基于BIM的三维机场净空可视化研究

李 静, 赵 晨 阳, 李 顺, 白 东 玉

(1.大连理工大学 建设工程学部,辽宁 大连 116024;2.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司,云南 昆明 650051 )

0 引 言

机场净空,是指为保障飞机起降安全而规定的障碍物限制面以上的空间,用以限制机场及其周围地区障碍物的高度[1].在机场选址及地势设计过程中,不同方案间的净空条件差异是判定方案优劣的关键因素,对最终方案的确定起着决定性作用[2].同时,在机场建成后,机场净空区内障碍物高度的控制管理也是保障机场安全运行的一项重要内容.因此,建立精确的三维机场净空可视化模型对于确定机场设计方案以及后期的管理至关重要.

随着计算机技术的发展,三维可视化及空间分析软件如ArcGIS等已经较为成熟,由于其在空间分析及三维可视化方面的出色表现,部分学者将该技术应用于机场净空的建模过程,提出了机场净空评定的思路和方法[3-9].但该阶段研究存在一些问题:一方面,缺少对于机场净空模型的深入解析,假设升降带为理想水平面,未考虑其两端高程不一致的情况,模型精确度不够;另一方面,GIS技术虽然在建模及三维分析方面有一定优势,但在数据输出方面存在一定的局限性.后续由耿昊等提出的三维立体块净空评价方法[10]虽能解决上述的模型不准确问题,但求解过程较为复杂,且将净空面分为多个区块进行评定,缺乏一定的整体性,无法满足考虑净空的整体地势优化设计需求.

在GIS技术发展的同时,BIM技术也在逐步更新换代,适用范围从单一的工用、民用建筑拓展到水利、桥梁及场地等领域.相比GIS技术,BIM技术更侧重于数据与图形对象的信息交互,如Autodesk公司推出的Civil 3D平台,该平台在数字高程曲面以及测量方面的功能十分强大,不仅可以以多种形式创建曲面对象,同时还能输出目标点的高程数据信息,与净空模型及净空管理的需求恰好吻合.

在此背景下,本文依托Civil 3D平台进行二次开发,以实现净空模型的可视化.同时,考虑净空条件完成机场地势设计方案的调整,为在机场地势优化设计过程中考虑净空条件进行整体优化提供可行性思路及参考.

1 机场净空应用模型

机场净空是以跑道轴线为基线,先向两侧延伸构成升降带,再向四周对称拓展延伸所形成的一个立体空间区域.一个完整的机场净空模型一般包括升降带、端净空区以及侧净空区3个部分[11].

目前,机场净空相关研究大多使用的是理想净空模型,即忽略升降带的高程变化,将升降带视为理想水平面.利用理想净空模型进行净空评定和管理并不合理,无法适应净空精确化管理的需求.在实际情况中,若跑道存在纵坡变化,则升降带应为一系列的折面,其余各障碍物限制面的范围和高度也会随着升降带的起伏而产生一系列的变化.基于该思想,耿昊等建立了机场净空应用模型,并提出了三维立体块的机场净空评价方法[10],如图1所示.

图1 机场净空区平面图(以二级机场为例)

相比理想模型,应用模型更加贴合实际,因此,本研究中将基于Civil 3D的功能特性,依托特征点的空间坐标和曲面各部分的几何关系建立较为完整的机场净空应用模型,相比复杂的公式推导方法及三维立体块的净空评价方法,本研究中的模型建立方法更加简便、快捷,建立的模型也更具整体性,利于后续净空评定工作的开展.

2 机场净空应用模型一体化曲面的建立

2.1 Civil 3D的曲面功能原理

“曲面”是Civil 3D中最重要的功能之一.一方面,利用该功能可以读取多种类型的数据来创建曲面对象,同时支持高程数据的输出,能够实现高程数据和曲面对象之间的信息交互;另一方面,Civil 3D还支持用户直接利用数据或图形对象对已有的曲面进行修改及整合,这就使得构建净空应用模型一体化曲面成为可能.

