BIM+VR 技术在道路设计中的应用研究

方白杨

（湖北省城建设计院股份有限公司,湖北 武汉 430051）

0 引言

随着我国信息技术的快速发展，传统道路设计方式由二维平面设计向着三维立体化、多专业化融合方向转化，进而给道路设计带来严峻的挑战。BIM+VR 技术在此背景下应运而生，其涵盖智能化水平高、可视化功能强和三维协同设计等优点。BIM+VR 技术以道路立交设计、高校路桥三维建模功能以及仿真模拟技术为基础，在路桥设计工作领域拥有较高认可度，其也为路桥设计环节广泛应用做好充分准备。

1 BIM+VR 相关概念

BIM+VR[1]（Building Information Modeling in Virtual Reality）是一种将建筑信息建模（BIM）技术与虚拟现实（VR）技术相结合的创新方法，旨在弥补传统BIM 技术和VR 技术各自的不足之处，为建筑行业带来全新的体验和应用可能性。通过将BIM 平台上的建筑数据和模型上传到VR 平台，BIM+VR 允许用户进入虚拟环境中，亲身体验和观察建筑物的全貌，从而实现更为沉浸式的建筑项目交流和决策过程。在传统的BIM 技术中，建筑模型可以被创建、编辑和共享，但通常是在二维或三维的计算机界面中展示。这样的展示方式虽然已经极大地改善了设计和施工过程的效率，但仍然存在一定局限性，特别是在与非专业人员或普通公众的交流中。一般人难以从平面图或简单的三维模型中准确理解建筑设计的细节和空间感。这时，虚拟现实技术的引入为BIM 技术带来了新的发展方向。

通过BIM+VR，建筑模型可以被转化为虚拟现实场景，用户可以穿着VR 头盔或使用手持设备进入虚拟环境中，仿佛身临其境地走进建筑物内部和周围空间。这种沉浸式的交互体验不仅有助于专业人员更好地理解设计意图和空间布局，还能让一般公众更直观地感受到建筑的外观和功能。这样的交流方式有助于提高项目参与者之间的沟通效率，减少误解和错误理解，从而更好地推动建筑项目的进展。除了交流和决策方面的优势，BIM+VR 还在建筑项目的可视化和协作方面发挥着重要作用。通过VR 技术，建筑团队成员可以在虚拟环境中共同编辑和操控建筑模型，实时查看其他成员的修改和意见反馈。这种实时协作和共同决策的方式加强了建筑团队的合作，提高了项目的执行效率，有助于快速解决问题和优化设计。

综合而言，BIM+VR 作为一种融合技术，为建筑行业带来了前所未有的创新体验和交流方式。通过将BIM的信息丰富性与虚拟现实的沉浸式体验相结合，BIM+VR使得建筑项目的可视化、交流和协作更加高效和直观。随着虚拟现实技术的不断发展和普及，相信BIM+VR 将在未来持续发挥重要作用，推动建筑行业迈向数字化和智能化的新阶段。

2 三维虚拟现实技术的道路交通设计内容

2.1 模拟实验方法及数据挖掘技术

模拟实验方法和数据挖掘技术在3D 虚拟现实技术的道路交通设计中扮演着重要角色。该方法利用虚拟现实技术构建道路、驾驶员、车辆和周围环境等虚拟模型，并通过真人模拟驾驶等方式还原不同道路驾驶场景，全面统计车辆特性、驾驶员行为特征和道路设计参数等数据。在3D 虚拟现实技术中，模拟实验方法是基于计算机生成的仿真环境，用于进行交通场景的模拟实验，不仅减少实地试验成本和时间，还可创建复杂驾驶场景，包括不同道路类型、交通流量、天气条件等。通过在虚拟环境中模拟真实驾驶行为，研究人员能够收集大量数据，并分析驾驶员的反应、行为和决策。数据挖掘技术在其中起着关键作用。通过在虚拟驾驶场景中收集大量数据，研究人员可以利用数据挖掘技术来分析和挖掘隐藏在数据背后的有价值信息。这些信息涵盖驾驶员的操作习惯、交通流量变化、车辆特性表现等方面。数据挖掘技术帮助研究人员从海量数据中提取有意义的模式和规律，指导道路交通设计的优化和改进。在模拟实验方法和数据挖掘技术支持下，道路交通设计客观全面地进行评估。研究人员通过对虚拟驾驶场景中各种因素进行调整和变化，研究不同设计方案效果。例如，模拟不同交叉口设计、不同道路标线设置、不同交通信号灯配时等，通过数据挖掘技术分析交通流量、安全性和效率等方面的表现。

