基于BIM技術的共享街道景觀改造 仿真系統(tǒng)設計與實現

蔣芳 吳慕輝

摘? 要： 共享街道景觀項目在設計中，通常采用解析法實現三維圖像的構建，但此方法導致各個指標間的關聯性不高，建模的效率低下，且圖像的質量較低。基于共享街道景觀信息模型（BIM）技術能夠實現共享街道景觀改造仿真系統(tǒng)的設計。BIM中Navisworks能夠整合和閱覽共享街道的景觀項目，提供共享街道景觀Navisworks信息的組織形式。借助于CAD建模技術，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)的實際方案，結合動態(tài)演示功能，更好地掌控共享街道景觀三維仿真的具體進展。實踐表明，基于BIM技術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)。

關鍵詞： BIM技術; 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; 數據可視化; BIM運營維護管理平臺

中圖分類號： TN911.73?34; TP334? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： 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，基于同一工作平臺上構建三維信息模型，滿足項目建設中設計部門、施工部門、管理部門等創(chuàng)建信息共享與交流的平臺，能夠為街道景觀改造項目提供全生命周期的解決方案，有效地降低設計錯漏率，還能夠提升交流的質量與效率，推動工程的進展，保證工程的質量等[1]。我國的經濟發(fā)展迅速，行業(yè)發(fā)展穩(wěn)定，交通越來越發(fā)達。因此，交通功能已經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，這一現象直接導致交通事故數量逐年上升。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，最終將失去其獨特性。共享街道景觀改造項目中，傳統(tǒng)的二維圖紙與平面方法已經難以滿足現代化發(fā)展需求，信息化的發(fā)展推動了項目的建設，尤其是大型項目的建設[2?3]。通過BIM技術的運用，項目的設計與施工能夠實現可視化，同時借助于設計校驗、碰撞測試等方法，為項目的建設奠定了數據基礎。本文在BIM技術的基礎上，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)的設計與實現進行深入的分析。

1? 基于BIM技術的共享街道景觀改造仿真系統(tǒng)設計

1.1? BIM應用模塊的構成

目前，在國外發(fā)達國家中，BIM技術已經非常的成熟。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工程設計模塊、Civil 3D地形處理模塊、Revit建筑結構建模、AIM快速表現模塊、Navisworks施工動畫模擬模塊[4]。BIM系統(tǒng)中能夠導入CAD，Civil以及Revit構建的模型，并且能夠將項目在不同時間點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、施工進展展現出來，借助于Navisworks或者3DMax軟件能夠實現項目的可視化操作。

1.2? 系統(tǒng)功能設計

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

根據圖2可知，共享街道景觀改造仿真系統(tǒng)的設計主要分為四大功能模塊，分別是BIM模型的設計與實現、施工現場三維漫游、4D動態(tài)仿真以及運維模塊。BIM模型的設計與實現主要是借助三維技術以立體圖的方式展現出結果。施工中4D動態(tài)仿真是指構建三維立體模型，將施工狀態(tài)賦予對應的動態(tài)參數，進而更好地結合工程建設與工程進度。施工現場三維漫游是指借助于漫游的方式，直觀地展現出道路的布局以及景觀設計等內容。運維模塊主要作用于系統(tǒng)基礎數據的維護與管理。

1.3? 系統(tǒng)技術架構體系

根據系統(tǒng)的功能設計，系統(tǒng)的架構體系主要分為數據層、平臺層、模型層以及應用層，具體如圖3所示。

數據接口層：根據工程的建設需求，綜合運用BIM軟件以及其他軟件構建多種數據信息，借助于數據接口與交換引擎，實現數據結構化的轉換，最終由系統(tǒng)實現數據的識別。

數據層：項目工程中，數據根據對應特點被分成BIM數據庫、組織與過程信息、非結構信息數據庫，在仿真系統(tǒng)的構建中，所有數據都能夠通過系統(tǒng)獲取。

平臺層：平臺層能夠完成數據的共享和集成，與此同時能夠讀取、存儲和驗證各類數據信息。數據層實現了數據的轉換，而項目中不同時期的所有數據都能夠在這一平臺中進行集成。

模型層：模型層的主要功能為在平臺中將BIM軟件設計出的模型進行集成，進而滿足項目施工中模擬仿真對模型的調用。

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

1.4? 關鍵技術的實現

1.4.1? 基于空間插值法的街道空間點坐標確認

三維建模的核心內容之一就是確認坐標數據點的位置，空間插值法就是利用少量的原始采集點來預測位置必要的數據點參數，為地表模型建立提供估值空間的相關高度[6?8]。本設計利用克里金空間插值法確認共享街道各組成部分的空間相關高度。

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

式中：[Z?v（x）]代表待估點的[z]坐標的估值;[λi]代表已知點權重系數;[Z（xi）]代表待估點在影響范圍內的有效樣本值。

問題轉換為求解可確定點的空間坐標，需要滿足以下兩個條件：

1） 無偏估計

2） 最優(yōu)估計

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

在內在平穩(wěn)條件下：

假設所需估計的[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系數[λ0i]，目標函數轉換為關于待定系數[λ0i]，[i=1，2，…，n]的二次函數形式。通過該拉格朗日乘數法轉換為目標函數的無約束極小值，目標函數如下：

得到下列[Kriging]方程組：

假定測量誤差為彼此獨立的高斯噪聲，數學期望為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據點，來彌補采集數據點不足的問題。

