蒋芳 吴慕辉

摘  要： 共享街道景观项目在设计中，通常采用解析法实现三维图像的构建，但此方法导致各个指标间的关联性不高，建模的效率低下，且图像的质量较低。基于共享街道景观信息模型（BIM）技术能够实现共享街道景观改造仿真系统的设计。BIM中Navisworks能够整合和阅览共享街道的景观项目，提供共享街道景观Navisworks信息的组织形式。借助于CAD建模技术，能够完成大型共享街道景观三维仿真系统的建模。同时，基于Navisworks可视化软件可渲染共享街道三维仿真模型，从而制作出共享街道景观的三维仿真图像。BIM能够提供共享街道景观三维仿真系统的实际方案，结合动态演示功能，更好地掌控共享街道景观三维仿真的具体进展。实践表明，基于BIM技术的共享街道景观三维仿真图像的清晰度更高、系统的耗时更短且性能更优。

关键词： BIM技术; 共享街道景观改造仿真系统; 街道景观仿真建模; Navisworks施工动画模拟模块; 数据可视化; BIM运营维护管理平台

中图分类号： TN911.73?34; TP334                   文献标识码： A                  文章编号： 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）以三維信息为核心技术，基于同一工作平台上构建三维信息模型，满足项目建设中设计部门、施工部门、管理部门等创建信息共享与交流的平台，能够为街道景观改造项目提供全生命周期的解决方案，有效地降低设计错漏率，还能够提升交流的质量与效率，推动工程的进展，保证工程的质量等[1]。我国的经济发展迅速，行业发展稳定，交通越来越发达。因此，交通功能已经变成了街道功能最为核心的部分，空间与交通两种功能的冲突越来越明显。汽车工业的发展加快了车速，机动车道的宽度也在不断增加，街道的步行安全性也在随之降低，这一现象直接导致交通事故数量逐年上升。街道中原有的安全和舒适逐渐消失，城市中传统的、具备特色的街道小巷逐渐被机动车道所取代，城市给人们的印象也越来越模糊，最终将失去其独特性。共享街道景观改造项目中，传统的二维图纸与平面方法已经难以满足现代化发展需求，信息化的发展推动了项目的建设，尤其是大型项目的建设[2?3]。通过BIM技术的运用，项目的设计与施工能够实现可视化，同时借助于设计校验、碰撞测试等方法，为项目的建设奠定了数据基础。本文在BIM技术的基础上，提出了可视化的共享街道景观改造仿真系统，并且对系统的设计与实现进行深入的分析。

1  基于BIM技术的共享街道景观改造仿真系统设计

1.1  BIM应用模块的构成

目前，在国外发达国家中，BIM技术已经非常的成熟。其中，Autodesk公司出品的BIM系统是市场中较为常用的系统，该系统主要包含五个模块，分别为CAD工程设计模块、Civil 3D地形处理模块、Revit建筑结构建模、AIM快速表现模块、Navisworks施工动画模拟模块[4]。BIM系统中能够导入CAD，Civil以及Revit构建的模型，并且能够将项目在不同时间点的施工情况和施工布置展示出来[5]。具体效果如图1所示。BIM系统中能够以动态的形式将施工效果、施工进展展现出来，借助于Navisworks或者3DMax软件能够实现项目的可视化操作。

1.2  系统功能设计

共享街道景观改造仿真系统主要利用信息技术以及计算机技术，将复杂的项目工程建设过程借助计算机以仿真的形式表现出来，对项目的施工全过程进行模拟，从而为工程设计方案与参数等内容的设计与修改提供条件。在项目的设计阶段中，设计者与施工管理者能够基于该系统进行方案的制定与决策。在共享街道景观改造仿真系统中，相关人员能够在简洁的系统中直观地理解与发现设计与技术的难点，同时还能够为项目的施工提供信息参考依据。因此，在对系统的需求以及项目目标的研究中，制作出系统的总设计图，具体如图2所示。

根据图2可知，共享街道景观改造仿真系统的设计主要分为四大功能模块，分别是BIM模型的设计与实现、施工现场三维漫游、4D动态仿真以及运维模块。BIM模型的设计与实现主要是借助三维技术以立体图的方式展现出结果。施工中4D动态仿真是指构建三维立体模型，将施工状态赋予对应的动态参数，进而更好地结合工程建设与工程进度。施工现场三维漫游是指借助于漫游的方式，直观地展现出道路的布局以及景观设计等内容。运维模块主要作用于系统基础数据的维护与管理。

