改扩建交通组织BIM应用关键技术研究

熊子瑜 郑璐瑶 王欣南

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司 武汉 430056)

随着汽车拥有量的增加，交通量的快速增长，早期建成的高速公路不同程度地出现了通行能力不足或服务水平下降等现象，甚至造成交通堵塞，而人们对美好出行的向往与通行能力与服务水平不足之间的矛盾，促进了高速公路改扩建项目的增多。由于高速公路改扩建区域的工程环境十分复杂，对改扩建区域进行施工时，过往的通行车辆都会受到作业区内的工程人员、施工设施、工程维护的影响，如果交通组织不合理会导致作业区道路的通行能力大大降低，进而造成安全隐患，所以交通组织对于高速公路改扩建项目相当重要。但由于交通组织与时间关系更密切，与传统土建设计相比设计成果不易表达，交通组织控制因素多，设计难度大，开展相关的研究是客观需要。

在过去很长一段时间，我国学者结合国内重大改扩建项目对交通组织设计方法及交通流分析等基础问题进行了大量研究[1-3]并使得改扩建交通组织逐渐规范化[4-5]。近年来在交通组织的研究中融合了越来越多的新技术，如利用仿真软件研究了施工作业区安全和交通影响最大的上游过渡区最优长度[6-8]，以及将BIM技术应用于交通导改施工模拟进行方案验证[9-10]，这些研究为交通组织研究的方向提供了新的思路，也为利用这些新技术进行交通组织研究提供了技术基础。

本研究拟结合已有BIM技术与改扩建交通组织，探索利用BIM技术提高交通组织设计与方案沟通效率，保证方案落实降低项目风险的应用方法，提出解决该应用方法中存在的关键技术，并结合依托项目对关键技术进行验证。以期为将来交通组织BIM正向设计研究的开展提供基础。

1 研究目标

现阶段国内对改扩建高速公路交通组织设计越来越重视。通常情况下交通组织设计是作为专项存在的，但受限于传统工具与表达方式的限制，交通组织设计仍然难以落实，其中存在的主要问题如下。

1) 二维图纸难以表达设计成果，设计思路及意图不易被其他单位所理解。交通组织改扩建涉及相关单位众多，设计方案需要和业主、交警、设计单位、施工单位、地方政府等部门反复沟通。而交通组织是一个根据时间空间不断变化的过程，导致方案难以被参与单位理解，造成方案的反复从而浪费大量时间。

2) 交通组织数字化程度低，结合已有的交通组织BIM应用经验，目前交通和组织BIM应用过程中人工工作量占比较高，通过手工建模不仅效率低下，而且不利于数据的标准化从而影响数据的传递。

通过对现阶段存在的问题进行调研及分析后，初步明确了以下BIM应用流程。

1) 建立交通组织BIM模型。

2) 生成车辆行驶路径。

3) 制作交通组织方案属性表。

4) 4D-BIM平台中导入BIM模型、车辆行驶路径及交通组织方案属性表。

5) 接入现场摄像头。

6) 利用4D-BIM平台进行方案沟通，并结合摄像头进行现场方案控制。

对于该流程的实施，存在着土建BIM建模方式及4D-BIM技术不适用交通组织的问题。为保证BIM应用流程的顺利进行，本文拟研究交通组织临时设施模型的快速建立及交通组织交通流模型的快速建立这2个关键技术用于确保交通组织BIM模型的快速建立，以及甘特图的自动生成、模型的更新机制、行车模型的展示这3个关键技术用于交通组织的4D展示。

2 BIM应用关键技术研究

2.1 交通组织BIM建模及数据传递

2.1.1交通组织临时设施模型的快速建立

相比土建BIM模型，交通组织临时设施BIM模型具有标准化程度更低、项目间差异更大的特点，因此交通组织临时设施BIM模型需要采用更加灵活的快速建模方法。本文通过研究采取以下方法提高快速建模方法的适用性。

1) 交通组织BIM模型标准构件的分离。传统BIM模型的参数化建模方式，在调研交通组织特点的基础上采用了分离版面构件、模型构件及逻辑构件的方式，在兼顾易用性的同时提升灵活度。其中，通过自定义版面构件可以扩展临时标牌的版面内容、临时设施的图案等，通过自定义模型构件可以扩展BIM模型的样式，如临时标牌样式、锥形桶样式、防撞护栏样式等，通过自定义逻辑构件可以扩展BIM模型的布设规则。大部分情况只需要对版面构件及模型构件进行自定义即可满足项目应用需求。版面的自定义可通过绘图软件制作高清版面的图片导入构件库即可，对于模型构件的自定义需通过建模软件制作对应模型导入构件库，需要注意的是模型必须为Acis模型，其他格式的模型需要先进行转换，各类型构件及创建方式见表1。

