邢婷婷

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

橋梁工程相對于其他基礎(chǔ)設(shè)施工程來說，具有工程量大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，尤其對于異型結(jié)構(gòu)和曲面結(jié)構(gòu)，采用傳統(tǒng)的二維平面設(shè)計(jì)難度很大且耗時(shí)耗力。目前BIM軟件主要在房建領(lǐng)域提供了較好的建模能力，但是對于交通基礎(chǔ)設(shè)施（橋梁、隧道、公路）等復(fù)雜的空間異形體，需要自主開發(fā)建模軟件，或者在已有的建模軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)。

BIM，即建筑信息化模型（Building Information Modeling），除了包含建筑構(gòu)造物的幾何信息之外，還包含了工程方面的數(shù)據(jù)。BIM技術(shù)憑借其數(shù)據(jù)開放交互性的特征，打破了傳統(tǒng)工程軟件之間信息交互的壁壘，使得建筑工程項(xiàng)目中的工程信息能夠在不同的工程設(shè)計(jì)軟件中傳遞和共享。BIM技術(shù)支持的應(yīng)用軟件有很多，其中使用最為廣泛的是Autodesk公司的Revit 軟件。

Unity（Unity3d），是一款專業(yè)的虛擬交互式引擎工具，同時(shí)也是一款國際領(lǐng)先的專業(yè)游戲引擎[1]，由多種子系統(tǒng)所組成，主要包括：腳本系統(tǒng)、渲染系統(tǒng)、物理系統(tǒng)、音效系統(tǒng)、動(dòng)畫系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、碰撞檢測、場景管理等。且Unity 具有以下特點(diǎn)：a）支持Windows、Android、iOS 等幾乎所有平臺(tái)。b）文件兼容性強(qiáng)。c）支持C#與JavaScript 語言，能夠滿足絕大多數(shù)開發(fā)人員的需要。

由于Revit 與Civil3d 軟件均支持以.Net 平臺(tái)的C#語言作為二次開發(fā)語言，而Unity 引擎同樣支持以C#語言作為開發(fā)腳本的語言，可以作為不同平臺(tái)軟件間功能集成和數(shù)據(jù)共享的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對橋梁設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營等過程的仿真模擬。

1 技術(shù)路線

本文擬以某橋梁作為工程背景，以Revit 軟件作為橋梁模型的三維設(shè)計(jì)平臺(tái)，Autodesk 公司的Civil3d 軟件作為地形及道路模型的創(chuàng)建平臺(tái)，Unity引擎作為虛擬式交互引擎，研究運(yùn)用Unity 提取BIM模型中的物理參數(shù)，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況實(shí)現(xiàn)橋梁工程的仿真模擬?？偟募夹g(shù)路線如圖1 所示。

圖1 技術(shù)路線圖

1.1 Civil3d 建立地形曲面

在Civil3d 中的構(gòu)建三維地形曲面功能是通過導(dǎo)入二維地形圖中的等高線、高程點(diǎn)等高程及位置信息而實(shí)現(xiàn)的。高程及位置信息越豐富，則生成的曲面精確度與實(shí)際情況的符合程度也越高。利用創(chuàng)建的三維地形曲面，可以對實(shí)際地形的坡向、坡度、流域面積等空間信息進(jìn)行計(jì)算及表示。同時(shí)，生成的曲面與曲面的源數(shù)據(jù)是相關(guān)聯(lián)的，可同步更新。對源數(shù)據(jù)的增、刪、改的操作會(huì)實(shí)時(shí)反映到生成的三維地形曲面中[2]。

1.2 BIM參數(shù)化建模

由于橋梁的形式多種多樣，空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，對于不同種類的橋梁，其建模所需的難易程度及所需要的參數(shù)可能不同。因此，需要對不同橋梁進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)相似橋梁的關(guān)鍵性參數(shù)，得出各種類型橋梁的組成構(gòu)件及各構(gòu)件的建模參數(shù)，將這些信息存入建立好的橋梁模型數(shù)據(jù)庫中。橋梁工程師在使用該系統(tǒng)的過程中，可以根據(jù)用戶輸入的參數(shù)定義（名稱、類型、類參數(shù)或?qū)嵗齾?shù)等），本軟件自動(dòng)為相應(yīng)的單元?jiǎng)?chuàng)建參數(shù)并生成模型。

1.3 Unity 平臺(tái)操作

將Revit 及Civil3d 中生成的橋梁及地形模型導(dǎo)出成Unity 所支持的FBX 等格式的文件，并導(dǎo)入到Unity 軟件中。并將模型放置于與Unity 環(huán)境中相對應(yīng)的位置上。為了增加整個(gè)場景的真實(shí)感與沉浸感，需要進(jìn)行虛擬環(huán)境的構(gòu)建，例如添加真實(shí)光源，使場景中的物體出現(xiàn)光的反射、折射、陰影等真實(shí)現(xiàn)狀特效；使用平行光模擬太陽光，并在主攝像頭中添加天空盒，對地形及地面進(jìn)行貼圖；添加地表紋理及地表植被；河流水系添加水波效果等。

2 工程實(shí)例

本文以某橋?yàn)楣こ虒?shí)例進(jìn)行分析模擬，該工程橋梁上部結(jié)構(gòu)形式采用9×40 m 裝配式預(yù)應(yīng)力T梁。右前夾角為90°，全橋共三聯(lián)，下部結(jié)構(gòu)橋臺(tái)采用柱式臺(tái)，橋墩采用柱式墩、空心墩，墩臺(tái)基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。該橋平面位于緩和曲線上，橋面橫坡為雙向2%，縱斷面縱坡-0.5%；墩臺(tái)徑向布置。

