改擴建交通組織BIM應用關鍵技術研究

熊子瑜 鄭璐瑤 王欣南

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司 武漢 430056)

隨著汽車擁有量的增加，交通量的快速增長，早期建成的高速公路不同程度地出現了通行能力不足或服務水平下降等現象，甚至造成交通堵塞，而人們對美好出行的向往與通行能力與服務水平不足之間的矛盾，促進了高速公路改擴建項目的增多。由于高速公路改擴建區域的工程環境十分復雜，對改擴建區域進行施工時，過往的通行車輛都會受到作業區內的工程人員、施工設施、工程維護的影響，如果交通組織不合理會導致作業區道路的通行能力大大降低，進而造成安全隱患，所以交通組織對于高速公路改擴建項目相當重要。但由于交通組織與時間關系更密切，與傳統土建設計相比設計成果不易表達，交通組織控制因素多，設計難度大，開展相關的研究是客觀需要。

在過去很長一段時間，我國學者結合國內重大改擴建項目對交通組織設計方法及交通流分析等基礎問題進行了大量研究[1-3]并使得改擴建交通組織逐漸規范化[4-5]。近年來在交通組織的研究中融合了越來越多的新技術，如利用仿真軟件研究了施工作業區安全和交通影響最大的上游過渡區最優長度[6-8]，以及將BIM技術應用于交通導改施工模擬進行方案驗證[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進行交通組織研究提供了技術基礎。

本研究擬結合已有BIM技術與改擴建交通組織，探索利用BIM技術提高交通組織設計與方案溝通效率，保證方案落實降低項目風險的應用方法，提出解決該應用方法中存在的關鍵技術，并結合依托項目對關鍵技術進行驗證。以期為將來交通組織BIM正向設計研究的開展提供基礎。

1 研究目標

現階段國內對改擴建高速公路交通組織設計越來越重視。通常情況下交通組織設計是作為專項存在的，但受限于傳統工具與表達方式的限制，交通組織設計仍然難以落實，其中存在的主要問題如下。

1) 二維圖紙難以表達設計成果，設計思路及意圖不易被其他單位所理解。交通組織改擴建涉及相關單位眾多，設計方案需要和業主、交警、設計單位、施工單位、地方政府等部門反復溝通。而交通組織是一個根據時間空間不斷變化的過程，導致方案難以被參與單位理解，造成方案的反復從而浪費大量時間。

2) 交通組織數字化程度低，結合已有的交通組織BIM應用經驗，目前交通和組織BIM應用過程中人工工作量占比較高，通過手工建模不僅效率低下，而且不利于數據的標準化從而影響數據的傳遞。

通過對現階段存在的問題進行調研及分析后，初步明確了以下BIM應用流程。

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平臺中導入BIM模型、車輛行駛路徑及交通組織方案屬性表。

5) 接入現場攝像頭。

6) 利用4D-BIM平臺進行方案溝通，并結合攝像頭進行現場方案控制。

對于該流程的實施，存在著土建BIM建模方式及4D-BIM技術不適用交通組織的問題。為保證BIM應用流程的順利進行，本文擬研究交通組織臨時設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個關鍵技術用于確保交通組織BIM模型的快速建立，以及甘特圖的自動生成、模型的更新機制、行車模型的展示這3個關鍵技術用于交通組織的4D展示。

2 BIM應用關鍵技術研究

2.1 交通組織BIM建模及數據傳遞

2.1.1交通組織臨時設施模型的快速建立

相比土建BIM模型，交通組織臨時設施BIM模型具有標準化程度更低、項目間差異更大的特點，因此交通組織臨時設施BIM模型需要采用更加靈活的快速建模方法。本文通過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模型標準構件的分離。傳統BIM模型的參數化建模方式，在調研交通組織特點的基礎上采用了分離版面構件、模型構件及邏輯構件的方式，在兼顧易用性的同時提升靈活度。其中，通過自定義版面構件可以擴展臨時標牌的版面內容、臨時設施的圖案等，通過自定義模型構件可以擴展BIM模型的樣式，如臨時標牌樣式、錐形桶樣式、防撞護欄樣式等，通過自定義邏輯構件可以擴展BIM模型的布設規則。大部分情況只需要對版面構件及模型構件進行自定義即可滿足項目應用需求。版面的自定義可通過繪圖軟件制作高清版面的圖片導入構件庫即可，對于模型構件的自定義需通過建模軟件制作對應模型導入構件庫，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行轉換，各類型構件及創建方式見表1。

