熊子瑜 鄭璐瑤 王欣南

(中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 武漢 430056)

隨著汽車擁有量的增加，交通量的快速增長(zhǎng)，早期建成的高速公路不同程度地出現(xiàn)了通行能力不足或服務(wù)水平下降等現(xiàn)象，甚至造成交通堵塞，而人們對(duì)美好出行的向往與通行能力與服務(wù)水平不足之間的矛盾，促進(jìn)了高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目的增多。由于高速公路改擴(kuò)建區(qū)域的工程環(huán)境十分復(fù)雜，對(duì)改擴(kuò)建區(qū)域進(jìn)行施工時(shí)，過(guò)往的通行車輛都會(huì)受到作業(yè)區(qū)內(nèi)的工程人員、施工設(shè)施、工程維護(hù)的影響，如果交通組織不合理會(huì)導(dǎo)致作業(yè)區(qū)道路的通行能力大大降低，進(jìn)而造成安全隱患，所以交通組織對(duì)于高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目相當(dāng)重要。但由于交通組織與時(shí)間關(guān)系更密切，與傳統(tǒng)土建設(shè)計(jì)相比設(shè)計(jì)成果不易表達(dá)，交通組織控制因素多，設(shè)計(jì)難度大，開(kāi)展相關(guān)的研究是客觀需要。

在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間，我國(guó)學(xué)者結(jié)合國(guó)內(nèi)重大改擴(kuò)建項(xiàng)目對(duì)交通組織設(shè)計(jì)方法及交通流分析等基礎(chǔ)問(wèn)題進(jìn)行了大量研究[1-3]并使得改擴(kuò)建交通組織逐漸規(guī)范化[4-5]。近年來(lái)在交通組織的研究中融合了越來(lái)越多的新技術(shù)，如利用仿真軟件研究了施工作業(yè)區(qū)安全和交通影響最大的上游過(guò)渡區(qū)最優(yōu)長(zhǎng)度[6-8]，以及將BIM技術(shù)應(yīng)用于交通導(dǎo)改施工模擬進(jìn)行方案驗(yàn)證[9-10]，這些研究為交通組織研究的方向提供了新的思路，也為利用這些新技術(shù)進(jìn)行交通組織研究提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

本研究擬結(jié)合已有BIM技術(shù)與改擴(kuò)建交通組織，探索利用BIM技術(shù)提高交通組織設(shè)計(jì)與方案溝通效率，保證方案落實(shí)降低項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)用方法，提出解決該應(yīng)用方法中存在的關(guān)鍵技術(shù)，并結(jié)合依托項(xiàng)目對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。以期為將來(lái)交通組織BIM正向設(shè)計(jì)研究的開(kāi)展提供基礎(chǔ)。

1 研究目標(biāo)

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)對(duì)改擴(kuò)建高速公路交通組織設(shè)計(jì)越來(lái)越重視。通常情況下交通組織設(shè)計(jì)是作為專項(xiàng)存在的，但受限于傳統(tǒng)工具與表達(dá)方式的限制，交通組織設(shè)計(jì)仍然難以落實(shí)，其中存在的主要問(wèn)題如下。

1) 二維圖紙難以表達(dá)設(shè)計(jì)成果，設(shè)計(jì)思路及意圖不易被其他單位所理解。交通組織改擴(kuò)建涉及相關(guān)單位眾多，設(shè)計(jì)方案需要和業(yè)主、交警、設(shè)計(jì)單位、施工單位、地方政府等部門反復(fù)溝通。而交通組織是一個(gè)根據(jù)時(shí)間空間不斷變化的過(guò)程，導(dǎo)致方案難以被參與單位理解，造成方案的反復(fù)從而浪費(fèi)大量時(shí)間。

2) 交通組織數(shù)字化程度低，結(jié)合已有的交通組織BIM應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，目前交通和組織BIM應(yīng)用過(guò)程中人工工作量占比較高，通過(guò)手工建模不僅效率低下，而且不利于數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化從而影響數(shù)據(jù)的傳遞。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)階段存在的問(wèn)題進(jìn)行調(diào)研及分析后，初步明確了以下BIM應(yīng)用流程。

