基于BIM技術的碰撞檢測方法優化研究

馬林軍，黃 偉，原志寧，鐘婷婷

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

0 引言

碰撞檢測所依托的基本原則是在一個相同的空間區域內不能共存兩個及以上不可穿透的封閉對象，所以檢測目的是判定在所檢區域內是否存在物體發生空間沖突[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行判斷，BIM技術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構和鋼混結合段，碰撞問題不可避免并會在施工階段產生較多變更造成資源和時間的浪費。因此，對橋梁工程進行基于BIM技術的碰撞檢測應用及方法優化研究意義重大。鑒于此，本文基于Bentley平臺的Navigator軟件，結合靜態、偽動態和動態碰撞檢測理論對碰撞檢測方法進行優化并應用于某橋梁工程。結果表明，方法優化后可大幅降低運算量，并提高檢測效率。

1 碰撞檢測方法優化研究

本文基于BIM技術的碰撞檢測可分為兩個過程，一是依托Micro Station所建橋梁模型在Navigator中進行靜態碰撞檢測，二是考慮時間因素的工作空間碰撞檢測。在BIM碰撞檢測功能基礎上結合時間域分類下的3種碰撞檢測理論進行方法優化主要是為解決靜態檢測運算量大和偽動態檢測下的碰撞遺漏問題。

1.1 碰撞檢測算法及應用

在時間域分類下，碰撞檢測可分為靜態、偽動態和動態3種模式。靜態碰撞檢測是判定對象在某一固定時間點是否與所檢區域內其他對象相交，不考慮實時性。動態碰撞檢測是檢測在一個連續時間[t0，tn]上對象掃過的空間是否與環境中其他物體相沖突，考慮四維時空問題且要求精確建模。偽動態碰撞檢測是根據運動路線判斷對象在時間點t0，t1，…，tn上的離散點處是否存在與其他對象的碰撞?？臻g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計算優勢的BIM技術。在物體空間碰撞檢測方法中，層次包圍盒樹法通過對區域中待檢對象創建層次包圍盒樹來減少精確求交的物體數來實現運算的簡化[2]。包圍盒樹有層次包圍球樹、AABB包圍盒、OBB層次樹等。

現階段的橋梁建筑逐漸出現了更多的異形復雜結構，施工組織也更為繁瑣，因此提高碰撞檢測技術的實時性是領域內學者研究的核心問題?；贐IM軟件系統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象的包圍體降維投影進行堆疊檢測，排除空間中顯然不會相交的幾何構件；再應用包圍盒樹法遞歸分解模型對象，檢測出各個層次節點的包圍體相交狀況。

基于BIM軟件系統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定公差。

（2）硬碰撞（保守）：進行模型包圍體交互檢測，相對第一種方法更加安全。

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

（4）軟碰撞：對運動中的模型對象進行潛在碰撞檢測，即檢測算法中的偽動態及動態檢測方法。

經過兩大步驟和四類碰撞檢測方法的結合應用，即可得到模型中接觸點、穿刺深度等碰撞信息。但這些還是以靜態檢測結果為主，在進行軟碰撞檢測（此處特指動態碰撞檢測）時，運算量過大導致實時性很差。因此，需要針對偽動態檢測碰撞遺漏問題進行優化研究。

1.2 基于BIM技術的檢測方法優化

進行碰撞檢測方法的優化主要是為了減少檢測中不必要的數據計算。對靜態碰撞檢測而言，最佳優化方法為球體覆蓋法。對偽動態碰撞檢測而言，運動間隙填充是最為有效的方法[3]。球體覆蓋法即在對象外包裹可達到的半徑最小的球體，并判斷兩個覆蓋球之間是否相交，并在相交后將單獨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。運動間隙填充法針對偽動態碰撞檢測中離散點之間由于“細節丟失”問題而導致碰撞遺漏的問題，通過建立圍繞物體所經過空間的凸殼代替實體的四維形狀。利用凸殼進行運動間隙填充并利用OBB層次樹進行碰撞檢測的優化方法步驟如下：

