BIM+AR技術在河道疏浚設計和施工中的應用

邵建榮

(惠州市惠城區水利資源開發建設中心，廣東 惠州 516000)

1 技術構建分析

1.1 BIM技術

建筑信息模型早期被應用在建筑專業領域之中，隨著建筑行業的迅速發展逐步被廣泛應用于整個行業內。BIM的核心是通過互聯網、人工智能、機器人、計算機等信息化技術，將智能化應用于建設領域[1]。Autodesk Civil3D屬于BIM設計軟件，主要面向三維可視化、基礎設施行業，這一軟件能夠搭建三維動態模型，運用其中自帶的編輯曲面、創建路線等多種功能，最終達到工程建模設計計算目的[2]。由于河道工程整體為帶狀工程，通過對其予以定制化，該軟件可在河道工程設計應用。Autodesk Infraworks是基于GIS+BIM的可視化軟件，該軟件自帶高精度衛星云圖，方便快捷還原周邊場景，可用于河道工程可視化展示。

1.2 AR技術

AR技術作為一項能夠把實際場景以及虛擬信息相互結合的技術，該技術可通過現代電子科技集成虛擬世界信息及真實世界信息，在屏幕上可將虛擬世界套在現實世界中，并可進行互動[3]。AR技術對設備要求較低，該技術以往需特定頭盔實現，在未來，AR技術可能通過手機獲得實現。

2 BIM+AR技術在河道疏浚工程中的應用

2.1 BIM+AR建模與系統框架

進入到疏浚工程施工階段之后，需要注重工程進度以及成本管理等相關工作，同時設計計算、分析也尤為關鍵[4]。在疏浚工程發展過程中水文氣象、疏浚裝備等多個方面都會對其造成較大影響。近些年來疏浚行業的迅速發展，疏浚工程項目逐步發展到了復雜水域之中，這也給項目設計、施工等多個方面帶來了更高要求。結合三維BIM建模技術和AR技術，對適用于疏浚工程的BIM建模系統進行設計，系統框架見圖1，結合AR技術、ADO.Net技術、數據庫技術進行疏浚工程BIM模型的構建，分析數據庫，修改、分析、存儲、查詢工程模型部件、中間成果、屬性信息、圖例顏色等信息；結合疏浚工程需求在形成三維圖紙模型、三維地形模型等相關模型過程中，必須要運用計算機幾何技術等多種相關技術，最終達到疏浚土體三維可視化的目的。結合水深點數據快速進行水下三維地形體建模，應用不同的底面形式開展三維挖槽建模；可以通過 AR技術、數據庫技術等多種相關技術，以三維幾何模型作為構建基礎，最終形成疏浚工程勘察階段的三維信息模型；采用圖形化編程技術使模型自動構建、動態更新得到實現；結合數字地質、AR技術等多種技術可開展疏浚工程量計算等，通過運用三維BIM模型可以綜合計算預測疏浚船舶產能等相關信息，在數據庫中儲存分析結果。

圖1 系統主要思路

2.2 疏浚工程BIM應用對象

2.2.1 NURBS曲面擬合及圖疏浚土體三維建模

當前，NURBS曲面擬合屬于常用的一種曲面表達方式，NURBS所構建出的模型文件需要的存儲空間相對較小，因此在運行、存儲等各個環節更加高效和便捷。開展數據建模過程中，可以利用NURBS來進行曲面表達方式。結合水深探測和多元勘察相關數據，利用幾何技術多種相關技術可進行人機交互式建模，并且實現水下三維地形體信息建模，通過這種形式能夠有效提升疏浚工程設計方案的可視性?？苫谌S土質模型計算工程量、分析剖切、展示三維等。圖2為疏浚土體快速建模。

圖2 疏浚土體快速建模

2.2.2 疏浚工程構筑物建模技術

通過系統來形成疏浚工程構筑物過程中，首先需要把各項相關參數信息全部輸入的參數化族庫之中，即能夠形成相應的構筑物模型，在此基礎上能夠獲取模型的各項幾何參數信息。目前族庫中含有圍埝、胸墻、圓管、混凝土構件等。

2.2.3 多種形式三維挖槽快速建模技術

在河道設計過程中，多種形式疏浚挖槽建?？煽焖僭O計多級邊坡三維挖槽、任意坡比挖槽、任意底面形式挖槽，使復雜挖槽設計簡單化。挖槽可結合三維土質模型，將土體開挖以及土體兩者相互結合對其工程量予以綜合計算分析。