1) 建立交通組織BIM模型。

2) 生成車輛行駛路徑。

3) 制作交通組織方案屬性表。

4) 4D-BIM平臺(tái)中導(dǎo)入BIM模型、車輛行駛路徑及交通組織方案屬性表。

5) 接入現(xiàn)場(chǎng)攝像頭。

6) 利用4D-BIM平臺(tái)進(jìn)行方案溝通，并結(jié)合攝像頭進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)方案控制。

對(duì)于該流程的實(shí)施，存在著土建BIM建模方式及4D-BIM技術(shù)不適用交通組織的問(wèn)題。為保證BIM應(yīng)用流程的順利進(jìn)行，本文擬研究交通組織臨時(shí)設(shè)施模型的快速建立及交通組織交通流模型的快速建立這2個(gè)關(guān)鍵技術(shù)用于確保交通組織BIM模型的快速建立，以及甘特圖的自動(dòng)生成、模型的更新機(jī)制、行車模型的展示這3個(gè)關(guān)鍵技術(shù)用于交通組織的4D展示。

2 BIM應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 交通組織BIM建模及數(shù)據(jù)傳遞

2.1.1交通組織臨時(shí)設(shè)施模型的快速建立

相比土建BIM模型，交通組織臨時(shí)設(shè)施BIM模型具有標(biāo)準(zhǔn)化程度更低、項(xiàng)目間差異更大的特點(diǎn)，因此交通組織臨時(shí)設(shè)施BIM模型需要采用更加靈活的快速建模方法。本文通過(guò)研究采取以下方法提高快速建模方法的適用性。

1) 交通組織BIM模型標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的分離。傳統(tǒng)BIM模型的參數(shù)化建模方式，在調(diào)研交通組織特點(diǎn)的基礎(chǔ)上采用了分離版面構(gòu)件、模型構(gòu)件及邏輯構(gòu)件的方式，在兼顧易用性的同時(shí)提升靈活度。其中，通過(guò)自定義版面構(gòu)件可以擴(kuò)展臨時(shí)標(biāo)牌的版面內(nèi)容、臨時(shí)設(shè)施的圖案等，通過(guò)自定義模型構(gòu)件可以擴(kuò)展BIM模型的樣式，如臨時(shí)標(biāo)牌樣式、錐形桶樣式、防撞護(hù)欄樣式等，通過(guò)自定義邏輯構(gòu)件可以擴(kuò)展BIM模型的布設(shè)規(guī)則。大部分情況只需要對(duì)版面構(gòu)件及模型構(gòu)件進(jìn)行自定義即可滿足項(xiàng)目應(yīng)用需求。版面的自定義可通過(guò)繪圖軟件制作高清版面的圖片導(dǎo)入構(gòu)件庫(kù)即可，對(duì)于模型構(gòu)件的自定義需通過(guò)建模軟件制作對(duì)應(yīng)模型導(dǎo)入構(gòu)件庫(kù)，需要注意的是模型必須為Acis模型，其他格式的模型需要先進(jìn)行轉(zhuǎn)換，各類型構(gòu)件及創(chuàng)建方式見(jiàn)表1。

表1 各類型構(gòu)件及創(chuàng)建方式

邏輯構(gòu)件的制作比較復(fù)雜，需要利用C#的反射特性。反射是一種計(jì)算機(jī)處理方式，具有程序可訪問(wèn)、檢測(cè)和修改它本身狀態(tài)或行為的能力，可提供封裝程序集、類型的對(duì)象。在主程序中對(duì)構(gòu)件抽象類進(jìn)行定義，包括基本信息、用戶端參數(shù)、參數(shù)轉(zhuǎn)換內(nèi)部變量、建模及輸出參數(shù)5個(gè)部分，基本信息包括構(gòu)件名稱、構(gòu)件類型、創(chuàng)建人等基本信息，參數(shù)有路線、版面構(gòu)件、枚舉、文字、數(shù)字幾種類型，需要說(shuō)明的是路線參數(shù)會(huì)自動(dòng)對(duì)接至路線專家設(shè)計(jì)線中，同時(shí)用戶界面中會(huì)自動(dòng)生成路線下拉框，版面則會(huì)連接至版面構(gòu)件庫(kù)，并在用戶端生成下拉框。同時(shí)主程序按照讀取基本信息、讀取用戶端參數(shù)、執(zhí)行參數(shù)轉(zhuǎn)換、執(zhí)行建模、執(zhí)行輸出參數(shù)并寫入Xdata的流程執(zhí)行抽象類中的方法。