表1 各類型構件及創建方式

邏輯構件的制作比較復雜，需要利用C#的反射特性。反射是一種計算機處理方式，具有程序可訪問、檢測和修改它本身狀態或行為的能力，可提供封裝程序集、類型的對象。在主程序中對構件抽象類進行定義，包括基本信息、用戶端參數、參數轉換內部變量、建模及輸出參數5個部分，基本信息包括構件名稱、構件類型、創建人等基本信息，參數有路線、版面構件、枚舉、文字、數字幾種類型，需要說明的是路線參數會自動對接至路線專家設計線中，同時用戶界面中會自動生成路線下拉框，版面則會連接至版面構件庫，并在用戶端生成下拉框。同時主程序按照讀取基本信息、讀取用戶端參數、執行參數轉換、執行建模、執行輸出參數并寫入Xdata的流程執行抽象類中的方法。

在自定義的動態鏈接庫中需要對構件的抽象類進行繼承并按照需要重寫所需的方法，編譯得到最后的構件庫。

2) 與路線數據進行對接。由于交通組織與路線數據聯系緊密，因此引入了路線專家系統的API，在構件中可以使用路線項目文件中路線數據，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) 通過數據庫保存構件數據。為保證可參數化的修改模型及數據可參與后續的BIM應用，引入了數據庫用于儲存已經建立的數據。數據庫中包含一個總表用于儲存構件的基本信息，另外根據每個構件會自動創建一張表，該表除了參數以外，通過GUID與模型進行綁定，數據庫數據類型與構件中參數類型的對應有如下關系，路線通過讀取路線的GUID保存至數據庫中，版面通過讀取文件名進行保存，枚舉及文字以字符串的形式進行保存，數字則保存為數值型數據。

2.1.2交通組織交通流模型的快速建立

通過研究最終確定了的交通流模型生成總體流程見圖1，其中全線分段、互通中生成節點與段落、互通內路徑搜索等部分為流程中的重點部分。

圖1 交通流信息生成主要流程

1) 全線分段。對于全項目，首先需要分為互通段落與非互通段落2個部分，其分段示意見圖2。需要說明的是，對于一般路段需要提取橫斷面數據并解析出車道參數，即可生成對應的交通流信息。

圖2 全線分段示意

2) 互通內部節點與段落生成。互通段落相對比較復雜，首先需要確定互通中的節點，包括分流點、合流點及順接點，之后讀取節點與節點之間的段落信息，包括設計線與起終點樁號。以某落地互通為例，可分解成見圖3的形式。整理后其詳細信息見表2。

圖3 互通分段示例

表2 分段段落表

3) 計算行車路徑經過的段落。將連接起始節點及終止節點的路段填入對應的位置形成如圖4所示矩陣，這里以K始為起點為例，在矩陣上利用遞歸進行搜索，可搜索得到以K始為起點經過的2條路徑見圖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，計算出每個段落中的交通流信息，依照上一步中搜索得到的路徑進行合并，得到整個互通的交通流信息。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入到后續的4D展示平臺中形成行車流模型。

2.2 4D展示

4D-BIM的重點在于時間軸與BIM模型的關聯，通過對業務需求進行調研，明確了通過甘特圖進行交通組織時間屬性展示的方法。為保證甘特圖的自動化創建、BIM模型與時間軸關聯，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。

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)。其通過條狀圖來顯示項目、進度和其他時間相關的系統進展內在關系隨著時間進展的情況。在4D-BIM平臺研發中選擇通過表格的方式生成甘特圖。表格需要包含以下屬性，見圖5、圖6。

圖5 交通組織臨時設施表內容

圖6 交通組織行車路徑表內容

對于模型的甘特圖，需要讀取ID生成對應的行，并讀取起止時間，將甘特圖對應時間范圍內的方塊顏色轉換為模擬方式對應的顏色。對于行車的甘特圖，需要讀取行車方向類型生成對應的列，類似的，需要讀取起止時間將對應時間的方塊轉換成狀態對應的顏色。

