一种基于BIM+VR的生态河湖工程设计方法

摘要

本发明提出了一种基于BIM+VR的生态河湖工程设计方法，包括以下步骤：步骤一：河湖施工图的绘制步骤二：水闸工程图的绘制步骤三：景观图纸的绘制步骤四：生态河湖工程虚拟现实系统架构本发明将传统二维地形测量数据处理手段提升到直接在三维地形模型中进行检查、编辑与修正，直接在可视化的环境下处理地形，节约了设计人员的三维空间想象时间，数据逐项核对时间以及规避了后期设计、算量过程中可能出现的因地形误差可能出现返工的风险。

说明书

技术领域

本发明涉及河湖的生态工程设计领域，特别是指一种基于BIM+VR的生态河湖工程设计方法。

背景技术

随着国家不断加强对水库生态环境的重视程度，库区的生态环境修复治理成了一项急迫而重要的任务。在库区治理方案的设计以及正常运行阶段，库容曲线是一项非常重要的参数，其准确性对设计规模及运行方案的合理确定具有十分重要的意义。

随着科学技术的不断进步以及CAD技术的快速发展，许多学者和工程技术人员在库容曲线的计算方法上也作了相关研究，如江惠芳[1]、张莉芳等[2]、陆家驹[3]等利用卫星遥感图像提取库区的水体面积，并结合影像成像时对应的实测库水位，根据等高线体积法推算水位库容曲线；张建新[4]、许辉熙等[5]、孙玉兵[6]等利用实测库区地形图采用DEM(Digital Elevation Model)法对库容曲线进行了计算；王领法[7]、陆桂华等[8]等通过计算每块地形三角网与给定高程之间棱柱体的体积，然后叠加所有给定高程下的棱柱体计算库容曲线；曹培国[9]等采用基于闭合等高线的等高线体积法计算库容；江明新[10]等通过对库区固定横断面地形的复测，分析了河床的演变并修正了库容曲线。这些方法的基本原理都是按照微积分学的方法进行切割、分块、求和而成，在实际项目的运用过程中发现这些方法均以实测的库区地形资料进行的近似计算，计算成果精度与采样的间距关系密切，一般采样间距越小，结果精度就越高，但是随之而来的计算量就越大，对计算机的要求也更高。如果是人工手算将会耗费大量的人力重复劳动，如果是计算机计算将会消耗大量的计算机内存，效率均不高。对于规模较小的库区，应用上述方法的计算精度、效果基本能满足工程设计要求，但是在计算库区范围较大的库容时，计算精度和效率就大打折扣，并且计算过程较繁琐。

本研究结合我院生态河湖治理工程的特点和难点，通过将BIM与VR技术进行有机融合，创造性的应用于生态水利中，形成了一套集可视化协同设计和智能分析为一体的设计平台和操作手册，为项目前期方案对比、决策提供了有力科学依据，提高了工作效率、节约了成本。首次在大规模景观项目中运用BIM技术实现全过程设计，相对于传统二维制图大大提高了出图效率以及丰富了方案表达效果。

发明内容

本发明提出一种基于BIM+VR的生态河湖工程设计方法，解决了现有技术中存在的诸多问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于BIM+VR的生态河湖工程设计方法，包括以下步骤：

