BIM+VＲ 技术在道路设计中的实现方法及应用
发布时间：2022-03-10
摘 要: 随着我国经济的快速发展，公路交通建设由传统的二维平面逐渐向更复杂更具创新性的三维立体化、多专业化融合方向转型，这给传统的道路设计方法带来严峻的挑战。为此，将建筑信息模型( BIM) 与虚拟现实( VR) 技术引入道路工程设计中，分析了其技术特点和优势，阐述了运用 BIM+VR 技术进行道路平、纵、横协同设计，以及对地形、道路整体三维建模及成果可视化展示的实现方法，并应用自主开发的交互式道路 VR 仿真平台，在重庆市陈家阁立交和春华立交市政设计项目中进行了实践，验证了该方法的优越性和高效性。
关键词: 道路设计; BIM+VR; 三维仿真平台; Civil 3D; LandXML; 可视化技术
道路属于带状工程，二维的设计图纸通常用平面、横断面、纵断面 3 类图纸进行表达，难以直观地呈现出完整的三维设计效果，图文公司制作的效果图虽然美观，但却无法全面地展现全路段的设计要点[1]。二维道路设计模式为“顺序式”工作流程，按平、纵、横等设计依次进行，各阶段为单向的次序关系，各阶段的设计成果不便于联动修改。设计方案的安全性评价主要以设计指标与规范指标的对比为主，利用文字和表格进行表述，内容丰富，但表达方式单一、不够直观，对于线形复杂的路段，难以结合人、车和环境等实地因素对道路安全情况进行综合评价。
近年来，以建筑信息模型( BIM) [2-6]、虚拟现实 ( VR) [7-8]等为代表的新技术迅速发展，其中 BIM 技术被业内人士看作是继 CAD 普及应用后，工程技术领域又一次技术革新[9]。本文分析了 BIM 和 VR 的技术特点及其在道路设计中的优势，重点阐述了运用 BIM+VR 技术进行道路工程各阶段设计和成果可视化展示的实现方法，并开发了相应的交互式道路 VR 演示平台，在实际工程项目中进行了应用，有效解决了传统二维道路设计中存在的方案可视化问题。
1 BIM+VR 技术
建 筑 信 息 模 型 BIM ( Building Information Modeling) 技术由 Autodesk 公司在 2002 年率先提出，目前已经在全球范围内得到了广泛的认可。 BIM 的核心是利用数字化技术建立虚拟的建筑工程三维模型，这个模型具有完整的、与实际情况一致的建筑工程信息库，包含描述建筑物构件的几何信息、专业属性及状态信息，以及必要的、一定数量的非几何信息。BIM 技术具有模拟仿真性、直观可视性和协同一致性等先进特性[10-11]，在道路工程设计的数字地面模型建立、道路建模、纵断面设计和平、纵组合视觉分析等方面的应用中优势突出，逐渐成为工程设计领域的主流发展趋势[12]。
虚拟现实 VR( Virtuil Reality) 技术是一种多源信息融合、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真技术[13]，通过电子设备和人的视觉、听觉、触觉等通道，实现虚拟环境，是一种高级的人机交互模式，具有强烈的沉浸感、交互性和思想性[14]。采用虚拟现实技术进行城市、交通规划可实现传统二维设计难以达到的形象直观的视觉感受[15-16]。目前， VR 在建筑工程方案设计、项目展示、安全培训等方面得到了广泛的应用[17]。
BIM 的核心在于模型构建、可视化和构件信息库，VR 强调模拟交互与沉浸式体验，BIM 可以为 VR 提供场景资源和信息库数据，VR 则为 BIM 的展示和应用提供沉浸式的交互平台，从而实现 BIM+ VR 的技术融合。白雪海[18]对 BIM 的教学实践进行了总结，认为 VR 结合 BIM 能够让设计实现“从界面到空间”、提升 BIM 的应用效果并加速推广。钟炜等[19]结合 BIM+VR 技术构建了道路交互式设计协同平台，通过实际案例分析，论证了 BIM+VR 协同平台相对于传统二维设计具有显著的高效性和科学性。本文应用自主开发的三维平台，将 BIM+VR技术应用于道路设计中，利用 Civil 3D 等 BIM 设计软件根据地形数据和道路设计信息建立了地形 TIN模型和路线平、纵、横三维线框模型，并将 TIN 模型与地貌影像进行匹配，完成地形三维建模，解析道路、沿线构筑物及附属设施的 BIM 信息，基于虚拟现实引擎技术实现 BIM 模型和各构件的具象性效果，使道路 BIM 模型与 VR 沉浸体验完美融合。 BIM 和 VR 视角下的道路模型分别如图 1 和图 2 所示。
2 BIM+VR 道路设计的实现方法