在自定義的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中需要對(duì)構(gòu)件的抽象類進(jìn)行繼承并按照需要重寫所需的方法，編譯得到最后的構(gòu)件庫(kù)。

2) 與路線數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)接。由于交通組織與路線數(shù)據(jù)聯(lián)系緊密，因此引入了路線專家系統(tǒng)的API，在構(gòu)件中可以使用路線項(xiàng)目文件中路線數(shù)據(jù)，包括平縱橫及互通連接部。極大地減少了人工填寫的工作量。

3) 通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)保存構(gòu)件數(shù)據(jù)。為保證可參數(shù)化的修改模型及數(shù)據(jù)可參與后續(xù)的BIM應(yīng)用，引入了數(shù)據(jù)庫(kù)用于儲(chǔ)存已經(jīng)建立的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫(kù)中包含一個(gè)總表用于儲(chǔ)存構(gòu)件的基本信息，另外根據(jù)每個(gè)構(gòu)件會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建一張表，該表除了參數(shù)以外，通過(guò)GUID與模型進(jìn)行綁定，數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)類型與構(gòu)件中參數(shù)類型的對(duì)應(yīng)有如下關(guān)系，路線通過(guò)讀取路線的GUID保存至數(shù)據(jù)庫(kù)中，版面通過(guò)讀取文件名進(jìn)行保存，枚舉及文字以字符串的形式進(jìn)行保存，數(shù)字則保存為數(shù)值型數(shù)據(jù)。

2.1.2交通組織交通流模型的快速建立

通過(guò)研究最終確定了的交通流模型生成總體流程見(jiàn)圖1，其中全線分段、互通中生成節(jié)點(diǎn)與段落、互通內(nèi)路徑搜索等部分為流程中的重點(diǎn)部分。

圖1 交通流信息生成主要流程

1) 全線分段。對(duì)于全項(xiàng)目，首先需要分為互通段落與非互通段落2個(gè)部分，其分段示意見(jiàn)圖2。需要說(shuō)明的是，對(duì)于一般路段需要提取橫斷面數(shù)據(jù)并解析出車道參數(shù)，即可生成對(duì)應(yīng)的交通流信息。

圖2 全線分段示意

2) 互通內(nèi)部節(jié)點(diǎn)與段落生成?；ネǘ温湎鄬?duì)比較復(fù)雜，首先需要確定互通中的節(jié)點(diǎn)，包括分流點(diǎn)、合流點(diǎn)及順接點(diǎn)，之后讀取節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的段落信息，包括設(shè)計(jì)線與起終點(diǎn)樁號(hào)。以某落地互通為例，可分解成見(jiàn)圖3的形式。整理后其詳細(xì)信息見(jiàn)表2。

圖3 互通分段示例

表2 分段段落表

3) 計(jì)算行車路徑經(jīng)過(guò)的段落。將連接起始節(jié)點(diǎn)及終止節(jié)點(diǎn)的路段填入對(duì)應(yīng)的位置形成如圖4所示矩陣，這里以K始為起點(diǎn)為例，在矩陣上利用遞歸進(jìn)行搜索，可搜索得到以K始為起點(diǎn)經(jīng)過(guò)的2條路徑見(jiàn)圖4，分別為K始至K終的YK0-YK1-YK2及K始至A的YK0-B-ZA1-ZA02條路徑。

圖4 路徑尋路

最后，計(jì)算出每個(gè)段落中的交通流信息，依照上一步中搜索得到的路徑進(jìn)行合并，得到整個(gè)互通的交通流信息。最后連接互通與一般路段的交通流信息，得到最終成果。之后將最終的交通流信息導(dǎo)入到后續(xù)的4D展示平臺(tái)中形成行車流模型。

