǔ)，在發(fā)揮顯卡運(yùn)算作用條件下，達(dá)到理想的三維輸出狀態(tài)，具體構(gòu)架見圖1。

圖1 平臺構(gòu)架結(jié)構(gòu)圖

3.2 地形建模

道路BIM 模型設(shè)計(jì)要與周圍地形地貌相同，因此需要GIS 軟件把采集的航攝地貌影像與三維數(shù)字地形模型匹配，三維數(shù)字地形模型由場地三維離散點(diǎn)坐標(biāo)結(jié)合道路BIM 設(shè)計(jì)平臺生成。在模型與影像匹配過程中存在語義轉(zhuǎn)換和幾何轉(zhuǎn)換兩個問題。①語義轉(zhuǎn)換問題可通過IFC和City GML 標(biāo)準(zhǔn)集成解決；②幾何轉(zhuǎn)換問題是對道路模型開展轉(zhuǎn)換操作，進(jìn)而達(dá)到理想的一致性效果，并保持坐標(biāo)系相同，道路設(shè)計(jì)模型并不會與仿真地形坐標(biāo)系存在明顯差異。BIM 設(shè)計(jì)平臺輸出Land XML 格式的數(shù)據(jù)文件解決，其中數(shù)據(jù)文件包括平、縱、橫設(shè)計(jì)的地形曲面模型，Land XML 文件中的路線坐標(biāo)與初始地形數(shù)據(jù)坐標(biāo)系相同，記錄了路段的起、終點(diǎn)坐標(biāo)，用道路樁號標(biāo)識橫斷面的位置。

3.3 道路設(shè)計(jì)模型

依靠BIM+VR 開展道路設(shè)計(jì)活動，將理念優(yōu)勢特征整體表現(xiàn)出來，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)道路路面、附屬設(shè)施等對象協(xié)同性，實(shí)時檢驗(yàn)設(shè)計(jì)指標(biāo)的合理性。設(shè)計(jì)人員通過斷面視口掌握道路平、縱、橫三維路線，最終完成設(shè)計(jì)方案。①平面設(shè)計(jì)優(yōu)化要素涉及內(nèi)容較多，比較常見的如道路中心線長度、曲線長度等；②縱斷面設(shè)計(jì)需要優(yōu)先對縱向坡度進(jìn)行深入優(yōu)化，并依靠BIM 軟件進(jìn)行三維數(shù)字地面線設(shè)計(jì)，然后根據(jù)地面線不斷繪制和調(diào)整拉坡線[3]；③橫斷面設(shè)計(jì)對道路設(shè)計(jì)至關(guān)重要，BIM 軟件平臺根據(jù)地形曲面、三維道路中心線、橫斷面裝配數(shù)據(jù)建模，視路面結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)、寬度設(shè)計(jì)、車道及人行道視為設(shè)計(jì)對象，通過各個對象的參數(shù)調(diào)整，達(dá)到對象間的協(xié)同設(shè)計(jì)，優(yōu)化全部對象參數(shù)，完成規(guī)范化設(shè)計(jì)；④采用自動模式對行車軌跡坐標(biāo)進(jìn)行生成匹配，并將其作為坐標(biāo)系建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，其中，行車流量編排往往發(fā)揮十分關(guān)鍵的影響作用；⑤BIM+VR 技術(shù)具備強(qiáng)大的裝配以及部件引入作用，其中，關(guān)注屬性信息的表現(xiàn)，并開展數(shù)字化管理工作，對應(yīng)結(jié)果會直接應(yīng)用于項(xiàng)目的其他階段信息錄入上，最終目的是改善道路設(shè)計(jì)信息化發(fā)展能力。

3.4 道路BIM+VR 模型構(gòu)建

BIM+VR 技術(shù)可以對BIM 構(gòu)建的三維信息模型進(jìn)行重構(gòu)，構(gòu)建出場景可視化的三維實(shí)體，主要是利用BIM+VR 技術(shù)的快速自動構(gòu)網(wǎng)、UV優(yōu)化坐標(biāo)系生成技術(shù)、圖像及模型的層級優(yōu)化技術(shù)。①依據(jù)不同的目的和用途構(gòu)建場景模型，同時依托渲染技術(shù)及光影追蹤技術(shù)提升渲染質(zhì)量和光源的采樣率，打造真實(shí)的道路場景；②三維道路數(shù)字模型可以智能化模擬道路行車線、車流以及綠化植被，這些都會跟隨BIM 屬性信息變化而進(jìn)行調(diào)整；③用戶可以利用PBR 物理級材質(zhì)隨時替換道路的材質(zhì)，享受各種材料創(chuàng)造的真實(shí)感受；④通過大氣粒子模擬系統(tǒng)對道路設(shè)計(jì)以及安全狀態(tài)展開評估，了解天氣環(huán)境不同，道路安全方面形成數(shù)據(jù)的差異；⑤結(jié)合氣象和地形地貌的仿真模擬，參與者能夠全景沉浸式進(jìn)行相互信息查閱。配置驅(qū)動與VR 硬件更為吻合，實(shí)現(xiàn)行人、汽車駕駛者、空中飛行模式模擬駕駛功能。行人模式中，參與者以第一人稱視角，對建筑體量進(jìn)行直觀的沉浸式審查，感受設(shè)計(jì)成果。駕駛模式中，參與者在虛擬車內(nèi)自由操作，包括在不同區(qū)域開展沉浸式體驗(yàn)操作?？罩酗w行模式中，參與者可以自由移動，而且可以達(dá)到全場景VR 漫游效果，以及合作密切的互動操作。

4 結(jié)語

總之，BIM 與VR 技術(shù)共同應(yīng)用到道路工程設(shè)計(jì)中，依靠BIM 與GIS 軟件進(jìn)行地形仿真建模，通過VR 仿真平臺集成模型開展交互演示，成功地解決了傳統(tǒng)以及普通道路設(shè)計(jì)方式存在的實(shí)際問題，并真正實(shí)現(xiàn)了協(xié)同設(shè)計(jì)、模型一致性、方案展示以及安全評估方面所具備的優(yōu)勢特征。在國內(nèi)軟件商共同努力下，新一代道路設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)也會得到全面升級，在滿足全生命周期服務(wù)要求條件下，工程建設(shè)效率也將得到相應(yīng)提升，工程建設(shè)質(zhì)量也會有所改善。