1.3  系统技术架构体系

根据系统的功能设计，系统的架构体系主要分为数据层、平台层、模型层以及应用层，具体如图3所示。

数据接口层：根据工程的建设需求，综合运用BIM软件以及其他软件构建多种数据信息，借助于数据接口与交换引擎，实现数据结构化的转换，最终由系统实现数据的识别。

数据层：项目工程中，数据根据对应特点被分成BIM数据库、组织与过程信息、非结构信息数据库，在仿真系统的构建中，所有数据都能够通过系统获取。

平台层：平台层能够完成数据的共享和集成，与此同时能够读取、存储和验证各类数据信息。数据层实现了数据的转换，而项目中不同时期的所有数据都能够在这一平台中进行集成。

模型层：模型层的主要功能为在平台中将BIM软件设计出的模型进行集成，进而满足项目施工中模拟仿真对模型的调用。

应用层：应用层能够以可视化的界面展示出项目的系统仿真结果，从而为项目管理人员的决策提供参考依据。项目的管理主要为施工进度管理、成本管理、沟通协调、碰撞检查以及施工的优化等。

1.4  关键技术的实现

1.4.1  基于空间插值法的街道空间点坐标确认

三维建模的核心内容之一就是确认坐标数据点的位置，空间插值法就是利用少量的原始采集点来预测位置必要的数据点参数，为地表模型建立提供估值空间的相关高度[6?8]。本设计利用克里金空间插值法确认共享街道各组成部分的空间相关高度。

在三维空间中，待估计点的[x]，[y]坐标已知，需要确认[z]坐标。假设[x1，x2，…，xn]代表[n]个坐标点的空间位置中的[x]，[y]坐标，[Zi=Z（xi）]，[i=1，2，…，n]，代表[i]点的空间位置中的[z]坐标的测量值，则有：

式中：[Z?v（x）]代表待估点的[z]坐标的估值;[λi]代表已知点权重系数;[Z（xi）]代表待估点在影响范围内的有效样本值。

问题转换为求解可确定点的空间坐标，需要满足以下两个条件：

1） 无偏估计

2） 最优估计

当变量[Z（x）]的[E[Z（x）]=m]是已知常数时，则为简单克里格法，当变量[Z（x）]的[E[Z（x）]=m]是未知常数时，则为普通克里格法。

在内在平稳条件下：

假设所需估計的[Z*0=Z*（x0）]是观测值[Zi]，[i=1，2，…，n]的线性组合：

通过这个条件来确认系数[λ0i]，目标函数转换为关于待定系数[λ0i]，[i=1，2，…，n]的二次函数形式。通过该拉格朗日乘数法转换为目标函数的无约束极小值，目标函数如下：

得到下列[Kriging]方程组：

假定测量误差为彼此独立的高斯噪声，数学期望为0，方差为[σ2i（i=1，2，…，n）]。估计值为：

Kriging方程组如下：

估计的方差为：

利用克里金方法可以大量地模拟共享街道中的空间数据点，来弥补采集数据点不足的问题。

1.4.2  运用Civil 3D生成地形曲面

Civil 3D是Autodesk的产品，主要为BIM工作流程的土木工程设计提供解决方案[9]。Civil 3D的工具种类繁多，能够在地形的构建、整地、土方的计算，廊道的建模，配置卫生设施，洪水分析和仿真，排水系统的构建，工程量的计算，道路设计等方面发挥重要的作用，同时还能够用作地形建置、排水整地、水文分析、坡度分析、坡向分析等，另外还广泛应用于景观的专业化运用[10?14]。利用Civil 3D构建共享街道景观改造的仿真系统中，项目的规划人员可基于Civil 3D软件平台进行街道景观项目的整合与阅览，进而制作街道景观的三维仿真模型，帮助用户获取街道景观的BIM，从而提升街道景观项目的核心竞争能力，推动项目的工程进展。大型街道景观利用BIM技术实现三维仿真，能够获取施工现场的进度、施工情况等动态逻辑关系，还能够获知街道景观施工场地、环境以及景观位置等空间信息。Civil 3D中，曲面是指数字地形模型。Civil3D中，曲面又分为两种，分别是三角网（TIN）曲面和栅格曲面，而三角网曲面为缺省的曲面种类。三角网曲面采用不规则的三角网对真实的地形进行模拟更加的准确，因此在土木工程的设计中有着广泛的应用。在构建此类模型时，可导入文本格式的测量点数据文件，例如.txt，.csv等文件，实现地形曲面的生成。

1.4.3  利用Navisworks进行街道景观仿真建模

1） 共享街道景观改造仿真系统数据处理流程。

通过街道景观三维仿真模型的构建，能够滿足街道景观项目可视化的审阅与分析。三维仿真模型可展现出高清的动态信息[15]，涵盖施工现场与工程内街道景观等内容，例如，施工的地点、渣料的使用情况、地形的挖填等，使用者都可以通过仿真模型查阅。Navisworks三维仿真平台的步骤主要为数据的采集、地形的数字化、街道景观的模型构建等，通过在Navisworks中导入街道项目的相关参数，并且通过渲染，获取街道景观的三维仿真图像。

