基于BIM技術(shù)的碰撞檢測方法優(yōu)化研究

馬林軍，黃 偉，原志寧，鐘婷婷

（1.寧夏交通建設(shè)股份有限公司，寧夏 銀川 750004；2.浙江省建投交通基礎(chǔ)建設(shè)集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310012）

0 引言

碰撞檢測所依托的基本原則是在一個(gè)相同的空間區(qū)域內(nèi)不能共存兩個(gè)及以上不可穿透的封閉對(duì)象，所以檢測目的是判定在所檢區(qū)域內(nèi)是否存在物體發(fā)生空間沖突[1]。碰撞檢測主流方法為基于物體空間的檢測算法，是利用物體三維幾何特性進(jìn)行判斷，BIM技術(shù)本身所具有的建模邏輯和可視化特性能夠完美支持此檢測方法。而橋梁工程中存在較多的異形結(jié)構(gòu)和鋼混結(jié)合段，碰撞問題不可避免并會(huì)在施工階段產(chǎn)生較多變更造成資源和時(shí)間的浪費(fèi)。因此，對(duì)橋梁工程進(jìn)行基于BIM技術(shù)的碰撞檢測應(yīng)用及方法優(yōu)化研究意義重大。鑒于此，本文基于Bentley平臺(tái)的Navigator軟件，結(jié)合靜態(tài)、偽動(dòng)態(tài)和動(dòng)態(tài)碰撞檢測理論對(duì)碰撞檢測方法進(jìn)行優(yōu)化并應(yīng)用于某橋梁工程。結(jié)果表明，方法優(yōu)化后可大幅降低運(yùn)算量，并提高檢測效率。

1 碰撞檢測方法優(yōu)化研究

本文基于BIM技術(shù)的碰撞檢測可分為兩個(gè)過程，一是依托Micro Station所建橋梁模型在Navigator中進(jìn)行靜態(tài)碰撞檢測，二是考慮時(shí)間因素的工作空間碰撞檢測。在BIM碰撞檢測功能基礎(chǔ)上結(jié)合時(shí)間域分類下的3種碰撞檢測理論進(jìn)行方法優(yōu)化主要是為解決靜態(tài)檢測運(yùn)算量大和偽動(dòng)態(tài)檢測下的碰撞遺漏問題。

1.1 碰撞檢測算法及應(yīng)用

在時(shí)間域分類下，碰撞檢測可分為靜態(tài)、偽動(dòng)態(tài)和動(dòng)態(tài)3種模式。靜態(tài)碰撞檢測是判定對(duì)象在某一固定時(shí)間點(diǎn)是否與所檢區(qū)域內(nèi)其他對(duì)象相交，不考慮實(shí)時(shí)性。動(dòng)態(tài)碰撞檢測是檢測在一個(gè)連續(xù)時(shí)間[t0，tn]上對(duì)象掃過的空間是否與環(huán)境中其他物體相沖突，考慮四維時(shí)空問題且要求精確建模。偽動(dòng)態(tài)碰撞檢測是根據(jù)運(yùn)動(dòng)路線判斷對(duì)象在時(shí)間點(diǎn)t0，t1，…，tn上的離散點(diǎn)處是否存在與其他對(duì)象的碰撞。空間域分類中基于物體空間的碰撞檢測方法最適用于天然具有的三維幾何可視化和自動(dòng)計(jì)算優(yōu)勢的BIM技術(shù)。在物體空間碰撞檢測方法中，層次包圍盒樹法通過對(duì)區(qū)域中待檢對(duì)象創(chuàng)建層次包圍盒樹來減少精確求交的物體數(shù)來實(shí)現(xiàn)運(yùn)算的簡化[2]。包圍盒樹有層次包圍球樹、AABB包圍盒、OBB層次樹等。

現(xiàn)階段的橋梁建筑逐漸出現(xiàn)了更多的異形復(fù)雜結(jié)構(gòu)，施工組織也更為繁瑣，因此提高碰撞檢測技術(shù)的實(shí)時(shí)性是領(lǐng)域內(nèi)學(xué)者研究的核心問題。基于BIM軟件系統(tǒng)的碰撞檢查能夠很好地解決這一問題。其碰撞檢測步驟可分為粗篩和詳檢兩步，即先采用掠掃法將對(duì)象的包圍體降維投影進(jìn)行堆疊檢測，排除空間中顯然不會(huì)相交的幾何構(gòu)件；再應(yīng)用包圍盒樹法遞歸分解模型對(duì)象，檢測出各個(gè)層次節(jié)點(diǎn)的包圍體相交狀況。