2.2 4D展示

4D-BIM的重點(diǎn)在于時(shí)間軸與BIM模型的關(guān)聯(lián)，通過(guò)對(duì)業(yè)務(wù)需求進(jìn)行調(diào)研，明確了通過(guò)甘特圖進(jìn)行交通組織時(shí)間屬性展示的方法。為保證甘特圖的自動(dòng)化創(chuàng)建、BIM模型與時(shí)間軸關(guān)聯(lián)，以及利用路徑文件生成行車流模型的功能，主要使用了以下技術(shù)。

2.2.1甘特圖的生成

甘特圖(gantt chart)又稱為橫道圖、條狀圖(bar chart)。其通過(guò)條狀圖來(lái)顯示項(xiàng)目、進(jìn)度和其他時(shí)間相關(guān)的系統(tǒng)進(jìn)展內(nèi)在關(guān)系隨著時(shí)間進(jìn)展的情況。在4D-BIM平臺(tái)研發(fā)中選擇通過(guò)表格的方式生成甘特圖。表格需要包含以下屬性，見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 交通組織臨時(shí)設(shè)施表內(nèi)容

圖6 交通組織行車路徑表內(nèi)容

對(duì)于模型的甘特圖，需要讀取ID生成對(duì)應(yīng)的行，并讀取起止時(shí)間，將甘特圖對(duì)應(yīng)時(shí)間范圍內(nèi)的方塊顏色轉(zhuǎn)換為模擬方式對(duì)應(yīng)的顏色。對(duì)于行車的甘特圖，需要讀取行車方向類型生成對(duì)應(yīng)的列，類似的，需要讀取起止時(shí)間將對(duì)應(yīng)時(shí)間的方塊轉(zhuǎn)換成狀態(tài)對(duì)應(yīng)的顏色。

2.2.2基于著色器的模型更新機(jī)制研究

通過(guò)梳理應(yīng)用場(chǎng)景，得到如下幾種模擬方式：1)自上而下消失(拆除)；2)自下而上生長(zhǎng)(構(gòu)建)；3)突然出現(xiàn)；4)突然消失；5)延路線生長(zhǎng)；6)延路線消失。由于與時(shí)間軸關(guān)聯(lián)的模型數(shù)量較大，按已有通過(guò)布爾運(yùn)算更新模型的技術(shù)方法會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)卡頓，因此采用編寫著色器的方法進(jìn)行模型的更新，模型裁剪示意如圖7。原理是通過(guò)計(jì)算來(lái)判斷模型表面的像素是否被裁剪，具體的計(jì)算判斷方法如下。

圖7 模型裁剪示意

1) 計(jì)算頂點(diǎn)與切割平面之間的向量v，圖7中v1～v4。

2) 將向量v1、v2與切割平面的法向量n點(diǎn)乘。

3) 將向量v3、v4與切割平面的法向量n點(diǎn)乘。

若v1、v2與n點(diǎn)乘的結(jié)果均大于0，應(yīng)該被裁剪，而v3、v4所對(duì)應(yīng)的頂點(diǎn)則沒(méi)有被裁剪。

基于上述的算法編寫如圖8所示基于著色器的渲染流程，實(shí)現(xiàn)BIM模型可通過(guò)拖動(dòng)時(shí)間軸動(dòng)態(tài)更新的功能。

圖8 基于著色器的渲染流程

2.2.3行車模型的展示

在實(shí)際操作過(guò)程中，行車模型展示出現(xiàn)了以下問(wèn)題。

1) 數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)讀入緩慢。

2) 場(chǎng)景中的對(duì)象過(guò)多，導(dǎo)致渲染性能急劇下降。

3) 大量線程會(huì)引起GC，會(huì)消耗大量?jī)?nèi)存。

為保證程序運(yùn)行的效率，采用了多線程式數(shù)據(jù)導(dǎo)向型技術(shù)堆棧技術(shù)，充分利用CPU及GPU的多核心性能，并以ECS(ntity-component-system)框架實(shí)現(xiàn)行車模型的展示。

