BIM+AR技术在河道疏浚设计和施工中的应用

邵建荣

(惠州市惠城区水利资源开发建设中心，广东 惠州 516000)

1 技术构建分析

1.1 BIM技术

建筑信息模型早期被应用在建筑专业领域之中，随着建筑行业的迅速发展逐步被广泛应用于整个行业内。BIM的核心是通过互联网、人工智能、机器人、计算机等信息化技术，将智能化应用于建设领域[1]。Autodesk Civil3D属于BIM设计软件，主要面向三维可视化、基础设施行业，这一软件能够搭建三维动态模型，运用其中自带的编辑曲面、创建路线等多种功能，最终达到工程建模设计计算目的[2]。由于河道工程整体为带状工程，通过对其予以定制化，该软件可在河道工程设计应用。Autodesk Infraworks是基于GIS+BIM的可视化软件，该软件自带高精度卫星云图，方便快捷还原周边场景，可用于河道工程可视化展示。

1.2 AR技术

AR技术作为一项能够把实际场景以及虚拟信息相互结合的技术，该技术可通过现代电子科技集成虚拟世界信息及真实世界信息，在屏幕上可将虚拟世界套在现实世界中，并可进行互动[3]。AR技术对设备要求较低，该技术以往需特定头盔实现，在未来，AR技术可能通过手机获得实现。

2 BIM+AR技术在河道疏浚工程中的应用

2.1 BIM+AR建模与系统框架

进入到疏浚工程施工阶段之后，需要注重工程进度以及成本管理等相关工作，同时设计计算、分析也尤为关键[4]。在疏浚工程发展过程中水文气象、疏浚装备等多个方面都会对其造成较大影响。近些年来疏浚行业的迅速发展，疏浚工程项目逐步发展到了复杂水域之中，这也给项目设计、施工等多个方面带来了更高要求。结合三维BIM建模技术和AR技术，对适用于疏浚工程的BIM建模系统进行设计，系统框架见图1，结合AR技术、ADO.Net技术、数据库技术进行疏浚工程BIM模型的构建，分析数据库，修改、分析、存储、查询工程模型部件、中间成果、属性信息、图例颜色等信息；结合疏浚工程需求在形成三维图纸模型、三维地形模型等相关模型过程中，必须要运用计算机几何技术等多种相关技术，最终达到疏浚土体三维可视化的目的。结合水深点数据快速进行水下三维地形体建模，应用不同的底面形式开展三维挖槽建模；可以通过 AR技术、数据库技术等多种相关技术，以三维几何模型作为构建基础，最终形成疏浚工程勘察阶段的三维信息模型；采用图形化编程技术使模型自动构建、动态更新得到实现；结合数字地质、AR技术等多种技术可开展疏浚工程量计算等，通过运用三维BIM模型可以综合计算预测疏浚船舶产能等相关信息，在数据库中储存分析结果。

图1 系统主要思路

2.2 疏浚工程BIM应用对象

2.2.1 NURBS曲面拟合及图疏浚土体三维建模

当前，NURBS曲面拟合属于常用的一种曲面表达方式，NURBS所构建出的模型文件需要的存储空间相对较小，因此在运行、存储等各个环节更加高效和便捷。开展数据建模过程中，可以利用NURBS来进行曲面表达方式。结合水深探测和多元勘察相关数据，利用几何技术多种相关技术可进行人机交互式建模，并且实现水下三维地形体信息建模，通过这种形式能够有效提升疏浚工程设计方案的可视性。可基于三维土质模型计算工程量、分析剖切、展示三维等。图2为疏浚土体快速建模。

图2 疏浚土体快速建模

2.2.2 疏浚工程构筑物建模技术

通过系统来形成疏浚工程构筑物过程中，首先需要把各项相关参数信息全部输入的参数化族库之中，即能够形成相应的构筑物模型，在此基础上能够获取模型的各项几何参数信息。目前族库中含有围埝、胸墙、圆管、混凝土构件等。

2.2.3 多种形式三维挖槽快速建模技术

在河道设计过程中，多种形式疏浚挖槽建模可快速设计多级边坡三维挖槽、任意坡比挖槽、任意底面形式挖槽，使复杂挖槽设计简单化。挖槽可结合三维土质模型，将土体开挖以及土体两者相互结合对其工程量予以综合计算分析。