2.1 地形曲面的建立

橋梁地形處理需要保證地形數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在測量地形時(shí)，往往存在人工或者儀器誤差。所以針對采集的地形數(shù)據(jù)，需要在Civil3d 中進(jìn)行查錯(cuò)分析。軟件提供在一定范圍內(nèi)的高程點(diǎn)功能來幫助操作者剔除錯(cuò)誤高程點(diǎn)（見圖2），從而排除掉明顯的粗差點(diǎn)，提高建模的準(zhǔn)確性。生成的三維曲面（見圖3）即可導(dǎo)入Revit 軟件中，為橋梁的建模提供基礎(chǔ)。

圖2 定義曲面特性

圖3 生成的三維曲面

2.2 創(chuàng)建BIM模型

a）根據(jù)已收集到的橋梁勘察設(shè)計(jì)資料，結(jié)合上一步中在Civil3d 中生成的橋梁地形曲面，在三維空間中確定橋梁的橋位以及橋梁中心線各點(diǎn)的坐標(biāo)。

b）根據(jù)設(shè)計(jì)要求，利用中線線型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（平豎曲線的長度、坡度、半徑、超高等），軟件自動(dòng)生成中線的空間曲線。

c）根據(jù)之前提供的截面信息，軟件自動(dòng)計(jì)算中線空間曲線上不同距離處的截面位置和形狀，然后進(jìn)行空間的拉伸和融合，形成三維空間體，并對多個(gè)空間體布爾運(yùn)算，從而創(chuàng)建出橋梁上部結(jié)構(gòu)的空間形體，模型如圖4 所示。

圖4 橋梁上部結(jié)構(gòu)

d）根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告并結(jié)合規(guī)范要求，確定并建立橋墩、基礎(chǔ)等下部的三維模型，并與上部結(jié)構(gòu)相組合。同時(shí)賦予上下部結(jié)構(gòu)材料等參數(shù)。全橋模型如圖5 所示。

圖5 全橋模型

e）程序?qū)σ呀?jīng)建立好的橋梁模型進(jìn)行碰撞檢測及內(nèi)部檢查，確保模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)真實(shí)精確，滿足要求[3-4]。

2.3 Unity 平臺(tái)操作

將上步生成的橋梁及地形導(dǎo)入到Unity 軟件中，并將模型放置于與Unity 環(huán)境中相對應(yīng)的位置上，進(jìn)行添加真實(shí)光源、天空盒、地形及地面貼圖、地表紋理等操作，如圖6 所示。

圖6 Unity中的模型

除了能夠完成環(huán)境系統(tǒng)的構(gòu)建之外，還可以進(jìn)行人機(jī)交互系統(tǒng)的建立。交互系統(tǒng)依賴編程實(shí)現(xiàn)，Unity 平臺(tái)支持廣泛使用的C#與JavaScript 編程語言。腳本的開發(fā)環(huán)境可以采用Unity 自帶的MonoDevelop 進(jìn)行設(shè)計(jì)，也可以在Visual Studio 進(jìn)行編輯。利用導(dǎo)入到Unity 中的模型信息，以及存儲(chǔ)在BIM軟件中的模型的擴(kuò)展信息，再補(bǔ)充其他需要的信息，例如添加施工過程的時(shí)間參數(shù)及施工組織設(shè)計(jì)信息，實(shí)現(xiàn)施工進(jìn)度的模擬；添加第一人稱或第三人稱主攝像機(jī)及碰撞體，可實(shí)現(xiàn)橋梁模型的三維漫游；在Unity 中開啟VR 支持，并編寫左、右眼的VR攝像機(jī)腳本，即可將工程導(dǎo)出至各種VR 設(shè)備所支持的平臺(tái)中，實(shí)現(xiàn)VR 虛擬現(xiàn)實(shí)展示。

3 結(jié)語

現(xiàn)階段，BIM 已經(jīng)滲透到工程建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域及階段，其中建筑領(lǐng)域的應(yīng)用要成熟于其他基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域，設(shè)計(jì)、施工階段的應(yīng)用也多于決策和運(yùn)營階段。本文以某橋梁工程為案例進(jìn)行分析模擬，主要介紹了綜合利用BIM技術(shù)與Unity 平臺(tái)進(jìn)行橋梁工程的快速建模及應(yīng)用。利用軟件二次開發(fā)，以面向?qū)ο蟮?C# 語言為基礎(chǔ)，將 Revit、Civil3d 與 Unity 軟件相結(jié)合，將Revit 等BIM軟件建模的精確性、快速性與Civil3d 生成地形曲面的精確性、專業(yè)性以及Unity軟件創(chuàng)建工程模擬系統(tǒng)的靈活性相結(jié)合，發(fā)揮各自特長，增強(qiáng)了其通用性和擴(kuò)展性。最終成果可用于橋梁設(shè)計(jì)方案的相互式展示、方案比選、BIM 管理平臺(tái)、虛擬現(xiàn)實(shí)展示、工程進(jìn)度三維模擬等等，對于BIM 技術(shù)在基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域橋梁工程建設(shè)中提升效率、改善質(zhì)量、降低成本具有重要的意義。