基于BIM軟件系統(tǒng)的碰撞檢測類型主要分為以下4種：

（1）硬碰撞：幾何圖形沖突且相交深度大于設(shè)定公差。

（2）硬碰撞（保守）：進(jìn)行模型包圍體交互檢測，相對(duì)第一種方法更加安全。

（3）間隙碰撞：根據(jù)所設(shè)定公差檢測模型間小于該規(guī)定值的相離、相交（包括硬碰撞）均為碰撞。

（4）軟碰撞：對(duì)運(yùn)動(dòng)中的模型對(duì)象進(jìn)行潛在碰撞檢測，即檢測算法中的偽動(dòng)態(tài)及動(dòng)態(tài)檢測方法。

經(jīng)過兩大步驟和四類碰撞檢測方法的結(jié)合應(yīng)用，即可得到模型中接觸點(diǎn)、穿刺深度等碰撞信息。但這些還是以靜態(tài)檢測結(jié)果為主，在進(jìn)行軟碰撞檢測（此處特指動(dòng)態(tài)碰撞檢測）時(shí)，運(yùn)算量過大導(dǎo)致實(shí)時(shí)性很差。因此，需要針對(duì)偽動(dòng)態(tài)檢測碰撞遺漏問題進(jìn)行優(yōu)化研究。

1.2 基于BIM技術(shù)的檢測方法優(yōu)化

進(jìn)行碰撞檢測方法的優(yōu)化主要是為了減少檢測中不必要的數(shù)據(jù)計(jì)算。對(duì)靜態(tài)碰撞檢測而言，最佳優(yōu)化方法為球體覆蓋法。對(duì)偽動(dòng)態(tài)碰撞檢測而言，運(yùn)動(dòng)間隙填充是最為有效的方法[3]。球體覆蓋法即在對(duì)象外包裹可達(dá)到的半徑最小的球體，并判斷兩個(gè)覆蓋球之間是否相交，并在相交后將單獨(dú)大球體縮小為系列小球體，不斷分割檢測，直到得到滿意的近似值。運(yùn)動(dòng)間隙填充法針對(duì)偽動(dòng)態(tài)碰撞檢測中離散點(diǎn)之間由于“細(xì)節(jié)丟失”問題而導(dǎo)致碰撞遺漏的問題，通過建立圍繞物體所經(jīng)過空間的凸殼代替實(shí)體的四維形狀。利用凸殼進(jìn)行運(yùn)動(dòng)間隙填充并利用OBB層次樹進(jìn)行碰撞檢測的優(yōu)化方法步驟如下：

（1）計(jì)算并建立所檢測對(duì)象的凸殼。

（2）假設(shè)可以得到n個(gè)三角形并記為Δpkqk rk，pk、qk、rk分別是三角形k的3個(gè)頂點(diǎn)，k=1，2，3，…，n。

（3）三角形k的質(zhì)心mk為：

（4）整個(gè)凸殼的質(zhì)心mH為所有三角形質(zhì)心的加權(quán)平均值，可記為：

式中：mH為整個(gè)凸殼的質(zhì)心；aH為凸殼總面積；ak為三角形k的面積；mk為三角形k的質(zhì)心。

（5）通過計(jì)算3×3協(xié)方差矩陣c的特征向量即可得到所求包圍盒的方向向量：

（6）特征向量歸一化計(jì)算得到OBB層次樹的方向向量au、av和aw，找到OBB的中心及半徑并計(jì)算凸殼上的點(diǎn)在向量方向上的投影大小，確定每個(gè)方向上的最大值和最小值后即可得到包圍盒的大小和位置。

對(duì)于偽動(dòng)態(tài)碰撞檢測來說，基于BIM軟件平臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)間隙填充方法優(yōu)化后，解決了其碰撞遺漏問題，從而能夠充分發(fā)揮BIM模型在施工組織和時(shí)空沖突檢測中的應(yīng)用優(yōu)勢，使得碰撞檢測方法框架更加全面。

2 優(yōu)化碰撞檢測方法實(shí)現(xiàn)

2.1 Navigator軟件介紹

由美國Bentley System公司開發(fā)的Bentley Navigator軟件集成了Bentley Interference Manager(Bentley碰撞檢測管理器),可實(shí)現(xiàn)對(duì)PlantSpace模型硬碰撞和軟碰撞的檢測、查看和管理功能。另外，還可以對(duì)其他各種商業(yè)軟件所創(chuàng)建的3D模型進(jìn)行碰撞檢測,如PDS、AutoPLANT或者其他相關(guān)的Micro-Station或AutoCAD等應(yīng)用程序。經(jīng)過多年的發(fā)展,Bentley Navigator軟件不斷迭代更新，朝著更加人性化的方向發(fā)展。在Bentley Navigator軟件中使用Interference Manager可以實(shí)時(shí)查看碰撞的情況,快速找到并鎖定碰撞沖突。設(shè)計(jì)人員可在虛擬環(huán)境中模擬項(xiàng)目場景,解決碰撞沖突,提高設(shè)計(jì)質(zhì)量,減少廢棄工程,節(jié)約工程投資,并衍生出更高的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 優(yōu)化碰撞檢測方法實(shí)現(xiàn)