2） 街道景观三维建模。

Navisworks软件平台中，借助于CAD技术完成街道景观三维仿真模型的构建。街道景观可根据二维设计的模式细分为不同的独立部分，确定各个部分之间的关系，明确街道景观的空间形体信息。目前，街道景观大部分都是不规则的，景观设计中要能够对不规则的部分进行细致分析，将不规则形状规划成具体的形状，例如矩形、圆柱形等，随后借助CAD软件描绘出街道中不同部分的三维仿真模型。对于难以精密区分的不规则形状街道，将其自动的组成单元，借助于多次修改与编辑，获取基本图元。根据空间结构关系将基本图元依照层次进行组合，最终构建成街道景观三维仿真模型。随后，在Navisworks可视化软件中增加街道景观的三维仿真模型，并且通过渲染的方式获得街道景观的三维仿真图像。

1.4.4  基于BIM的街道景观三维仿真系统实现

街道景观基于BIM技术的三维仿真系统的流程主要分为三个步骤：

1） 基于街道景观项目中街道景观的特征以及附近的枢纽情况，制作设计街道景观三维仿真系统中需要的三维仿真模型。

2） 将步骤1）完成的三维仿真模型导入到Navisworks软件平台中，并且进行渲染，将三维仿真模型中的动态仿真数据转换成软件平台可读取的文件格式。

3） Navisworks软件平台在完成时间参数信息以及相应的属性信息的规划后，借助于该软件平台的二次开发功能，实现街道景观的三维仿真处理。街道景观三维仿真系统的主要功能包括街道景观三维仿真景观施工过程的动态展示，其中动态展示的内容主要为街道景观工程施工的状况以及各个分项目的情况，同时还能够实现街道景观中仿真数据的可视化处理。Navisworks软件平台中，Time Liner模块是实现街道景观三维仿真施工过程动态展示的主要工具。项目施工的过程中，Animator模块能够进行施工场地场景中的巡航动画的制作，同时巡航动画与Time Liner动画连接，从而满足用户从多角度查阅街道景观三维仿真动态施工进度的需求，帮助用户更好地通过街道景观三维仿真了解项目的施工情况。

2  仿真结果分析

施工可视化是指结合施工图纸和项目现场施工方案在建模软件平台上完成模型的创建，同时确定各个加工环节工序的完成时间，在施工开始前结合具体的方案在软件中构建三维动态的虚拟建造。施工可视化的设计方案可参见图4。共享街道景观项目开始前，运用BIM技术实现三维动态虚拟建造，既可以为工程项目安排合理的施工顺序，还能够确定项目施工中各部分的施工起点与流向，另外，还能够有效地确定良好的施工技艺与相关技术措施。BIM技术的运用实现了施工的可视化，借助于可视化结果进行人工、物料与机械设备的合理分配，降低浪费，有效地提前预测问题并且解决问题，保证了工程的工期，合理控制了施工成本。

图4  BIM技术的街道景观三维仿真系统实现方案

3  结  论

共享街道模型的构建能够有效地规划分析共享街道项目的材料费用、施工进度以及施工项目成本，通过项目修改可能性的分析，及时地统计道路的构建，保障相关道路设计中工程量统计的准确性，最终结合实际情况，运用工程量的计算软件自动统计出共享街道施工的工程量。借助于共享街道模型的构建，能够获取共享街道的施工工程清单，帮助工程预算人员更好地整理项目的预算。根据数据与实践案例分析可知，BIM技术的科学、高效运用，能够有效地减少道路造价的估算时间，提升预算的准确率。共享街道项目的各个阶段包括设计阶段、管线预埋阶段、运行维护阶段等，都能够通过BIM模型获取相关的数据信息，从而有助于各部门在统一平台上进行合作，避免传统的设计中信息应用引发的效率低下等问题，最终有效提高共享街道设计的效果与效率。另外，在运营维护中，BIM中的运营维护模型集成了BIM、物联网、GIS技术等，创建了综合性的BIM运营维护管理平台，实现区域基础设施以及市政管网的信息化管理。在我国共享街道设计中运用BIM技术能够优化项目施工中各个环节，完善不同环节道路设计的内容，提高共享街道设计与施工的质量和效率，科学掌控项目工程的规模和造价，实现项目全过程的管理。BIM技术的运用能够推动我国市政交通行业的动态数据化、信息化的发展。

BIM技术的运用能够实现街道设计、施工等环节的优化，从而完善道路设计与施工的内容，进而提升道路设计与施工的质量，缩短施工的时间，合理控制工程的规模与成本。BIM技术的运用能够实现共享街道景观的仿真系统设计，为决策者制定各项决策提供参考依据。

注：本文通讯作者为吴慕辉。

参考文献

[1] FUKUDA S， BERNARD A， GURUMOORTHY B， et al. Product lifecycle management for a global market [M]. [S.l.]： Springer， 2014.

[2] CAMPBELL D A. Building information modeling： the Web3D application for AEC [C]// Proceeding of the Twelfth International Conference on 3D Web Technology， Web3D 2007. Perugia， Italy： ACM， 2007： 173?176.