与二维道路设计的“顺序式”流程不同，基于 BIM 技术的道路设计理念以“模型”为核心，整个设计过程围绕建立完整的道路三维信息模型进行。传统二维道路设计流程如图 3 所示。设计过程中，根据地形数据和设计信息建立道路三维模型，包含三维地形模型，平、纵、横路线信息，路面、桥、隧、涵、挡墙等构筑物以及道路附属设施，如图 4 所示。VR 技术的融入，显著提升了场景模型的可视化交互效果，通过全景沉浸式交互体验，让参与者产生身临其境的感觉。
2. 1 地形建模
通常而言，道路设计都是在三维数字地形数据的基础上开展设计工作，即由场地三维离散点坐标生成 TIN 模型，同时借助 Autodesk Civil 3D 等道路 BIM 设计平台的曲面建模能力构建三维数字地形模型。道路 BIM 模型需要建立与周边地形地貌一致的三维仿真地形，因此需要利用 GIS ( Geographic Information System) 地理信息处理软件将 BIM 设计平台构建的三维数字地形模型与场地的高分辨率遥感或者航摄地貌影像进行匹配，如图 5 所示。
本文来源于：《公路交通技术》以密切联系工程实践交流和推广国内外公路建设的先进技术和成功经验，推导本行业及相关学科的新技术、新材料、新方法的实用技术为办刊宗旨。报道高等级公路建设成套技术，涉及公路交通设计、施工、监理、管理和经济分析等领域。
利用 GIS 软件将 BIM 平台的曲面地形模型与高分辨率地貌影像进行匹配时，存在语义和几何转换 2 个问题，语义转换属于数据标准化问题，可通过工业 基 础 类 IFC ( Industry Foundation Classes) 与 CityGML 两类标准的集成解决[20]。根据工程应用的常见情况，此处主要对几何转换进行说明。以 Civil 3D 道路 BIM 设计平台为例，该平台以场地大比例尺地形数据为基础，通过地形曲面建模，线路的平、纵、横设计完成道路三维模型，并输出 LandXML 格式的数据文件。LandXML 文件以平、纵、横几何要素表达道路实体模型，其中横断面的位置以 sta 属性字段中的道路桩号进行标识。因此，需要对道路模型进行几何坐标转换，使模型坐标与地貌影像的大地坐标一致，并且保证道路模型与最终地形的坐标系相同。在 LandXML 文件中，路线要素中记录了各直线路段的起、终点坐标，并且其对应的坐标系与初始地形数据坐标系相同。据此，在进行地形仿真建模几何转换时，参照 BIM 平台设计文件中道路平面直线的位置坐标与相应的地貌影像坐标进行配准，能够获得较高精度的地形仿真模型，同时保证道路设计模型与仿真地形的坐标系一致。
2. 2 道路设计模型
基于 BIM+VR 的道路设计方法采用面向对象的理念，道路设计中的地形曲面、平面、纵断面、横断面、构筑物及附属设施等设计对象间存在关联关系，设计人员可以通过各断面视口实时了解道路线形的三维空间状态，获得道路最优的平、纵、横三维路线设计方案，全对象的协同设计能实时检验构筑物及附属设施设计指标运用的合理性，如图 6 所示。
平面设计依据道路设计规范中的各项指标要求对道路中心线的直线长度、半径，缓和曲线长度等要素进行优化。纵断面设计的核心是纵向坡度的控制，首先在软件中构建出完整的三维数字地面线，设计人员在地面线的基础上进行拉坡线的实时绘制和调整，保证纵断面设计满足规范要求。道路作为带状工程，其横断面设计尤为重要，路基路面结构层设计、宽度设计、车道及人行道布设等都要依据规范和需求进行合理设计，Civil 3D 等 BIM 设计软件都提供了相应的设计对象，并且支持对象的全参数化控制，设计对象间的关联关系使得设计能够通过参数在各对象间智能传递。BIM 技术在该部分建模时将根据地形曲面、三维道路中心线、横断面装配数据进行创建。采用研发的工具自动生成匹配的行车轨迹坐标组，并以行车轨迹线为基准对车流量进行编排，以及建立相关车辆相机视角。
BIM+VR 道路设计在构筑物及附属设施设计中引入了装配和部件解决方案，装配是指桥涵、隧道、挡墙等构筑物及复杂附属设施的主体部分可由桩号、插入点、基准线或各种几何参数确定，部件是指组成装配的基本构成部件和一般性道路附属设施，如护栏、挡墙、边坡、标牌等。运用装配和部件技术构建的三维道路模型，其组成构件包含了完整的属性信息，可以在项目建设其他阶段的信息系统中进行数字化管理，极大地提高了道路设计的数字化和信息化水平[9]。
2. 3 道路 BIM+VR 模型构建与应用
