邵建榮

(惠州市惠城區(qū)水利資源開發(fā)建設(shè)中心，廣東 惠州 516000)

1 技術(shù)構(gòu)建分析

1.1 BIM技術(shù)

建筑信息模型早期被應(yīng)用在建筑專業(yè)領(lǐng)域之中，隨著建筑行業(yè)的迅速發(fā)展逐步被廣泛應(yīng)用于整個(gè)行業(yè)內(nèi)。BIM的核心是通過互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、機(jī)器人、計(jì)算機(jī)等信息化技術(shù)，將智能化應(yīng)用于建設(shè)領(lǐng)域[1]。Autodesk Civil3D屬于BIM設(shè)計(jì)軟件，主要面向三維可視化、基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)，這一軟件能夠搭建三維動(dòng)態(tài)模型，運(yùn)用其中自帶的編輯曲面、創(chuàng)建路線等多種功能，最終達(dá)到工程建模設(shè)計(jì)計(jì)算目的[2]。由于河道工程整體為帶狀工程，通過對(duì)其予以定制化，該軟件可在河道工程設(shè)計(jì)應(yīng)用。Autodesk Infraworks是基于GIS+BIM的可視化軟件，該軟件自帶高精度衛(wèi)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(shù)

AR技術(shù)作為一項(xiàng)能夠把實(shí)際場景以及虛擬信息相互結(jié)合的技術(shù)，該技術(shù)可通過現(xiàn)代電子科技集成虛擬世界信息及真實(shí)世界信息，在屏幕上可將虛擬世界套在現(xiàn)實(shí)世界中，并可進(jìn)行互動(dòng)[3]。AR技術(shù)對(duì)設(shè)備要求較低，該技術(shù)以往需特定頭盔實(shí)現(xiàn)，在未來，AR技術(shù)可能通過手機(jī)獲得實(shí)現(xiàn)。

2 BIM+AR技術(shù)在河道疏浚工程中的應(yīng)用

2.1 BIM+AR建模與系統(tǒng)框架

進(jìn)入到疏浚工程施工階段之后，需要注重工程進(jìn)度以及成本管理等相關(guān)工作，同時(shí)設(shè)計(jì)計(jì)算、分析也尤為關(guān)鍵[4]。在疏浚工程發(fā)展過程中水文氣象、疏浚裝備等多個(gè)方面都會(huì)對(duì)其造成較大影響。近些年來疏浚行業(yè)的迅速發(fā)展，疏浚工程項(xiàng)目逐步發(fā)展到了復(fù)雜水域之中，這也給項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工等多個(gè)方面帶來了更高要求。結(jié)合三維BIM建模技術(shù)和AR技術(shù)，對(duì)適用于疏浚工程的BIM建模系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)框架見圖1，結(jié)合AR技術(shù)、ADO.Net技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)進(jìn)行疏浚工程BIM模型的構(gòu)建，分析數(shù)據(jù)庫，修改、分析、存儲(chǔ)、查詢工程模型部件、中間成果、屬性信息、圖例顏色等信息；結(jié)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(guān)模型過程中，必須要運(yùn)用計(jì)算機(jī)幾何技術(shù)等多種相關(guān)技術(shù)，最終達(dá)到疏浚土體三維可視化的目的。結(jié)合水深點(diǎn)數(shù)據(jù)快速進(jìn)行水下三維地形體建模，應(yīng)用不同的底面形式開展三維挖槽建模；可以通過 AR技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等多種相關(guān)技術(shù)，以三維幾何模型作為構(gòu)建基礎(chǔ)，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(shù)使模型自動(dòng)構(gòu)建、動(dòng)態(tài)更新得到實(shí)現(xiàn)；結(jié)合數(shù)字地質(zhì)、AR技術(shù)等多種技術(shù)可開展疏浚工程量計(jì)算等，通過運(yùn)用三維BIM模型可以綜合計(jì)算預(yù)測疏浚船舶產(chǎn)能等相關(guān)信息，在數(shù)據(jù)庫中儲(chǔ)存分析結(jié)果。