具体实验数据可作如下参考（如表1 所示）：

表1 道路交通安全模拟实验数据

综上所述，模拟实验方法和数据挖掘技术在三维虚拟现实技术的道路交通设计中具有重要意义。这些方法的应用有望推动道路交通设计领域的进步，并为建设更安全、高效和智能化的道路交通系统提供有力支持。

2.2 三维虚拟交通环境设计技术

在三维虚拟交通环境设计中，采用多种技术来处理市政道路特性数据、进行三维建模活动以及进行地形和接壤处拟合度分析。这些技术的综合应用有助于满足道路辅助设计的要求，并确保模型修正需求得到相应满足。

（1）市政道路特性数据勘测。为进行3D 虚拟交通环境设计，需采集市政道路特性数据，包括长度、宽度、标线、信号灯等。勘测方法包括实地测量、GIS 数据和遥感技术获取高精度地表数据如激光雷达（LiDAR）或卫星遥感图像，以支持数据获取与更新。

（2）三维建模活动。采用市政道路特性数据进行3D 建模，可手动或自动化进行。手动建模由专业设计师通过三维建模软件逐步绘制道路与交通环境，创造逼真的虚拟环境。自动化建模可利用计算机视觉技术和机器学习算法，根据勘测数据自动生成三维模型，提高建模效率和准确性。

（3）地形和接壤处拟合度分析。在3D 虚拟交通环境设计中，地形的准确表现及道路与周围环境的拟合度至关重要。地形分析可使用数字高程模型（DEM）或地形图展示虚拟环境的地形变化，确保道路合理设计和坡度平缓。接壤处拟合度分析涉及道路与周围建筑物、地貌等元素的衔接，确保虚拟交通环境的真实感和连续性。

（4）数据信息反馈与模型修正。设计师根据实际情况和用户反馈不断修正3D 虚拟交通环境设计。反馈数据可能包括模拟实验、用户体验和实际道路使用数据等。设计师根据这些信息及时调整和改进三维模型，确保准确性和逼真度。

具体实验数据可作如下参考（如表2 所示）：

表2 道路交通三维模拟实验数据

综合使用这些三维虚拟交通环境设计技术，能够有效地提高道路辅助设计的效率和精确度。同时，技术的不断发展和进步将进一步推动三维虚拟交通环境设计的应用范围和水平。

2.3 三维虚拟道路设计参数优化

三维虚拟模拟平台将公路工程作为参照依据，通过设计资料和图片数据查询获取描述道路线形、道路车辆运行等特性数据。驾驶员行为相关数据主要依靠虚拟的三维平台进行搜集。这些数据不仅直接影响三维建模结果，而且不同道路交通场景，设计内容也会存在很大差异。

2.4 三维虚拟交通建设研究

将不同情况的组织作为研究对象，其中包括正常交通组织以及应急交通组织，针对交通特性展开研究工作。其中，临时交通组织的研究需要了解相关特性所产生的实际影响效果，包括施工区最佳作业周期等。

3 BIM+VR 技术在道路设计中的实际应用

3.1 工程实例及软件平台

某大道位于南方某市空港新城，起于鹿山隧道，止于保税港区边界。该道路是城市主干路，全长1.133 km，标准路幅宽度44 m。该大道核心建设内容包括土石方工程、路基工程、路面工程、排水工程、照明以及管线工程等。利用研发的VR 道路演示平台，高分辨率地形模型结合模拟物理材质、天气及动态光照环境构建真实、全面、直观虚拟现实场景，展现全路段的设计细节及要点。VR沉浸式场景使用户从行人及驾驶员视角全方位审查方案设计，对全局和细节进行综合性评价[2]。VR 平台性软件的开展主要以C++语言为基础，在发挥显卡运算作用条件下，达到理想的三维输出状态，具体构架见图1。