將待檢測的模型導(dǎo)入Navigator軟件并設(shè)定碰撞邊界條件,選定待檢測構(gòu)件，程序根據(jù)優(yōu)化方法自動(dòng)計(jì)算OBB層次樹的方向向量au、av和aw，找到OBB的中心及半徑并計(jì)算凸殼上的點(diǎn)在向量方向上的投影大小，確定每個(gè)方向上的最大值和最小值后即可得到包圍盒的大小和位置，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件碰撞檢查,找出沖突點(diǎn)在構(gòu)件的精確位置及參數(shù)信息。

3 工程實(shí)例

中衛(wèi)南站黃河大橋，起點(diǎn)位于中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)平安西路與機(jī)場大道平交口處，終點(diǎn)K2+800位于黃河南岸，與吳忠至中衛(wèi)城際鐵路中衛(wèi)南站路網(wǎng)相連。線路走向基本由北向南，項(xiàng)目路線全長1.84 km，雙向4車道一級(jí)公路。其中，橋梁長1.049 km，按城市主干路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)速度60 km/h。全橋共有裝配式T梁橋、變截面連續(xù)箱梁橋、鋼混組合梁、拱梁組合體系4種類型。它的主橋設(shè)計(jì)是跨越黃河主航道的異形鋼拱橋和（80+120+80）m預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁。中衛(wèi)南站黃河大橋三維效果如圖1所示。

圖1 中衛(wèi)南站黃河大橋三維效果圖

基于Navigator軟件對(duì)已建LOD400精度等級(jí)主橋模型進(jìn)行靜態(tài)和偽動(dòng)態(tài)碰撞檢測，得到如下檢測結(jié)果。

3.1 靜態(tài)碰撞檢測

首先通過粗篩排除無碰撞可能部分，接著利用包圍盒樹法對(duì)易碰撞對(duì)象進(jìn)行詳檢。本工程中，上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)之間不存在碰撞可能，通過粗篩直接排除。詳檢階段檢測得到：（1）18#預(yù)制混凝土梁段中，預(yù)應(yīng)力鋼束TG2、TG3、TH2暴露于混凝土外部。（2）主拱左右拱肋交匯區(qū)出現(xiàn)大量碰撞，部分碰撞信息見表1。（3）鋼混結(jié)合段#18、#17南、北部普通鋼筋與鋼束碰撞。（4）V腿鋼筋與#17梁段普通鋼筋碰撞。（5）V腿鋼筋與#17梁段預(yù)應(yīng)力鋼束碰撞。（6）副拱吊桿底點(diǎn)與錨固之間普遍發(fā)生偏心碰撞。

表1 主拱左、右拱肋部分碰撞信息

3.2 偽動(dòng)態(tài)碰撞檢測

對(duì)本工程進(jìn)行偽動(dòng)態(tài)碰撞檢測，分析發(fā)現(xiàn)吊裝施工侵占了航道并在某時(shí)間段內(nèi)與往來的船舶之間發(fā)生位置沖突。針對(duì)此軟碰撞沖突問題，先在環(huán)境地物模型中標(biāo)示航道確切位置，再在Navigator中根據(jù)海事機(jī)構(gòu)提供的通航時(shí)間和施工組織計(jì)劃中的施工時(shí)間鏈接入動(dòng)畫中進(jìn)行基于時(shí)間變化的通航動(dòng)畫模擬，記錄下沖突時(shí)間段并進(jìn)行施工計(jì)劃調(diào)整或報(bào)告航道部門采取通航管制措施。

4 結(jié) 論

本文基于BIM軟件本身的碰撞檢測功能對(duì)靜態(tài)及偽動(dòng)態(tài)下的碰撞檢測方法進(jìn)行了優(yōu)化研究，并將優(yōu)化后的方法應(yīng)用于實(shí)際橋梁工程中。實(shí)踐表明，優(yōu)化后的方法具有更高的運(yùn)算效率并較好地解決了離散時(shí)間點(diǎn)下的碰撞遺漏問題，為碰撞檢測與BIM技術(shù)的結(jié)合研究提供了新的思路。