圖1 系統(tǒng)主要思路

2.2 疏浚工程BIM應(yīng)用對(duì)象

2.2.1 NURBS曲面擬合及圖疏浚土體三維建模

當(dāng)前，NURBS曲面擬合屬于常用的一種曲面表達(dá)方式，NURBS所構(gòu)建出的模型文件需要的存儲(chǔ)空間相對(duì)較小，因此在運(yùn)行、存儲(chǔ)等各個(gè)環(huán)節(jié)更加高效和便捷。開展數(shù)據(jù)建模過程中，可以利用NURBS來進(jìn)行曲面表達(dá)方式。結(jié)合水深探測和多元勘察相關(guān)數(shù)據(jù)，利用幾何技術(shù)多種相關(guān)技術(shù)可進(jìn)行人機(jī)交互式建模，并且實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)方案的可視性。可基于三維土質(zhì)模型計(jì)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(gòu)筑物建模技術(shù)

通過系統(tǒng)來形成疏浚工程構(gòu)筑物過程中，首先需要把各項(xiàng)相關(guān)參數(shù)信息全部輸入的參數(shù)化族庫之中，即能夠形成相應(yīng)的構(gòu)筑物模型，在此基礎(chǔ)上能夠獲取模型的各項(xiàng)幾何參數(shù)信息。目前族庫中含有圍埝、胸墻、圓管、混凝土構(gòu)件等。

2.2.3 多種形式三維挖槽快速建模技術(shù)

在河道設(shè)計(jì)過程中，多種形式疏浚挖槽建?？煽焖僭O(shè)計(jì)多級(jí)邊坡三維挖槽、任意坡比挖槽、任意底面形式挖槽，使復(fù)雜挖槽設(shè)計(jì)簡單化。挖槽可結(jié)合三維土質(zhì)模型，將土體開挖以及土體兩者相互結(jié)合對(duì)其工程量予以綜合計(jì)算分析。

2.3 河道疏浚工程的BIM+AR設(shè)計(jì)

2.3.1 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路和BIM設(shè)計(jì)思路

從內(nèi)河河道疏浚工程角度來說，其傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路：第一步是導(dǎo)入地形測圖，進(jìn)行地形曲面的構(gòu)建；第二步是對(duì)河道底邊線、中心線進(jìn)行確定；第三步是對(duì)河道邊坡、疏浚底高程進(jìn)行確定，并生成超深及超寬線、泥面線；第四步是計(jì)算疏浚工程量；第五步是進(jìn)行典型疏浚斷面圖的繪制；第六步是套圖框出圖。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路中，其不同流程的信息內(nèi)容信息交互相對(duì)較少，且整體設(shè)計(jì)為二維模式。所以，此次將選擇應(yīng)用Civil3D軟件之中的SAC來形成相應(yīng)的斷面部件，把設(shè)計(jì)參數(shù)和模型相互結(jié)合，利用軟件來進(jìn)行工程量計(jì)算、標(biāo)注斷面等多項(xiàng)計(jì)算分析活動(dòng)，最終達(dá)到提高計(jì)算分析效率、自動(dòng)化出圖等目的。圖3為本文構(gòu)建的內(nèi)河河道疏浚工程BIM設(shè)計(jì)思路。

圖3 內(nèi)河河道疏浚工程BIM設(shè)計(jì)思路

2.3.2 地形曲面的構(gòu)建

開展設(shè)計(jì)之前，需要對(duì)測量數(shù)據(jù)予以轉(zhuǎn)化，使其轉(zhuǎn)變?yōu)槿S高程地形曲面。利用Autodesk Civil3D軟件之中所自帶的DEM數(shù)據(jù)以及CAD圖塊等多類型數(shù)據(jù)格式來形成相應(yīng)的地形曲面。地形曲面的主要特點(diǎn)為三維可視化，利用圖形查看器能夠直接發(fā)現(xiàn)其中異常數(shù)據(jù)，還可以對(duì)各項(xiàng)異常數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)顯示，北極海冰厚度總體趨勢不斷變薄，東北航線現(xiàn)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(jìn)行河道中心線的創(chuàng)建，方法有利用創(chuàng)建工具創(chuàng)建路線及通過對(duì)象進(jìn)行路線的創(chuàng)建。在結(jié)合一些維護(hù)性疏浚工程開展設(shè)計(jì)規(guī)劃時(shí)，通常會(huì)利用對(duì)象創(chuàng)建路線方法，把工程項(xiàng)目中的河道線轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的路線對(duì)象；但針對(duì)其他工程則需要選用路線創(chuàng)建工具，首先設(shè)定出河道的彎曲半徑，然后設(shè)置相應(yīng)的河道中心線，根據(jù)定義的樣式，軟件可對(duì)河道線樁號(hào)進(jìn)行自動(dòng)布置，并隨河道線進(jìn)行調(diào)整。