2.2.2基于著色器的模型更新機制研究

通過梳理應用場景，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(構建)；3)突然出現；4)突然消失；5)延路線生長；6)延路線消失。由于與時間軸關聯的模型數量較大，按已有通過布爾運算更新模型的技術方法會導致系統卡頓，因此采用編寫著色器的方法進行模型的更新，模型裁剪示意如圖7。原理是通過計算來判斷模型表面的像素是否被裁剪，具體的計算判斷方法如下。

圖7 模型裁剪示意

1) 計算頂點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點乘。

3) 將向量v3、v4與切割平面的法向量n點乘。

若v1、v2與n點乘的結果均大于0，應該被裁剪，而v3、v4所對應的頂點則沒有被裁剪。

基于上述的算法編寫如圖8所示基于著色器的渲染流程，實現BIM模型可通過拖動時間軸動態更新的功能。

圖8 基于著色器的渲染流程

2.2.3行車模型的展示

在實際操作過程中，行車模型展示出現了以下問題。

1) 數據量大，數據讀入緩慢。

2) 場景中的對象過多，導致渲染性能急劇下降。

3) 大量線程會引起GC，會消耗大量內存。

為保證程序運行的效率，采用了多線程式數據導向型技術堆棧技術，充分利用CPU及GPU的多核心性能，并以ECS(ntity-component-system)框架實現行車模型的展示。

在本項目中，每個車輛都是實體，但是實體在沒有添加組件之前都只當做單純的實體，并沒有數據；組件用于存放數據，主要包括車輛序號、車輛類型、車輛在任意時刻的位置及方向，大部分種類的組件都是實現組件數據接口，同時注意的是，組件必須是結構體，而且不能包含引用類型數據；系統模塊用來實現具體邏輯，在該項目中系統模塊包含實體創建系統、實體銷毀系統、車輛運動系統和交互系統。

3 項目驗證

3.1交通組織BIM模型庫的建立

結合依托項目交通組織實際情況，依照上述關鍵技術研究確定的標準，創建臨時標志、臨時標線、臨時隔離防護、其他臨時設施4個大類共20余種邏輯構件，創建臨時指路標志、作業區標志、路段警告輔助標志、路網臨時標志4個大類，共19種版面構件以及創建了錐形桶、移動標志牌、防撞護欄、水馬等10余種結構構件。并利用上述關鍵技術研究成果開發相應的建模工具完成依托項目交通組織模型的快速化創建工作。

另一方面，結合關鍵技術的研究成果直接利用路線設計的數據快速生成了交通流信息。

3.2 交通組織方案屬性的導入

結合依托項目交通組織方案，按照上文所述的數據結構，編制應用于甘特圖生成所用的表格。節選見表3、表4。

表3 交通組織臨時設施表節選

表4 交通組織行車路徑表節選

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平臺。在平臺中順利生成甘特圖，并可通過拖動甘特圖相應的改變交通流模型及BIM模型。通過項目打包操作形成最終的4D-BIM成果交付使用。4D-BIM平臺見圖9。

圖9 4D-BIM平臺

由實例可見，利用交通組織BIM平臺具有時間軸的優勢，能直觀地表達設計方案，切實提高各單位在實際工作中的溝通效率，同時實時的行駛車輛模型也將交通量、道路擁堵情況、服務水平等指標從數字轉變成為直觀的認知，提高了各單位人員對設計方案的理解。

4 結語

本文在結合依托項目進行研究的過程中，探索出一套完整的交通組織BIM應用流程，并研究在流程中如何快速建立交通組織BIM模型、如何實現針對交通組織的4D-BIM平臺功能，保證了交通組織的BIM應用在依托項目中的順利實施。最終實現了改進交通組織建模方法、提高交通組織BIM應用的工作效率，并通過研發平臺利用4D-BIM時間軸的特性有效提高了交通組織設計與管理過程中的溝通效率。另一方面，對改擴建交通組織BIM應用關鍵技術的研究也為將來的BIM正向設計提供了數字化基礎，為改擴建交通組織的數字化與BIM正向設計提供技術支持。