1.4.2? 運用Civil 3D生成地形曲面

Civil 3D是Autodesk的產品，主要為BIM工作流程的土木工程設計提供解決方案[9]。Civil 3D的工具種類繁多，能夠在地形的構建、整地、土方的計算，廊道的建模，配置衛(wèi)生設施，洪水分析和仿真，排水系統(tǒng)的構建，工程量的計算，道路設計等方面發(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，另外還廣泛應用于景觀的專業(yè)化運用[10?14]。利用Civil 3D構建共享街道景觀改造的仿真系統(tǒng)中，項目的規(guī)劃人員可基于Civil 3D軟件平臺進行街道景觀項目的整合與閱覽，進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目的核心競爭能力，推動項目的工程進展。大型街道景觀利用BIM技術實現三維仿真，能夠獲取施工現場的進度、施工情況等動態(tài)邏輯關系，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，曲面是指數字地形模型。Civil3D中，曲面又分為兩種，分別是三角網（TIN）曲面和柵格曲面，而三角網曲面為缺省的曲面種類。三角網曲面采用不規(guī)則的三角網對真實的地形進行模擬更加的準確，因此在土木工程的設計中有著廣泛的應用。在構建此類模型時，可導入文本格式的測量點數據文件，例如.txt，.csv等文件，實現地形曲面的生成。

1.4.3? 利用Navisworks進行街道景觀仿真建模

1） 共享街道景觀改造仿真系統(tǒng)數據處理流程。

通過街道景觀三維仿真模型的構建，能夠滿足街道景觀項目可視化的審閱與分析。三維仿真模型可展現出高清的動態(tài)信息[15]，涵蓋施工現場與工程內街道景觀等內容，例如，施工的地點、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據的采集、地形的數字化、街道景觀的模型構建等，通過在Navisworks中導入街道項目的相關參數，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技術完成街道景觀三維仿真模型的構建。街道景觀可根據二維設計的模式細分為不同的獨立部分，確定各個部分之間的關系，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，景觀設計中要能夠對不規(guī)則的部分進行細致分析，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。根據空間結構關系將基本圖元依照層次進行組合，最終構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)實現

街道景觀基于BIM技術的三維仿真系統(tǒng)的流程主要分為三個步驟：

1） 基于街道景觀項目中街道景觀的特征以及附近的樞紐情況，制作設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入到Navisworks軟件平臺中，并且進行渲染，將三維仿真模型中的動態(tài)仿真數據轉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信息以及相應的屬性信息的規(guī)劃后，借助于該軟件平臺的二次開發(fā)功能，實現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)展示的內容主要為街道景觀工程施工的狀況以及各個分項目的情況，同時還能夠實現街道景觀中仿真數據的可視化處理。Navisworks軟件平臺中，Time Liner模塊是實現街道景觀三維仿真施工過程動態(tài)展示的主要工具。項目施工的過程中，Animator模塊能夠進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)施工進度的需求，幫助用戶更好地通過街道景觀三維仿真了解項目的施工情況。

2? 仿真結果分析

施工可視化是指結合施工圖紙和項目現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，在施工開始前結合具體的方案在軟件中構建三維動態(tài)的虛擬建造。施工可視化的設計方案可參見圖4。共享街道景觀項目開始前，運用BIM技術實現三維動態(tài)虛擬建造，既可以為工程項目安排合理的施工順序，還能夠確定項目施工中各部分的施工起點與流向，另外，還能夠有效地確定良好的施工技藝與相關技術措施。BIM技術的運用實現了施工的可視化，借助于可視化結果進行人工、物料與機械設備的合理分配，降低浪費，有效地提前預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技術的街道景觀三維仿真系統(tǒng)實現方案

3? 結? 論

共享街道模型的構建能夠有效地規(guī)劃分析共享街道項目的材料費用、施工進度以及施工項目成本，通過項目修改可能性的分析，及時地統(tǒng)計道路的構建，保障相關道路設計中工程量統(tǒng)計的準確性，最終結合實際情況，運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建，能夠獲取共享街道的施工工程清單，幫助工程預算人員更好地整理項目的預算。根據數據與實踐案例分析可知，BIM技術的科學、高效運用，能夠有效地減少道路造價的估算時間，提升預算的準確率。共享街道項目的各個階段包括設計階段、管線預埋階段、運行維護階段等，都能夠通過BIM模型獲取相關的數據信息，從而有助于各部門在統(tǒng)一平臺上進行合作，避免傳統(tǒng)的設計中信息應用引發(fā)的效率低下等問題，最終有效提高共享街道設計的效果與效率。另外，在運營維護中，BIM中的運營維護模型集成了BIM、物聯網、GIS技術等，創(chuàng)建了綜合性的BIM運營維護管理平臺，實現區(qū)域基礎設施以及市政管網的信息化管理。在我國共享街道設計中運用BIM技術能夠優(yōu)化項目施工中各個環(huán)節(jié)，完善不同環(huán)節(jié)道路設計的內容，提高共享街道設計與施工的質量和效率，科學掌控項目工程的規(guī)模和造價，實現項目全過程的管理。BIM技術的運用能夠推動我國市政交通行業(yè)的動態(tài)數據化、信息化的發(fā)展。

BIM技術的運用能夠實現街道設計、施工等環(huán)節(jié)的優(yōu)化，從而完善道路設計與施工的內容，進而提升道路設計與施工的質量，縮短施工的時間，合理控制工程的規(guī)模與成本。BIM技術的運用能夠實現共享街道景觀的仿真系統(tǒng)設計，為決策者制定各項決策提供參考依據。

注：本文通訊作者為吳慕輝。

參考文獻

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