2.3 河道疏浚工程的BIM+AR設計

2.3.1 傳統設計思路和BIM設計思路

從內河河道疏浚工程角度來說，其傳統設計思路：第一步是導入地形測圖，進行地形曲面的構建；第二步是對河道底邊線、中心線進行確定；第三步是對河道邊坡、疏浚底高程進行確定，并生成超深及超寬線、泥面線；第四步是計算疏浚工程量；第五步是進行典型疏浚斷面圖的繪制；第六步是套圖框出圖。在傳統設計思路中，其不同流程的信息內容信息交互相對較少，且整體設計為二維模式。所以，此次將選擇應用Civil3D軟件之中的SAC來形成相應的斷面部件，把設計參數和模型相互結合，利用軟件來進行工程量計算、標注斷面等多項計算分析活動，最終達到提高計算分析效率、自動化出圖等目的。圖3為本文構建的內河河道疏浚工程BIM設計思路。

圖3 內河河道疏浚工程BIM設計思路

2.3.2 地形曲面的構建

開展設計之前，需要對測量數據予以轉化，使其轉變為三維高程地形曲面。利用Autodesk Civil3D軟件之中所自帶的DEM數據以及CAD圖塊等多類型數據格式來形成相應的地形曲面。地形曲面的主要特點為三維可視化，利用圖形查看器能夠直接發現其中異常數據，還可以對各項異常數據予以修正。

北冰洋海冰主要有新冰、一年冰和陳冰。歷史氣象數據顯示，北極海冰厚度總體趨勢不斷變薄，東北航線現以一年冰為主。[9]

2.3.3 河道線布置

河道線包括河道左右邊線、中心線。Civil3D路線功能可進行河道中心線的創建，方法有利用創建工具創建路線及通過對象進行路線的創建。在結合一些維護性疏浚工程開展設計規劃時，通常會利用對象創建路線方法，把工程項目中的河道線轉變成相應的路線對象；但針對其他工程則需要選用路線創建工具，首先設定出河道的彎曲半徑，然后設置相應的河道中心線，根據定義的樣式，軟件可對河道線樁號進行自動布置，并隨河道線進行調整。

2.3.4 縱斷面設計

在河道中心線、地形曲面基礎上，需要構建對應的曲面縱斷面，通過這種方法形成縱斷面圖，利用這一圖形可獲得與之對應的縱斷面，用于對河道設計底高程進行控制。內河河道設計水位隨沿程發生變化，對于傾斜線段或階梯形來說，Civil3D縱斷面可自由繪制，工程量計算方法則非常精確、靈活。

2.3.5 疏浚工程量計算方法

本研究選擇斷面面積法進行BIM設計，內河河道疏浚斷面工程量計算如式(1)：

(1)

2.3.6 SAC創建橫斷面及分區段設定不同高程值

通過可視化軟件界面和圖形交互形式，Civil3D自帶的Subassembly Composer(SAC)部件編輯器自定義部件可以通過繪制流程圖的形式呈現。運用Civil3D來進行疏浚設計過程中關鍵環節為部件創建，需要選擇適宜的設計參數和相應的邏輯目標，其中會涉及設計邊坡、設計底高程等多種相關參數，文字位置參數在斷面圖上進行標注。橫斷面部件通過部件編輯器創建，其優點是具有較快的運算速度，二次開發無需進行。

以內河河道疏浚工程項目狀況作為基礎，通過運用Civil3D軟件之中所包含的高級部件編輯器SAC，可以形成內河河道疏浚工程所需要的疏浚部件，在構建這一部件過程中需要涉及疏浚底高程、超寬超深等多種相關參數，不僅如此還需要在部件中標注出控制泥面線等多種相關文字參數。設計過程中利用輸入數值來形成相應的設計斷面，其中可通過Civil3D軟件來定義其河道中心線，并且綜合其他疏浚部件最終形成相應的三維線框模型。若河道沿程底寬始終保持一致，則需要通過設置河道中心線所對應的兩側寬度，進行河道底邊界的控制；對于河道底寬沿程變化的，可先開展設計并形成兩側河道底邊線，之后構建道路模型過程中，設置相應的河道底邊界。河道中心線沿程設計底高程通常是固定數值，一般和根據不同區域來設置相應數值，圖4為河道分區段不同設計底高程模型。