图1 平台构架结构图

3.2 地形建模

道路BIM 模型设计要与周围地形地貌相同，因此需要GIS 软件把采集的航摄地貌影像与三维数字地形模型匹配，三维数字地形模型由场地三维离散点坐标结合道路BIM 设计平台生成。在模型与影像匹配过程中存在语义转换和几何转换两个问题。①语义转换问题可通过IFC和City GML 标准集成解决；②几何转换问题是对道路模型开展转换操作，进而达到理想的一致性效果，并保持坐标系相同，道路设计模型并不会与仿真地形坐标系存在明显差异。BIM 设计平台输出Land XML 格式的数据文件解决，其中数据文件包括平、纵、横设计的地形曲面模型，Land XML 文件中的路线坐标与初始地形数据坐标系相同，记录了路段的起、终点坐标，用道路桩号标识横断面的位置。

3.3 道路设计模型

依靠BIM+VR 开展道路设计活动，将理念优势特征整体表现出来，进而实现道路路面、附属设施等对象协同性，实时检验设计指标的合理性。设计人员通过断面视口掌握道路平、纵、横三维路线，最终完成设计方案。①平面设计优化要素涉及内容较多，比较常见的如道路中心线长度、曲线长度等；②纵断面设计需要优先对纵向坡度进行深入优化，并依靠BIM 软件进行三维数字地面线设计，然后根据地面线不断绘制和调整拉坡线[3]；③横断面设计对道路设计至关重要，BIM 软件平台根据地形曲面、三维道路中心线、横断面装配数据建模，视路面结构层设计、宽度设计、车道及人行道视为设计对象，通过各个对象的参数调整，达到对象间的协同设计，优化全部对象参数，完成规范化设计；④采用自动模式对行车轨迹坐标进行生成匹配，并将其作为坐标系建设标准，其中，行车流量编排往往发挥十分关键的影响作用；⑤BIM+VR 技术具备强大的装配以及部件引入作用，其中，关注属性信息的表现，并开展数字化管理工作，对应结果会直接应用于项目的其他阶段信息录入上，最终目的是改善道路设计信息化发展能力。

3.4 道路BIM+VR 模型构建

BIM+VR 技术可以对BIM 构建的三维信息模型进行重构，构建出场景可视化的三维实体，主要是利用BIM+VR 技术的快速自动构网、UV优化坐标系生成技术、图像及模型的层级优化技术。①依据不同的目的和用途构建场景模型，同时依托渲染技术及光影追踪技术提升渲染质量和光源的采样率，打造真实的道路场景；②三维道路数字模型可以智能化模拟道路行车线、车流以及绿化植被，这些都会跟随BIM 属性信息变化而进行调整；③用户可以利用PBR 物理级材质随时替换道路的材质，享受各种材料创造的真实感受；④通过大气粒子模拟系统对道路设计以及安全状态展开评估，了解天气环境不同，道路安全方面形成数据的差异；⑤结合气象和地形地貌的仿真模拟，参与者能够全景沉浸式进行相互信息查阅。配置驱动与VR 硬件更为吻合，实现行人、汽车驾驶者、空中飞行模式模拟驾驶功能。行人模式中，参与者以第一人称视角，对建筑体量进行直观的沉浸式审查，感受设计成果。驾驶模式中，参与者在虚拟车内自由操作，包括在不同区域开展沉浸式体验操作。空中飞行模式中，参与者可以自由移动，而且可以达到全场景VR 漫游效果，以及合作密切的互动操作。

4 结语

总之，BIM 与VR 技术共同应用到道路工程设计中，依靠BIM 与GIS 软件进行地形仿真建模，通过VR 仿真平台集成模型开展交互演示，成功地解决了传统以及普通道路设计方式存在的实际问题，并真正实现了协同设计、模型一致性、方案展示以及安全评估方面所具备的优势特征。在国内软件商共同努力下，新一代道路设计软件系统也会得到全面升级，在满足全生命周期服务要求条件下，工程建设效率也将得到相应提升，工程建设质量也会有所改善。