表1 各类型构件及创建方式

逻辑构件的制作比较复杂，需要利用C#的反射特性。反射是一种计算机处理方式，具有程序可访问、检测和修改它本身状态或行为的能力，可提供封装程序集、类型的对象。在主程序中对构件抽象类进行定义，包括基本信息、用户端参数、参数转换内部变量、建模及输出参数5个部分，基本信息包括构件名称、构件类型、创建人等基本信息，参数有路线、版面构件、枚举、文字、数字几种类型，需要说明的是路线参数会自动对接至路线专家设计线中，同时用户界面中会自动生成路线下拉框，版面则会连接至版面构件库，并在用户端生成下拉框。同时主程序按照读取基本信息、读取用户端参数、执行参数转换、执行建模、执行输出参数并写入Xdata的流程执行抽象类中的方法。

在自定义的动态链接库中需要对构件的抽象类进行继承并按照需要重写所需的方法，编译得到最后的构件库。

2) 与路线数据进行对接。由于交通组织与路线数据联系紧密，因此引入了路线专家系统的API，在构件中可以使用路线项目文件中路线数据，包括平纵横及互通连接部。极大地减少了人工填写的工作量。

3) 通过数据库保存构件数据。为保证可参数化的修改模型及数据可参与后续的BIM应用，引入了数据库用于储存已经建立的数据。数据库中包含一个总表用于储存构件的基本信息，另外根据每个构件会自动创建一张表，该表除了参数以外，通过GUID与模型进行绑定，数据库数据类型与构件中参数类型的对应有如下关系，路线通过读取路线的GUID保存至数据库中，版面通过读取文件名进行保存，枚举及文字以字符串的形式进行保存，数字则保存为数值型数据。

2.1.2交通组织交通流模型的快速建立

通过研究最终确定了的交通流模型生成总体流程见图1，其中全线分段、互通中生成节点与段落、互通内路径搜索等部分为流程中的重点部分。

图1 交通流信息生成主要流程

1) 全线分段。对于全项目，首先需要分为互通段落与非互通段落2个部分，其分段示意见图2。需要说明的是，对于一般路段需要提取横断面数据并解析出车道参数，即可生成对应的交通流信息。

图2 全线分段示意

2) 互通内部节点与段落生成。互通段落相对比较复杂，首先需要确定互通中的节点，包括分流点、合流点及顺接点，之后读取节点与节点之间的段落信息，包括设计线与起终点桩号。以某落地互通为例，可分解成见图3的形式。整理后其详细信息见表2。

图3 互通分段示例

表2 分段段落表

3) 计算行车路径经过的段落。将连接起始节点及终止节点的路段填入对应的位置形成如图4所示矩阵，这里以K始为起点为例，在矩阵上利用递归进行搜索，可搜索得到以K始为起点经过的2条路径见图4，分别为K始至K终的YK0-YK1-YK2及K始至A的YK0-B-ZA1-ZA02条路径。

图4 路径寻路

最后，计算出每个段落中的交通流信息，依照上一步中搜索得到的路径进行合并，得到整个互通的交通流信息。最后连接互通与一般路段的交通流信息，得到最终成果。之后将最终的交通流信息导入到后续的4D展示平台中形成行车流模型。

2.2 4D展示

4D-BIM的重点在于时间轴与BIM模型的关联，通过对业务需求进行调研，明确了通过甘特图进行交通组织时间属性展示的方法。为保证甘特图的自动化创建、BIM模型与时间轴关联，以及利用路径文件生成行车流模型的功能，主要使用了以下技术。

2.2.1甘特图的生成

甘特图(gantt chart)又称为横道图、条状图(bar chart)。其通过条状图来显示项目、进度和其他时间相关的系统进展内在关系随着时间进展的情况。在4D-BIM平台研发中选择通过表格的方式生成甘特图。表格需要包含以下属性，见图5、图6。

图5 交通组织临时设施表内容

图6 交通组织行车路径表内容

对于模型的甘特图，需要读取ID生成对应的行，并读取起止时间，将甘特图对应时间范围内的方块颜色转换为模拟方式对应的颜色。对于行车的甘特图，需要读取行车方向类型生成对应的列，类似的，需要读取起止时间将对应时间的方块转换成状态对应的颜色。