步骤一：河湖施工图的绘制

S1、将所需要计算的地形创建成可编辑处理的三维地形曲面；

S2、根据真实地形曲面算得实际水体体积，得到最终的水体规模和水位库容曲线；

S3、创建图幅，出平面、纵断面施工图；

S4、出横断面施工图；

步骤二：水闸工程图的绘制

S5、依据选定的水闸方案，确定消能防冲设施尺寸；

S6、确定水闸模型的各项参数和水闸轮廓构造尺寸；

S7、确定水闸三维参数化模型，并抽取二维结构图；

步骤三：景观图纸的绘制

S8、景观地形的创建；

S9、在景观地形的基础上进行构筑物建模；

S10、完成景观模型后，导出三维和二维图纸；

其中VR设计方法包括以下步骤：

步骤四：生态河湖工程虚拟现实系统架构

S11、虚拟现实场景的开发；

S12、虚拟现实系统开发；

S13、增强现实系统开发。

所述的步骤S1还包括用可视化云图展现不同水位的水库平面水体分布情况。

所述的步骤S2还包括将提取出的地形曲面数据在Excel中进行数据处理。

所述的步骤一还包括计算出本工程所有开挖回填工程量和河道护岸各材质的工程量表。

所述的步骤二还包括提取二维钢筋施工图、钢筋工程量报表。

所述的步骤S9中的建模还需进行风向、日照、温度、排水、坡度等量化数字分析。

所述的步骤S10中导出的图纸包括节点效果图、鸟瞰视频、手机端360°全景体验图、夜景照明效果图。

所述的步骤S11中的开发步骤包括景观三维模型构建、图片导入、软件处理、VR呈现。

所述的步骤S12中的开发步骤包括BIM模型导入、渲染烘焙、UI制作、事件添加、代码写入、系统封装。

该设计方法所使用的软件包括Autodesk Civil 3D、Autodesk SubassemblyComposer、Revit、三维配筋、Abaqus、Autostable、720云软件、Unity3D。

本发明将传统二维地形测量数据处理手段提升到直接在三维地形模型中进行检查、编辑与修正，直接在可视化的环境下处理地形，节约了设计人员的三维空间想象时间，数据逐项核对时间以及规避了后期设计、算量过程中可能出现的因地形误差可能出现返工的风险；本发明在河道模型创建完成之后可设定自动统计工程量的标准，可自动计算出本工程所有开挖回填工程量和河道护岸各材质的工程量表；本发明根据水闸三维参数化模型，首先利用Revit软件的视图功能，快速抽取二维结构图和三维轴测图；二维断面图与三维BIM模型动态链接，一处修改处处更新。水工结构工程量与三维BIM模型动态实时链接，模型的任何变动都能在工程量表中反映；本发明将虚拟现实技术与生态河湖工程相结合，以虚拟现实技术为核心，集成地形、河道、建筑物及景观等BIM模型，构件生态河湖工程虚拟现实系统架构，进行前期方案对比、后期成果展示、指导施工、运营管理等内容，提高工作效率，节约成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为三维地形的创建、编辑及处理示意图；

图2为设定链接引用的逻辑目标参数的示意图；

图3为将提取的中间数据在Excel中进行数据处理得到水位～面积～库容曲线的示意图；

图4为自动生成的横断面图；

图5为水深的分析云图；

图6为自动统计工程量标准定制示意图；

图7为开挖回填工程量自动计算和河道各种护岸材质工程量自动计算的示意图；

图8为开挖回填工程量表；

图9为水闸的受力模型和分析计算示意图；

图10为从三维直接导出的二维图纸；

图11为从三维图纸导出的钢筋工程量表示意图；

图12为为景观模型的三维图及利用三维图所导出的二维图纸；

图13为全景浏览与动画漫游示意图；

图14为自动工程量统计与图纸列表生成示意图；

图15为虚拟现实场景开发流程图；

图16为虚拟现实系统开发流程图；

图17为具体项目的VR系统制作过程图；

图18为AR系统及体验图；

图19为本发明基于BIM+VR的工程设计整体构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明实施例提供了一种基于BIM+VR的生态河湖工程设计方法，包括以下步骤：

步骤一：河湖施工图的绘制

S1、将所需要计算的地形创建成可编辑处理的三维地形曲面；

如图1所示，先测量地形数据，之后将传统二维地形测量数据处理手段提升到直接在三维地形模型中进行检查、编辑与修正。

如图2所示，在三维地形曲面的工作完成之后，便可开始正向三维设计。根据生态河道天然断面的复杂多变，研究利用可视化编程技术手段，开发定制可参数化的横断面，仅需调整所需参数就可得到各种复杂断面，根据不同的参数得出最终的河道断面。

开发完成之后，在预览窗口中以可视化形式显示出最终生成的可参数化断面部件，通过预设值可检测参数驱动和逻辑目标引用关系效果，对结果进行直观的可视检测。

S2、如图3所示，根据真实地形曲面算得实际水体体积，得到最终的水体规模和水位库容曲线；在前面经过图形处理和数据处理之后，在全三维环境下完全根据真实地形曲面算得实际水体体积，得到中间成果的分析数据，最后将提取出的.txt数据根据定制好的四则算法，在Excel中进行数据处理，得到最终的水体规模和水位库容曲线，结果精确，且符合工程实际。