（1）計算并建立所檢測對象的凸殼。

（2）假設可以得到n個三角形并記為Δpkqk rk，pk、qk、rk分別是三角形k的3個頂點，k=1，2，3，…，n。

（3）三角形k的質心mk為：

（4）整個凸殼的質心mH為所有三角形質心的加權平均值，可記為：

式中：mH為整個凸殼的質心；aH為凸殼總面積；ak為三角形k的面積；mk為三角形k的質心。

（5）通過計算3×3協方差矩陣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的中心及半徑并計算凸殼上的點在向量方向上的投影大小，確定每個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。

對于偽動態碰撞檢測來說，基于BIM軟件平臺進行運動間隙填充方法優化后，解決了其碰撞遺漏問題，從而能夠充分發揮BIM模型在施工組織和時空沖突檢測中的應用優勢，使得碰撞檢測方法框架更加全面。

2 優化碰撞檢測方法實現

2.1 Navigator軟件介紹

由美國Bentley System公司開發的Bentley Navigator軟件集成了Bentley Interference Manager(Bentley碰撞檢測管理器),可實現對PlantSpace模型硬碰撞和軟碰撞的檢測、查看和管理功能。另外，還可以對其他各種商業軟件所創建的3D模型進行碰撞檢測,如PDS、AutoPLANT或者其他相關的Micro-Station或AutoCAD等應用程序。經過多年的發展,Bentley Navigator軟件不斷迭代更新，朝著更加人性化的方向發展。在Bentley Navigator軟件中使用Interference Manager可以實時查看碰撞的情況,快速找到并鎖定碰撞沖突。設計人員可在虛擬環境中模擬項目場景,解決碰撞沖突,提高設計質量,減少廢棄工程,節約工程投資,并衍生出更高的經濟效益。

2.2 優化碰撞檢測方法實現

將待檢測的模型導入Navigator軟件并設定碰撞邊界條件,選定待檢測構件，程序根據優化方法自動計算OBB層次樹的方向向量au、av和aw，找到OBB的中心及半徑并計算凸殼上的點在向量方向上的投影大小，確定每個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，實現構件碰撞檢查,找出沖突點在構件的精確位置及參數信息。

3 工程實例

中衛南站黃河大橋，起點位于中衛市沙坡頭區平安西路與機場大道平交口處，終點K2+800位于黃河南岸，與吳忠至中衛城際鐵路中衛南站路網相連。線路走向基本由北向南，項目路線全長1.84 km，雙向4車道一級公路。其中，橋梁長1.049 km，按城市主干路標準建設，設計速度60 km/h。全橋共有裝配式T梁橋、變截面連續箱梁橋、鋼混組合梁、拱梁組合體系4種類型。它的主橋設計是跨越黃河主航道的異形鋼拱橋和（80+120+80）m預應力混凝土變截面連續箱梁。中衛南站黃河大橋三維效果如圖1所示。

圖1 中衛南站黃河大橋三維效果圖

基于Navigator軟件對已建LOD400精度等級主橋模型進行靜態和偽動態碰撞檢測，得到如下檢測結果。

3.1 靜態碰撞檢測

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易碰撞對象進行詳檢。本工程中，上部結構與下部結構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#預制混凝土梁段中，預應力鋼束TG2、TG3、TH2暴露于混凝土外部。（2）主拱左右拱肋交匯區出現大量碰撞，部分碰撞信息見表1。（3）鋼混結合段#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梁段預應力鋼束碰撞。（6）副拱吊桿底點與錨固之間普遍發生偏心碰撞。

表1 主拱左、右拱肋部分碰撞信息

3.2 偽動態碰撞檢測

對本工程進行偽動態碰撞檢測，分析發現吊裝施工侵占了航道并在某時間段內與往來的船舶之間發生位置沖突。針對此軟碰撞沖突問題，先在環境地物模型中標示航道確切位置，再在Navigator中根據海事機構提供的通航時間和施工組織計劃中的施工時間鏈接入動畫中進行基于時間變化的通航動畫模擬，記錄下沖突時間段并進行施工計劃調整或報告航道部門采取通航管制措施。

4 結 論

本文基于BIM軟件本身的碰撞檢測功能對靜態及偽動態下的碰撞檢測方法進行了優化研究，并將優化后的方法應用于實際橋梁工程中。實踐表明，優化后的方法具有更高的運算效率并較好地解決了離散時間點下的碰撞遺漏問題，為碰撞檢測與BIM技術的結合研究提供了新的思路。