2.3 河道疏浚工程的BIM+AR设计

2.3.1 传统设计思路和BIM设计思路

从内河河道疏浚工程角度来说，其传统设计思路：第一步是导入地形测图，进行地形曲面的构建；第二步是对河道底边线、中心线进行确定；第三步是对河道边坡、疏浚底高程进行确定，并生成超深及超宽线、泥面线；第四步是计算疏浚工程量；第五步是进行典型疏浚断面图的绘制；第六步是套图框出图。在传统设计思路中，其不同流程的信息内容信息交互相对较少，且整体设计为二维模式。所以，此次将选择应用Civil3D软件之中的SAC来形成相应的断面部件，把设计参数和模型相互结合，利用软件来进行工程量计算、标注断面等多项计算分析活动，最终达到提高计算分析效率、自动化出图等目的。图3为本文构建的内河河道疏浚工程BIM设计思路。

图3 内河河道疏浚工程BIM设计思路

2.3.2 地形曲面的构建

开展设计之前，需要对测量数据予以转化，使其转变为三维高程地形曲面。利用Autodesk Civil3D软件之中所自带的DEM数据以及CAD图块等多类型数据格式来形成相应的地形曲面。地形曲面的主要特点为三维可视化，利用图形查看器能够直接发现其中异常数据，还可以对各项异常数据予以修正。

北冰洋海冰主要有新冰、一年冰和陈冰。历史气象数据显示，北极海冰厚度总体趋势不断变薄，东北航线现以一年冰为主。[9]

2.3.3 河道线布置

河道线包括河道左右边线、中心线。Civil3D路线功能可进行河道中心线的创建，方法有利用创建工具创建路线及通过对象进行路线的创建。在结合一些维护性疏浚工程开展设计规划时，通常会利用对象创建路线方法，把工程项目中的河道线转变成相应的路线对象；但针对其他工程则需要选用路线创建工具，首先设定出河道的弯曲半径，然后设置相应的河道中心线，根据定义的样式，软件可对河道线桩号进行自动布置，并随河道线进行调整。

2.3.4 纵断面设计

在河道中心线、地形曲面基础上，需要构建对应的曲面纵断面，通过这种方法形成纵断面图，利用这一图形可获得与之对应的纵断面，用于对河道设计底高程进行控制。内河河道设计水位随沿程发生变化，对于倾斜线段或阶梯形来说，Civil3D纵断面可自由绘制，工程量计算方法则非常精确、灵活。

2.3.5 疏浚工程量计算方法

本研究选择断面面积法进行BIM设计，内河河道疏浚断面工程量计算如式(1)：

(1)

2.3.6 SAC创建横断面及分区段设定不同高程值

通过可视化软件界面和图形交互形式，Civil3D自带的Subassembly Composer(SAC)部件编辑器自定义部件可以通过绘制流程图的形式呈现。运用Civil3D来进行疏浚设计过程中关键环节为部件创建，需要选择适宜的设计参数和相应的逻辑目标，其中会涉及设计边坡、设计底高程等多种相关参数，文字位置参数在断面图上进行标注。横断面部件通过部件编辑器创建，其优点是具有较快的运算速度，二次开发无需进行。

以内河河道疏浚工程项目状况作为基础，通过运用Civil3D软件之中所包含的高级部件编辑器SAC，可以形成内河河道疏浚工程所需要的疏浚部件，在构建这一部件过程中需要涉及疏浚底高程、超宽超深等多种相关参数，不仅如此还需要在部件中标注出控制泥面线等多种相关文字参数。设计过程中利用输入数值来形成相应的设计断面，其中可通过Civil3D软件来定义其河道中心线，并且综合其他疏浚部件最终形成相应的三维线框模型。若河道沿程底宽始终保持一致，则需要通过设置河道中心线所对应的两侧宽度，进行河道底边界的控制；对于河道底宽沿程变化的，可先开展设计并形成两侧河道底边线，之后构建道路模型过程中，设置相应的河道底边界。河道中心线沿程设计底高程通常是固定数值，一般和根据不同区域来设置相应数值，图4为河道分区段不同设计底高程模型。