BIM+VR 道路设计平台在三维信息模型的构建和场景可视化方面，利用快速自动构网、UV 优化坐标系生成技术、图像及模型的层级优化技术对已有 BIM 道路设计软件的模型数据进行重构并转化为三维实体。依托实时渲染技术及光影追踪系统，可根据道路场景中不同的用途和目的形成不同的场景模型，同时利用全局光照实时运算场景光源，提高光源的采样率和渲染计算质量，快速提升场景的真实感。生成三维道路数字模型后，会根据模型 BIM 属性信息智能化赋予道路行车线、车流和绿化植被，也可以根据需要进行手动调整，通过应用 PBR 物理级材质，用户可以根据需要对场景地貌或者道路的材质进行替换，查看不同材质带来的仿真效果。考虑到特殊天气对道路安全情况和驾驶体验的影响，通过大气粒子模拟系统模拟了各种气象条件，用户可以体验不同天气带来的视距影响，从而对道路设计及安全情况作出评价。
利用 VR 技术，结合仿真的地形模拟与气象模拟，可对道路三维模型进行全景沉浸式交互查看，使参与者有一种身临其境的感觉。使用内置驱动适配 VR 硬件，实现 VR 漫游和模拟驾驶功能，通常有 3 种模式: 行人、汽车驾驶者、空中飞行模式。行人模式中，参与者可在场景中自由行走，以第一人称视角任意观看，从而对道路方案进行沉浸式审查，真正地从行人角度感受设计成果，对建筑体量也有更直观认识; 驾驶模式中，利用驾驶模拟设备，在三维设计场景 中 进 行 虚 拟 驾 驶，在 VR 设 备 ( 如 HTC VIVEPRO) 的帮助下，用户在虚拟车内自由操作，全方位任意观看，如图 7( a) 所示，对道路方案进行不同时速下的沉浸式体验，直观地感受视距、弯道、盲区和天气情况的影响; VR 飞行模式中，通过在场景模型的指定位置创设相机视角，支持交互操作对其进行自由移动，实现全场景的 VR 漫游，如图 7( b) 所示，让用户从全局上把握方案的整体设计。另外，平台内置的截屏及录屏功能可进行实时场景照片、视频的采集和存储，能记录并供后续评价分析，且可实现移动端三维交互式查看。
3 应用与评价
本文将 BIM +VR 技术引入道路设计中，采用 BIM 设计平台 Autodesk Civil 3D 等对基础道路信息进行设计与建模，利用 GIS 软件结合高清遥感或航摄地貌影像建立仿真地形曲面模型。模型由专业道路 BIM 设计软件完成之后，通过自主开发的“基于实时渲染引擎的道路 VR 仿真平台”整合道路整体三维信息模型与 GIS 信息，自动完成平台对接。利用该设计方法在重庆陈家阁立交和春华立交市政设计项目中进行了应用，方案研究效率明显提升，成果更能直观地体现设计要点，整体效果更为美观，自主开发的 VR 仿真平台对项目设计方案的各种设计细节进行了准确、逼真的展示，汇报质量也同步提升，得到了设计人员、评审专家和业主的一致好评，有效地验证了 BIM+VR 技术在道路设计中的高效性和优越性。利用 VR 仿真平台展示陈家阁立交项目方案的部分场景图片如图 8 所示。
基于 BIM+VR 技术的道路设计方法在工作流程和成果交付方式、三维协同设计、交互可视化功能及相关软件的组织框架、智能化水平、工作效率等方面相对于传统二维设计都有革命性的进步。道路设计过程的核心为信息化建模，设计成果为数字化三维模型，实现平、纵、横三维协同设计，可通过 VR 实景模型场景实时检验设计成果。相应的道路 BIM 设计平台采用面向对象的软件工程思想，引入装配和部件对象理念，并且各对象间具备关联关系，设计变更可通过关联关系进行传递。自主研发的 VR 道路演示平台发挥 GPU 硬件加速和图像引擎渲染能力，模拟物理材质、天气及动态光照环境，结合高分辨率地形模型呈现设计方案的虚拟现实场景，具备三维、动态、仿真、美观等特点，能够展现全路段的设计细节及要点，对设计进行真实、全面、直观的反映。 VR 漫游、沉浸式观看及驾驶模拟使用户能够从全局和细节、行人及驾驶员角度、第一与第三人称视角全方位审查方案设计，结合人、车和环境等因素对道路安全进行综合性评价。
4 结束语
本文运用 BIM+VR 技术进行道路工程设计，对 BIM 和 VR 的技术特点以及利用 BIM+VR 技术进行道路设计的优势进行了细致的分析，阐述了利用道路 BIM 设计软件进行道路设计、与 GIS 软件结合进行地形仿真建模的实现过程，同时应用自主开发的交互式道路 VR 仿真平台，通过集成通用三维 BIM 模型、进行道路全仿真交互演示、交互式展现拟真设计成果。基于 BIM+VR 技术进行道路设计，有效地解决了传统二维设计及普通三维道路设计模式在各阶段协同设计、模型一致性、方案展示及安全性评价方面存在的问题，显著提高了设计项目的沟通效率、方案质量以及信息化水平，该项应用实现了真正意义上的三维正向设计与成果评价功能。——论文作者：漆 亮，邹 云
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