2.3.4 縱斷面設(shè)計(jì)

在河道中心線、地形曲面基礎(chǔ)上，需要構(gòu)建對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)的縱斷面，用于對(duì)河道設(shè)計(jì)底高程進(jìn)行控制。內(nèi)河河道設(shè)計(jì)水位隨沿程發(fā)生變化，對(duì)于傾斜線段或階梯形來說，Civil3D縱斷面可自由繪制，工程量計(jì)算方法則非常精確、靈活。

2.3.5 疏浚工程量計(jì)算方法

本研究選擇斷面面積法進(jìn)行BIM設(shè)計(jì)，內(nèi)河河道疏浚斷面工程量計(jì)算如式(1)：

(1)

2.3.6 SAC創(chuàng)建橫斷面及分區(qū)段設(shè)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(xiàn)。運(yùn)用Civil3D來進(jìn)行疏浚設(shè)計(jì)過程中關(guān)鍵環(huán)節(jié)為部件創(chuàng)建，需要選擇適宜的設(shè)計(jì)參數(shù)和相應(yīng)的邏輯目標(biāo)，其中會(huì)涉及設(shè)計(jì)邊坡、設(shè)計(jì)底高程等多種相關(guān)參數(shù)，文字位置參數(shù)在斷面圖上進(jìn)行標(biāo)注。橫斷面部件通過部件編輯器創(chuàng)建，其優(yōu)點(diǎn)是具有較快的運(yùn)算速度，二次開發(fā)無需進(jìn)行。

以內(nèi)河河道疏浚工程項(xiàng)目狀況作為基礎(chǔ)，通過運(yùn)用Civil3D軟件之中所包含的高級(jí)部件編輯器SAC，可以形成內(nèi)河河道疏浚工程所需要的疏浚部件，在構(gòu)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(guān)參數(shù)，不僅如此還需要在部件中標(biāo)注出控制泥面線等多種相關(guān)文字參數(shù)。設(shè)計(jì)過程中利用輸入數(shù)值來形成相應(yīng)的設(shè)計(jì)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(yīng)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(shè)置河道中心線所對(duì)應(yīng)的兩側(cè)寬度，進(jìn)行河道底邊界的控制；對(duì)于河道底寬沿程變化的，可先開展設(shè)計(jì)并形成兩側(cè)河道底邊線，之后構(gòu)建道路模型過程中，設(shè)置相應(yīng)的河道底邊界。河道中心線沿程設(shè)計(jì)底高程通常是固定數(shù)值，一般和根據(jù)不同區(qū)域來設(shè)置相應(yīng)數(shù)值，圖4為河道分區(qū)段不同設(shè)計(jì)底高程模型。

圖4 河道分區(qū)段不同設(shè)計(jì)底高程模型

一般應(yīng)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(nèi)各項(xiàng)相關(guān)信息，例如泥面線數(shù)據(jù)信息等。通常會(huì)通過手動(dòng)添加的方式在Civil3D軟件之中形成相應(yīng)的材質(zhì)列表，利用Civil3D來開展工程量輸出過程中，通常所獲得的結(jié)果為xml格式。因而，本研究基于.net開發(fā)自動(dòng)生成工程量清單功能，可快速進(jìn)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(diǎn)、面代碼屬性進(jìn)行出圖樣式定制，通過軟件標(biāo)注繪制的重復(fù)工作，批量出圖快速。在設(shè)計(jì)中會(huì)遇修改方案，包括對(duì)挖槽底邊線、挖槽軸線、超深和超寬、邊坡等參數(shù)調(diào)整。本文使用Civil3D設(shè)計(jì)流程，利用部件特性面板來輸入和修改各項(xiàng)參數(shù)，從而獲得全新的疏浚曲面，并且得到全新的計(jì)算分析數(shù)據(jù)信息，使工程量、圖紙更新快速實(shí)現(xiàn)。

2.4 橫斷面設(shè)計(jì)建立模型導(dǎo)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(shè)計(jì)的工程參數(shù)，道路模型通過軟件得到，并自動(dòng)將工程量輸出。開展標(biāo)注以及圖框等多項(xiàng)任務(wù)之后即可獲得相應(yīng)的模型設(shè)計(jì)圖紙。想要對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)整，需要調(diào)整模型中的設(shè)計(jì)參數(shù)等相關(guān)數(shù)值，從而形成全新的道路模型，利用軟件可以對(duì)工程量圖紙予以及時(shí)更新。