圖4 河道分區段不同設計底高程模型

一般應用采樣線功能來獲得三維線框模型等間距，通過采樣能夠獲得模型內各項相關信息，例如泥面線數據信息等。通常會通過手動添加的方式在Civil3D軟件之中形成相應的材質列表，利用Civil3D來開展工程量輸出過程中，通常所獲得的結果為xml格式。因而，本研究基于.net開發自動生成工程量清單功能，可快速進行超深和超寬量、斷面工程量的提取。利用三維線框模型中線、點、面代碼屬性進行出圖樣式定制，通過軟件標注繪制的重復工作，批量出圖快速。在設計中會遇修改方案，包括對挖槽底邊線、挖槽軸線、超深和超寬、邊坡等參數調整。本文使用Civil3D設計流程，利用部件特性面板來輸入和修改各項參數，從而獲得全新的疏浚曲面，并且得到全新的計算分析數據信息，使工程量、圖紙更新快速實現。

2.4 橫斷面設計建立模型導出工程量及圖紙

在地形縱斷面、曲面、疏浚斷面建立后，輸入設計的工程參數，道路模型通過軟件得到，并自動將工程量輸出。開展標注以及圖框等多項任務之后即可獲得相應的模型設計圖紙。想要對設計方案進行調整，需要調整模型中的設計參數等相關數值，從而形成全新的道路模型，利用軟件可以對工程量圖紙予以及時更新。

2.5 BIM協同分析技術及成果可視化

在相同設計內各個專業相關人員能夠同時操作，所有設計環節能夠相互協作，通過這種方式能夠有效提升建模和設計工作效率。通過系統以及疏浚工程兩者的相互結合，給設計帶來更多便利，在軟件內輸入管線條件以及泥沙條件等相關信息后能夠自動分析出其生產率。在分析綜合生產率過程中，應當結合挖掘生產率以及時間利用率兩個方面，最后以綜合生產率為基礎來估算其產能。BIM+AR模式可對BIM可視化的不足進行彌補，拓廣AR運用，增強BIM模型成為三維模型。在工程全生命周期中，通過BIM+AR技術，項目參與方體驗項目運營實際效果。比如在施工中，可以在實際環境內將現實信息以及虛擬信息兩者相互結合，從而對多維虛擬化模型有更為深入的理解和認知，與真實世界不會脫離，可確保項目全方位完成，將資源浪費、事故發生概率降低，讓人融入設計體驗。通常河道工程是長距離線性工程，所涉及的工程范圍相對較大，各類建筑物不僅數量多且錯綜復雜。所以，在進行河道工程可視化過程中應當綜合實際地理狀況，合理運用模型以及GIS，從多個角度展現河道沿線項目狀況，從而不斷提高其設計方案表現力。在Autodesk Infraworks中，通過.imx格式將Civil3D設計成果導入，整合橋梁、水深地形、河道布置等信息，精準定位，同時還原交通、綠化、河流等信息場景。根據需求添加模型注釋，可將河道漫游視頻導出。

3 工程應用

采用本研究構建的BIM+AR河道疏浚流程和相關開發部件，以某內河作為研究對象對其進行建模以及開展河道設計、工程量計算等相關研究。利用所構建的模型導出相應的工程量表。計算BIM+AR技術疏浚工程量結果為3 158 437.17 m3，利用傳統設計軟件最終所獲結果是3 192 606.10 m3，兩種軟件之間的誤差的±5%以內，因此誤差水平相對較低，詳細可參考表1。

表1 工程量計算結果分析

4 結 語

(1)用BIM+AR開展疏浚工程三維設計過程中，工程量以及三維設計模型等多種參數之間可以相互實時關聯，可以通過更改河道線或者斷面參數的方式來實現整個設計方案的綜合修改。

(2)利用Infraworks進行可視化展示，可精確定位工程地理位置，反映設計對象與周圍環境，工程漫游視頻可將工程整體情況清晰準確地展示出來，可提高設計方案的表達能力。

(3)采用本研究構建的BIM+AR河道疏浚流程及開發部件，對某內河實施建模、河道設計、工程量計算等。其中BIM+AR軟件疏浚工程量計算結果為315.84萬m3，傳統軟件設計計算結果為319.26萬m3，兩者相差<±5%，計算結果誤差在可控范圍內。