在本項(xiàng)目中，每個(gè)車輛都是實(shí)體，但是實(shí)體在沒(méi)有添加組件之前都只當(dāng)做單純的實(shí)體，并沒(méi)有數(shù)據(jù)；組件用于存放數(shù)據(jù)，主要包括車輛序號(hào)、車輛類型、車輛在任意時(shí)刻的位置及方向，大部分種類的組件都是實(shí)現(xiàn)組件數(shù)據(jù)接口，同時(shí)注意的是，組件必須是結(jié)構(gòu)體，而且不能包含引用類型數(shù)據(jù)；系統(tǒng)模塊用來(lái)實(shí)現(xiàn)具體邏輯，在該項(xiàng)目中系統(tǒng)模塊包含實(shí)體創(chuàng)建系統(tǒng)、實(shí)體銷毀系統(tǒng)、車輛運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和交互系統(tǒng)。

3 項(xiàng)目驗(yàn)證

3.1交通組織BIM模型庫(kù)的建立

結(jié)合依托項(xiàng)目交通組織實(shí)際情況，依照上述關(guān)鍵技術(shù)研究確定的標(biāo)準(zhǔn)，創(chuàng)建臨時(shí)標(biāo)志、臨時(shí)標(biāo)線、臨時(shí)隔離防護(hù)、其他臨時(shí)設(shè)施4個(gè)大類共20余種邏輯構(gòu)件，創(chuàng)建臨時(shí)指路標(biāo)志、作業(yè)區(qū)標(biāo)志、路段警告輔助標(biāo)志、路網(wǎng)臨時(shí)標(biāo)志4個(gè)大類，共19種版面構(gòu)件以及創(chuàng)建了錐形桶、移動(dòng)標(biāo)志牌、防撞護(hù)欄、水馬等10余種結(jié)構(gòu)構(gòu)件。并利用上述關(guān)鍵技術(shù)研究成果開(kāi)發(fā)相應(yīng)的建模工具完成依托項(xiàng)目交通組織模型的快速化創(chuàng)建工作。

另一方面，結(jié)合關(guān)鍵技術(shù)的研究成果直接利用路線設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)快速生成了交通流信息。

3.2 交通組織方案屬性的導(dǎo)入

結(jié)合依托項(xiàng)目交通組織方案，按照上文所述的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，編制應(yīng)用于甘特圖生成所用的表格。節(jié)選見(jiàn)表3、表4。

表3 交通組織臨時(shí)設(shè)施表節(jié)選

表4 交通組織行車路徑表節(jié)選

3.3 方案的4D展示

在完成交通組織建模后，需要將建立好的BIM模型、交通流信息及屬性表整合進(jìn)平臺(tái)。在平臺(tái)中順利生成甘特圖，并可通過(guò)拖動(dòng)甘特圖相應(yīng)的改變交通流模型及BIM模型。通過(guò)項(xiàng)目打包操作形成最終的4D-BIM成果交付使用。4D-BIM平臺(tái)見(jiàn)圖9。

圖9 4D-BIM平臺(tái)

由實(shí)例可見(jiàn)，利用交通組織BIM平臺(tái)具有時(shí)間軸的優(yōu)勢(shì)，能直觀地表達(dá)設(shè)計(jì)方案，切實(shí)提高各單位在實(shí)際工作中的溝通效率，同時(shí)實(shí)時(shí)的行駛車輛模型也將交通量、道路擁堵情況、服務(wù)水平等指標(biāo)從數(shù)字轉(zhuǎn)變成為直觀的認(rèn)知，提高了各單位人員對(duì)設(shè)計(jì)方案的理解。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在結(jié)合依托項(xiàng)目進(jìn)行研究的過(guò)程中，探索出一套完整的交通組織BIM應(yīng)用流程，并研究在流程中如何快速建立交通組織BIM模型、如何實(shí)現(xiàn)針對(duì)交通組織的4D-BIM平臺(tái)功能，保證了交通組織的BIM應(yīng)用在依托項(xiàng)目中的順利實(shí)施。最終實(shí)現(xiàn)了改進(jìn)交通組織建模方法、提高交通組織BIM應(yīng)用的工作效率，并通過(guò)研發(fā)平臺(tái)利用4D-BIM時(shí)間軸的特性有效提高了交通組織設(shè)計(jì)與管理過(guò)程中的溝通效率。另一方面，對(duì)改擴(kuò)建交通組織BIM應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)的研究也為將來(lái)的BIM正向設(shè)計(jì)提供了數(shù)字化基礎(chǔ)，為改擴(kuò)建交通組織的數(shù)字化與BIM正向設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。