基于Civil 3D的曲面功能特性,本文将详细说明利用图形对象构建净空各部分应用模型,并最终整合为完整的净空应用模型一体化曲面的流程,其中,曲面各部分参数取值参考了相关的机场规范标准[1,12].

基于初始参数数据，采用Windows 8.0操作系统运行环境，使用Intel Core i5-5200U中央处理器、2.20 GHz主频、4 GB内存的计算机进行计算。经计算，6个计划周期收敛图如图3所示，收敛图清晰地反映了算例目标函数各期的收敛过程，由于市场需求的不同，各期迭代次数有所不同，收敛曲线基本在600～700次之间渐趋平缓，逐步收敛于目标函数的最优解，各计划周期算法运行时间均在45 s左右，各计划周期目标函数的收敛值如表4所示，限于篇幅，省略各决策变量的最优决策。

2.2 升降带-端净空区一体化曲面的建立

升降带和端净空区是净空应用模型中最重要的组成部分,其余各部分的数据推算及模型建立往往依托于这两部分的模型数据.因此,应首先确定这两部分的数据及模型.

升降带是以机场跑道轴线为基线,两侧各100 m的轴线平行线和跑道两端各向外100 m处轴线水平延长线的垂直线所构成的场地,升降带上不应有对飞机活动构成危险的物体.一般情况下,根据机场地势设计方案,可以直接获取跑道各坡段坡度及目标点的高程数据,利用目标点的坐标数据即可直接生成升降带曲面对象.为方便分析,以跑道轴线中点为原点,以垂直和平行于跑道轴线的两条直线为轴建立局部坐标系.

假设跑道长度为2P,跑道各坡段坡度分别为i1,i2,…,im(共m段坡),对应各坡段长度分别为l1,l2,…,lm,跑道中点高程为h0,即可通过几何关系推算出升降带曲面的特征点坐标数据,并利用特征点坐标数据建立升降带曲面模型,如图2所示.

图2 升降带特征点坐标求解及曲面模型建立(单位:m)

在升降带曲面模型确定之后,即可推算两侧端净空区的模型数据.端净空区是从升降带端线的两端开始,与升降带边线水平延长线以水平面15%的扩散率扩展至3 000 m,并以此宽度延伸到机场净空区边线所构成的限制物体高度的区域.根据机场等级端净空区一般分为3～4个部分,如图3所示.建立两侧端净空区的曲面模型后,利用Civil 3D“粘贴曲面”功能将两侧端净空区曲面模型及升降带曲面模型进行整合,即可得到升降带-端净空区一体化曲面.

图3中仅展示了单侧的端净空区特征点坐标以及曲面模型,另一侧的坐标计算方法与上述方法类似,将hm+1替换为h1即可.

2.3 侧净空区数据添加

侧净空区是从升降带和端净空区限制面边线开始,至机场净空区边线所构成的空间区域.障碍物限制面由过渡面、内水平面、外水平面以及锥形面组成.基于上文中的升降带-端净空区一体化曲面,在曲面中添加侧净空区各部分的特征线及特征点数据即可完成净空应用模型一体化曲面的建立,其各部分特征点坐标的推算方法如图4所示.

图4 侧净空区数据计算方法示意图(单位:m,以二级机场为例)

按照图中侧净空区数据添加原理,依次计算过渡面特征点坐标以及内、外水平面特征点坐标,并在升降带-端净空区一体化曲面中添加过渡面特征线(图中红线)以及内水平面及锥形面特征线(图中绿线).

另外,利用“裁剪/延伸”功能删除特征线的多余部分;最后添加外水平面四角特征点坐标即可补全侧净空区数据信息,构建净空应用模型一体化曲面,具体绘制过程如图5所示.

3 考虑净空的模型调整

3.1 考虑净空的设计模型调整方法

在Civil 3D平台中通过二次开发方法可以批量输出曲面对象的目标点三维坐标,因此,可以利用该方法提取净空应用模型一体化曲面上的方格网点三维坐标,将其与模型推算数据及周边地形数据的三维坐标进行对比,并对冲突部分的数据进行记录或替换.通过上述步骤即可完成净空评定及设计模型调整,具体流程如图6所示.