S3、创建图幅，出平面、纵断面施工图；

S4、出横断面施工图；S3、S4中的施工图如图4所示。

如图5所示，为用可视化云图展现不同水位的水库平面水体分布情况。

计算本工程所有开挖回填工程量和河道护岸各材质的工程量表时，如图6所示，河道模型创建完成之后便可设定自动统计工程量的标准，如图7所示，在总体积和材质体积自动计算统计中将设定好的工程量标准和自动提取工程量的各对象添加完成，如图8所示，便可自动计算出本工程所有开挖回填工程量和河道护岸各材质的工程量表。

步骤二：水闸工程图的绘制

S5、依据选定的水闸方案，确定消能防冲设施尺寸；

S6、确定水闸模型的各项参数和水闸轮廓构造尺寸；如图9所示，为对水闸进行受力分析的示意图。

S7、如图10所示，确定水闸三维参数化模型，并抽取二维结构图；根据水闸三维参数化模型，首先利用Revit软件的视图功能，快速抽取二维结构图和三维轴测图；然后使用Revit的注释工具，自动标注尺寸和添加文字说明等完善二维结构施工图；最后利用Revit的工程量自动统计功能，快速从模型中抽取工程量并形成工程量报表。二维断面图与三维BIM模型动态链接，一处修改处处更新。水工结构工程量与三维BIM模型动态实时链接，模型的任何变动都能在工程量表中反映。BIM模型与二维出图在同一个平台上，共享一套数据和模型，工作效率更高。

如图11所示，为提取二维钢筋施工图、钢筋工程量报表的示意图。

本发明采用欧特克旗下的Revit软件进行三维模型的创建，并利用参数化对河湖建筑物进行设计及管理，实现了从传统二维绘图向三维绘图的转变，它使建筑物信息更加全面，更直观的展现出来。BIM技术采用参数化方式建模，所有的构件都富含建筑信息及属性，如需修改，只需要对属性参数进行更改即可。建立了一套完整的从建模到计算再到出图和算量等一系列成熟的设计体系，使设计更加完整、规范，提高设计水平和工作效率。

本发明利用已构建大量的参数化建筑物族库快速拼装整体方案三维参数化模型。基于三维模型渲染任意视角的方案鸟瞰图、实时剖视图等。实时自动抽取方案工程量，并根据造价信息及时了解方案投资。与景观方案集成在一个平台，更便于整体方案的比选基于以上方案信息，可以综合考虑各种方案的优劣性，方便及时作出方案决策。

步骤三：景观图纸的绘制

本发明的研究主要基于BIM技术平台，首先在前期设计阶段实现了生态景观设计中平面布置、三维模型推敲、场景渲染的实时可视化联动设计，使景观方案设计更加直观准确；其次在施工出图阶段可直接通过三维模型导出大量设计图纸，自动统计各部分详细工程量，所有图纸都将随方案的变更实时更新，极大减少了生态景观设计中重复工作量大、修改效率低等问题；后期展示阶段利用三维模型可快速导出多种效果展示文件，如节点效果图、鸟瞰视频、手机端360°全景体验、夜景照明效果图、EXE交互式体验程序、网页端浏览等，相对于传统二维制图大大提高了出图效率以及方案表达效果，在提高设计质量与效率的同时方便与其他专业以及业主的沟通，推进项目进一步发展。

S8、景观地形的创建；

S9、在景观地形的基础上进行构筑物建模；本发明结合Autosync功能创造了方案设计与效果预览的实时联动的新工作模式，设计人员在进行平面方案设计的同时观看方案渲染效果，直观了解广场节点的尺度大小、高程设计合理性、种植搭配效果等等，相对于传统二维设计模式更为直观便捷。