2.5 BIM協(xié)同分析技術(shù)及成果可視化

在相同設(shè)計(jì)內(nèi)各個(gè)專業(yè)相關(guān)人員能夠同時(shí)操作，所有設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)能夠相互協(xié)作，通過這種方式能夠有效提升建模和設(shè)計(jì)工作效率。通過系統(tǒng)以及疏浚工程兩者的相互結(jié)合，給設(shè)計(jì)帶來更多便利，在軟件內(nèi)輸入管線條件以及泥沙條件等相關(guān)信息后能夠自動(dòng)分析出其生產(chǎn)率。在分析綜合生產(chǎn)率過程中，應(yīng)當(dāng)結(jié)合挖掘生產(chǎn)率以及時(shí)間利用率兩個(gè)方面，最后以綜合生產(chǎn)率為基礎(chǔ)來估算其產(chǎn)能。BIM+AR模式可對(duì)BIM可視化的不足進(jìn)行彌補(bǔ)，拓廣AR運(yùn)用，增強(qiáng)BIM模型成為三維模型。在工程全生命周期中，通過BIM+AR技術(shù)，項(xiàng)目參與方體驗(yàn)項(xiàng)目運(yùn)營實(shí)際效果。比如在施工中，可以在實(shí)際環(huán)境內(nèi)將現(xiàn)實(shí)信息以及虛擬信息兩者相互結(jié)合，從而對(duì)多維虛擬化模型有更為深入的理解和認(rèn)知，與真實(shí)世界不會(huì)脫離，可確保項(xiàng)目全方位完成，將資源浪費(fèi)、事故發(fā)生概率降低，讓人融入設(shè)計(jì)體驗(yàn)。通常河道工程是長距離線性工程，所涉及的工程范圍相對(duì)較大，各類建筑物不僅數(shù)量多且錯(cuò)綜復(fù)雜。所以，在進(jìn)行河道工程可視化過程中應(yīng)當(dāng)綜合實(shí)際地理狀況，合理運(yùn)用模型以及GIS，從多個(gè)角度展現(xiàn)河道沿線項(xiàng)目狀況，從而不斷提高其設(shè)計(jì)方案表現(xiàn)力。在Autodesk Infraworks中，通過.imx格式將Civil3D設(shè)計(jì)成果導(dǎo)入，整合橋梁、水深地形、河道布置等信息，精準(zhǔn)定位，同時(shí)還原交通、綠化、河流等信息場景。根據(jù)需求添加模型注釋，可將河道漫游視頻導(dǎo)出。

3 工程應(yīng)用

采用本研究構(gòu)建的BIM+AR河道疏浚流程和相關(guān)開發(fā)部件，以某內(nèi)河作為研究對(duì)象對(duì)其進(jìn)行建模以及開展河道設(shè)計(jì)、工程量計(jì)算等相關(guān)研究。利用所構(gòu)建的模型導(dǎo)出相應(yīng)的工程量表。計(jì)算BIM+AR技術(shù)疏浚工程量結(jié)果為3 158 437.17 m3，利用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件最終所獲結(jié)果是3 192 606.10 m3，兩種軟件之間的誤差的±5%以內(nèi)，因此誤差水平相對(duì)較低，詳細(xì)可參考表1。

表1 工程量計(jì)算結(jié)果分析

4 結(jié) 語

(1)用BIM+AR開展疏浚工程三維設(shè)計(jì)過程中，工程量以及三維設(shè)計(jì)模型等多種參數(shù)之間可以相互實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)，可以通過更改河道線或者斷面參數(shù)的方式來實(shí)現(xiàn)整個(gè)設(shè)計(jì)方案的綜合修改。

(2)利用Infraworks進(jìn)行可視化展示，可精確定位工程地理位置，反映設(shè)計(jì)對(duì)象與周圍環(huán)境，工程漫游視頻可將工程整體情況清晰準(zhǔn)確地展示出來，可提高設(shè)計(jì)方案的表達(dá)能力。

(3)采用本研究構(gòu)建的BIM+AR河道疏浚流程及開發(fā)部件，對(duì)某內(nèi)河實(shí)施建模、河道設(shè)計(jì)、工程量計(jì)算等。其中BIM+AR軟件疏浚工程量計(jì)算結(jié)果為315.84萬m3，傳統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果為319.26萬m3，兩者相差<±5%，計(jì)算結(jié)果誤差在可控范圍內(nèi)。