图6 考虑机场净空的模型调整流程

3.2 考虑净空的机场地势整体优化思路

基于上述设计模型调整思想,将净空应用模型一体化曲面应用到机场地势优化设计的迭代过程中.针对每个迭代方案,根据设计模型数据绘制净空应用模型一体化曲面,提取特征点数据,对设计模型进行调整,亦可实现考虑净空的机场地势整体优化.

根据图7所示程序流程,开发了考虑机场净空的机场地势整体优化设计系统.考虑到机场地势优化设计过程中需要多次调用“曲面”功能来绘制不同迭代方案下的净空应用模型一体化曲面并提取相应数据,在系统开发过程中,为了保证程序正常运行、减少内存占用,若当前方案并非最优方案,则曲面对象及相关数据不予保存,仅留下最优结果.

图7 考虑机场净空的机场地势优化设计程序流程

4 案例分析

4.1 工程背景

以某二级机场为例,该机场飞行区跑道长度为2 400 m,东西走向,跑道东端高程为2 677.05 m,跑道西端高程为2 679.15 m.生成方案净空应用模型一体化曲面如图8所示.

图8 方案净空应用模型一体化曲面

4.2 机场净空评定及设计模型调整

在研发的系统中,定义挖方方格为蓝色,填方方格为红色,方格网基线间隔为20 m.机场跑道西侧边缘为基准点,其三维坐标为(21 672.47 m,3 563.41 m,2 675.65 m),当前方案填方总量为15 862 064.00 m3,挖方总量为15 767 129.24 m3,净方量为94 934.76 m3,是该选址位置的土方平衡且土方工程总量最小的最优方案(不考虑净空).在生成净空应用模型一体化曲面后,可通过曲面信息进行机场净空评定.

该方案的边坡位置存在与净空冲突的区域,可根据净空应用模型一体化曲面对机场设计曲面模型进行调整,将冲突位置的方格网点设计高程替换为净空应用模型一体化曲面高程.为了更加直观地体现数据的替换过程,在方案中随机选取一条方格网轴线a.沿着轴线a的方向,从边坡边缘方格网点起,顺次提取若干个方格网点数据进行对比,具体数据见表1,其具体结果如图9所示.

表1 轴线a上部分高程数据

图9 考虑机场净空前后的设计模型对比

重新绘制设计曲面后,可通过方格网法计算考虑净空情况下的方案土方工程量,调整后方案挖方总量为22 077 343.13 m3,填方总量为16 137 579.28 m3,净方量近-6×106m3.由此可知,若考虑净空需求,则当前方案并非为土方平衡且土方工程总量最小的最优方案,若使用当前方案直接进行施工建设,则在机场建设总投入方面会有较大出入,无法满足经济及施工周期层面的需求.

若保持方案坡度不变,仅对起始点高程变量进行优化,寻求考虑净空的最优解,即可得到最优方案,该方案挖方总量为18 945 890.87 m3,填方总量为18 889 684.15 m3,具体数据见表2.基准点高程优化前后的设计模型对比如图10所示.

表2 调整前后及最优解的部分计算结果

(a) 考虑净空的调整方案

5 结 论

(1)在机场地势优化设计过程中,机场净空影响主要体现在边坡位置,需要根据净空要求对设计模型进行调整,且调整前后土方工程总量变化较大.因此,在地势优化设计过程中有必要考虑净空进行整体优化,否则无法保证方案的最优性.

(2)在模型调整前后,方案填方工程量变化较小,而挖方工程量变化较大,考虑净空的模型调整主要体现为挖方工程量的增加,因此,若优化算法中未考虑净空条件,则应适当提升最终方案的机场标高以保证方案的实用性.

(3)本研究中仍存在一定的不足,主要体现在缺少对多跑道、滑行道净空及直升机净空耦合影响的考虑,仅建立了单跑道的净空应用模型,为满足工程实际,后续仍需开展进一步的研究.