通过对三维模型进行风向、日照、温度、排水、坡度等量化分析，能够优化景观方案设计。同时能够快速导出公园任意位置剖面、彩色平面图、立面图纸，并标注任意位置高程数值。

S10、完成景观模型后，导出三维和二维图纸；如图12所示，为景观模型的三维图及利用三维图所导出的二维图纸，具体过程为基于Civil 3D、Sketch Up、Revit平台实现了三维设计在前期方案表现和后期施工出图的全过程生态景观设计应用，前期方案展示手段更多样，同时能直接从三维模型导出施工图，并解决了之前传统二维设计对许多创新异形元素的限制，设计师的发挥空间更大。

如图13所示，基于Lumion、Enscape软件实现了多样化的景观方案表达，可利用三维模型快速导出鸟瞰节点效果图、方案游览视频、EXE交互式浏览文件、手机端二维码全景浏览，作为新的技术手段为前期方案的汇报以及与业主的沟通交流创造更有利的条件，减少后期不必要的设计更改。

如图14所示，本发明通过Revit工作集实现跨专业、跨办公室的多专业协同设计，大大减少对接程序。同时能够实时观测相关人员工作进度并对相关设计人员的图纸、模型等修改信息及日期进行统计生成详细Excel表格，有利于项目管理。

其中VR设计方法包括以下步骤：

步骤四：生态河湖工程虚拟现实系统架构

根据各大虚拟现实软件的功能，结合欧特克平台进行BIM技术研究的情况，对比利用各虚拟现实软件制作虚拟现实系统所花费的时间、精力以及系统用途等方面，在认真研究BIM软件与虚拟现实软件之间数据格式交换，市场应用以及项目前期和后期时间等要求的情况下，我们可选择不同的方法分别开发出以下步骤：

S11、虚拟现实场景的开发；

在项目前期，时间紧张、缺乏人力资源，需要快速确定方案时，可采用720云软件进行快速制作虚拟现实场景，将全景图片导入720云软件，进行虚拟现实场景的制作，根据需要表达的内容、方向等选择交互式热点样式，也可自定义热点样式的图标；然后，根据热点样式选择热点类型，其中热点类型包括：切换、相册、文本、图文、链接、音频、视频、环物等。其开发流程如图15所示，包括景观三维模型构建、图片导入、软件处理、VR呈现。

S12、虚拟现实系统开发；

后期若业主有需求，或为了将来更加方便的进行设计交底、指导施工等，需要更加真实的体验，可采用目前比较流行，且功能强大的Unity3D软件，制作工程虚拟现实系统，其开发流程如图16所示，包括BIM模型导入、渲染烘焙、UI制作、事件添加、代码写入、系统封装。

如图17所示，将BIM模型与虚拟现实软件相结合，进行贴图、烘焙、界面设计以及添加事件等，通过button系统分别与工程坐标系统、实际光照系统等结合，实现一键定位和不同时段工程面貌展现等功能，将镜头视角制作成为第一人称视角，使人们对整个工程进行沉浸式的体验，制作出水闸模型。

通过VR设计，将设计方案更加直观、有效的呈现给每一位接收者，更好的沉浸感和交互性，使接收者得到相同的信息，利用此技术进行方案比选，碰撞检查、视线分析等内容，解决在传统的设计过程中，因为二维图纸不直观，传递信息有限，以及信息接收者的理解不同等原因，导致后期方案变更，图纸修改量大等难题，从而间接的提高了工作效率，节约了时间和成本。

S13、增强现实系统开发

利用AR技术将虚拟世界和真实世界无缝拼接在一起，在生态河湖工程设计领域为BIM模型的应用提供更好的展示手段，将信息化施工图纸与BIM模型相结合，利用Unity3D软件制作出工程的增强现实系统，可利用手机等移动端扫描信息化图纸，实现BIM模型的实时方案对比、辅助决策、校核、指导施工等方面，提高工程相关人员对设计的认知能力，提高工作效率，节约成本。

为了增加施工图纸的可识别度，还可以在图纸上面加上具有图纸信息的二维码，同时，在开发AR系统时，为相机增加一些增强识别的程序。

如图18所示，为通过封装，所开发出的工程增强现实(AR)系统的操作APP及其显示界面。

该设计方法所使用的软件包括Autodesk Civil 3D、Autodesk SubassemblyComposer、Revit、三维配筋、Abaqus、Autostable、720云软件、Unity3D。