2.2.2基于着色器的模型更新机制研究

通过梳理应用场景，得到如下几种模拟方式：1)自上而下消失(拆除)；2)自下而上生长(构建)；3)突然出现；4)突然消失；5)延路线生长；6)延路线消失。由于与时间轴关联的模型数量较大，按已有通过布尔运算更新模型的技术方法会导致系统卡顿，因此采用编写着色器的方法进行模型的更新，模型裁剪示意如图7。原理是通过计算来判断模型表面的像素是否被裁剪，具体的计算判断方法如下。

图7 模型裁剪示意

1) 计算顶点与切割平面之间的向量v，图7中v1～v4。

2) 将向量v1、v2与切割平面的法向量n点乘。

3) 将向量v3、v4与切割平面的法向量n点乘。

若v1、v2与n点乘的结果均大于0，应该被裁剪，而v3、v4所对应的顶点则没有被裁剪。

基于上述的算法编写如图8所示基于着色器的渲染流程，实现BIM模型可通过拖动时间轴动态更新的功能。

图8 基于着色器的渲染流程

2.2.3行车模型的展示

在实际操作过程中，行车模型展示出现了以下问题。

1) 数据量大，数据读入缓慢。

2) 场景中的对象过多，导致渲染性能急剧下降。

3) 大量线程会引起GC，会消耗大量内存。

为保证程序运行的效率，采用了多线程式数据导向型技术堆栈技术，充分利用CPU及GPU的多核心性能，并以ECS(ntity-component-system)框架实现行车模型的展示。

在本项目中，每个车辆都是实体，但是实体在没有添加组件之前都只当做单纯的实体，并没有数据；组件用于存放数据，主要包括车辆序号、车辆类型、车辆在任意时刻的位置及方向，大部分种类的组件都是实现组件数据接口，同时注意的是，组件必须是结构体，而且不能包含引用类型数据；系统模块用来实现具体逻辑，在该项目中系统模块包含实体创建系统、实体销毁系统、车辆运动系统和交互系统。

3 项目验证

3.1交通组织BIM模型库的建立

结合依托项目交通组织实际情况，依照上述关键技术研究确定的标准，创建临时标志、临时标线、临时隔离防护、其他临时设施4个大类共20余种逻辑构件，创建临时指路标志、作业区标志、路段警告辅助标志、路网临时标志4个大类，共19种版面构件以及创建了锥形桶、移动标志牌、防撞护栏、水马等10余种结构构件。并利用上述关键技术研究成果开发相应的建模工具完成依托项目交通组织模型的快速化创建工作。

另一方面，结合关键技术的研究成果直接利用路线设计的数据快速生成了交通流信息。

3.2 交通组织方案属性的导入

结合依托项目交通组织方案，按照上文所述的数据结构，编制应用于甘特图生成所用的表格。节选见表3、表4。

表3 交通组织临时设施表节选

表4 交通组织行车路径表节选

3.3 方案的4D展示

在完成交通组织建模后，需要将建立好的BIM模型、交通流信息及属性表整合进平台。在平台中顺利生成甘特图，并可通过拖动甘特图相应的改变交通流模型及BIM模型。通过项目打包操作形成最终的4D-BIM成果交付使用。4D-BIM平台见图9。

图9 4D-BIM平台

由实例可见，利用交通组织BIM平台具有时间轴的优势，能直观地表达设计方案，切实提高各单位在实际工作中的沟通效率，同时实时的行驶车辆模型也将交通量、道路拥堵情况、服务水平等指标从数字转变成为直观的认知，提高了各单位人员对设计方案的理解。

4 结语

本文在结合依托项目进行研究的过程中，探索出一套完整的交通组织BIM应用流程，并研究在流程中如何快速建立交通组织BIM模型、如何实现针对交通组织的4D-BIM平台功能，保证了交通组织的BIM应用在依托项目中的顺利实施。最终实现了改进交通组织建模方法、提高交通组织BIM应用的工作效率，并通过研发平台利用4D-BIM时间轴的特性有效提高了交通组织设计与管理过程中的沟通效率。另一方面，对改扩建交通组织BIM应用关键技术的研究也为将来的BIM正向设计提供了数字化基础，为改扩建交通组织的数字化与BIM正向设计提供技术支持。