图4 河道分区段不同设计底高程模型

一般应用采样线功能来获得三维线框模型等间距，通过采样能够获得模型内各项相关信息，例如泥面线数据信息等。通常会通过手动添加的方式在Civil3D软件之中形成相应的材质列表，利用Civil3D来开展工程量输出过程中，通常所获得的结果为xml格式。因而，本研究基于.net开发自动生成工程量清单功能，可快速进行超深和超宽量、断面工程量的提取。利用三维线框模型中线、点、面代码属性进行出图样式定制，通过软件标注绘制的重复工作，批量出图快速。在设计中会遇修改方案，包括对挖槽底边线、挖槽轴线、超深和超宽、边坡等参数调整。本文使用Civil3D设计流程，利用部件特性面板来输入和修改各项参数，从而获得全新的疏浚曲面，并且得到全新的计算分析数据信息，使工程量、图纸更新快速实现。

2.4 横断面设计建立模型导出工程量及图纸

在地形纵断面、曲面、疏浚断面建立后，输入设计的工程参数，道路模型通过软件得到，并自动将工程量输出。开展标注以及图框等多项任务之后即可获得相应的模型设计图纸。想要对设计方案进行调整，需要调整模型中的设计参数等相关数值，从而形成全新的道路模型，利用软件可以对工程量图纸予以及时更新。

2.5 BIM协同分析技术及成果可视化

在相同设计内各个专业相关人员能够同时操作，所有设计环节能够相互协作，通过这种方式能够有效提升建模和设计工作效率。通过系统以及疏浚工程两者的相互结合，给设计带来更多便利，在软件内输入管线条件以及泥沙条件等相关信息后能够自动分析出其生产率。在分析综合生产率过程中，应当结合挖掘生产率以及时间利用率两个方面，最后以综合生产率为基础来估算其产能。BIM+AR模式可对BIM可视化的不足进行弥补，拓广AR运用，增强BIM模型成为三维模型。在工程全生命周期中，通过BIM+AR技术，项目参与方体验项目运营实际效果。比如在施工中，可以在实际环境内将现实信息以及虚拟信息两者相互结合，从而对多维虚拟化模型有更为深入的理解和认知，与真实世界不会脱离，可确保项目全方位完成，将资源浪费、事故发生概率降低，让人融入设计体验。通常河道工程是长距离线性工程，所涉及的工程范围相对较大，各类建筑物不仅数量多且错综复杂。所以，在进行河道工程可视化过程中应当综合实际地理状况，合理运用模型以及GIS，从多个角度展现河道沿线项目状况，从而不断提高其设计方案表现力。在Autodesk Infraworks中，通过.imx格式将Civil3D设计成果导入，整合桥梁、水深地形、河道布置等信息，精准定位，同时还原交通、绿化、河流等信息场景。根据需求添加模型注释，可将河道漫游视频导出。

3 工程应用

采用本研究构建的BIM+AR河道疏浚流程和相关开发部件，以某内河作为研究对象对其进行建模以及开展河道设计、工程量计算等相关研究。利用所构建的模型导出相应的工程量表。计算BIM+AR技术疏浚工程量结果为3 158 437.17 m3，利用传统设计软件最终所获结果是3 192 606.10 m3，两种软件之间的误差的±5%以内，因此误差水平相对较低，详细可参考表1。

表1 工程量计算结果分析

4 结 语

(1)用BIM+AR开展疏浚工程三维设计过程中，工程量以及三维设计模型等多种参数之间可以相互实时关联，可以通过更改河道线或者断面参数的方式来实现整个设计方案的综合修改。

(2)利用Infraworks进行可视化展示，可精确定位工程地理位置，反映设计对象与周围环境，工程漫游视频可将工程整体情况清晰准确地展示出来，可提高设计方案的表达能力。

(3)采用本研究构建的BIM+AR河道疏浚流程及开发部件，对某内河实施建模、河道设计、工程量计算等。其中BIM+AR软件疏浚工程量计算结果为315.84万m3，传统软件设计计算结果为319.26万m3，两者相差<±5%，计算结果误差在可控范围内。