本发明具有以下有益效果：

1、将BIM+VR技术应用到生态河湖治理工程中，形成了一套直观、高效的全流程设计体系；更为整体方案优化、决策提供技术支持，并提前满足各阶段、各参与方的沉浸式的体验需求，使整个设计过程更加切合实际和高效。

2、研究出一套不同频率洪水淹没范围快速确定方法和河湖水体规模快速确定方法，同相关专业相结合，形成前期计算分析与后期设计为一体的新型工作模式。

(1)研究出一套不同频率洪水淹没范围快速分析流程。将不同频率水位以CSV数据形式与Civil 3D进行数据实时同步联动，通过不同频率水位数据替换，以可视化的形式实时反映出河道工程范围内各洪水位的淹没情况，并能从三维环境下提取出反映三维真实信息的淹没范围线，在前期方案阶段可提供给其他专业进行后期方案规划、设计及分析。

(2)研究出一套快速计算河湖水体规模的新型解决方案。根据项目提供的河湖地形数据和水位间隔，定制编辑所需数据处理算法，得到各水位水体规模数据，并生成水位库容曲线，该解决方案填补了在生态河湖工程中直接快速高效计算分析河湖水位、面积、库容曲线的空白。

(3)开发了分析云图颜色自动转换程序和表格数据提取程序。为了解决分析中遇到的分析云图颜色方案排序和数据提取无法自动实现的问题，进行了二次开发，开发了分析云图颜色自动转换程序和表格数据自动提取程序，在前期方案阶段可提供给其他专业进行后期方案规划、设计及分析，大幅提高了工作效率，进一步实现了高效设计。

(4)研究出以Revit为核心，集成地形建模、水力学计算、渗流稳定分析、结构数值模拟等分析、可视化配筋及二维出图报表等综合应用，形成一套完整的从建模到计算再到出图和算量等一系列成熟的设计体系。

(5)通过对BIM模型进行风向、日照、温度、排水、坡度等量化数字分析，优化景观方案设计，并能够快速导出公园任意位置剖面、彩色平面图、立面图纸。

3、实现生态河道正向三维设计、自动算量、自动批量出图的全过程解决方案。

(1)在可视化编程环境中开发出复杂河道横断面参数化装配部件。

在Civil 3D平台中以用户界面参数输入形式可方便的修改横断面设计参数，以满足不同横断面设计方案的修改，大幅提高了河道横断面设计效率。

(2)将传统人工手动逐项添加各类标注的工作模式进行创新，开发定制各类复杂标签。

(3)将传统人工手动绘图和出图的工作模式进行创新，研发出了一套自动批量出图的新型工作流程。

4、实现滨水景观工程前期方案确定与后期出图及效果展示相融合，达到全过程应用BIM技术，实现大规模生态景观项目BIM设计零的突破。

(1)开创“平面设计”与“效果预览”实时联动的工作模式

传统二维设计过程中难以直观反映设计成果，本次研究基于三维平台创新性地实现了“平面方案设计”与“三维真实效果”的实时联动，并且能够依据方案变化与模型调整自动更新，以所见即所得的真实效果指导设计。设计人员可以基于三维空间进行平面方案布局，并详细推敲方案，同时根据三维渲染结果判断广场节点的尺度、种植搭配的效果、竖向高程设计是否合理等问题。这种全新的设计模式能够为设计者带来更直观合理的判断依据，有助于方案的深入优化以及不同专业间的沟通对接。

(2)成功运用BIM技术实现景观施工图设计

基于前期设计中创建的BIM模型可直接导出后期的“平面布置”、“放线定位”、“竖向设计”以及“铺装索引”等景观施工图纸。同时能够按照项目需求自动统计土方开挖回填量、景观园建工程量、植物种植工程量等。所有图纸与工程量与设计方案实时联动，三维模型根据设计方案调整后图纸与工程量表会自动更新匹配，无需手动修改，大大减少了重复劳动。

(3)实现更丰富、直观、高效的信息化方案展示手段

对BIM模型进行分析优化方案设计，利用三维模型快速导出鸟瞰节点效果图、方案游览视频、EXE交互式浏览文件、手机端二维码全景浏览等，同时在沉浸式浏览中可以查看节点详细设计说明、结构设计图纸、构筑物尺寸、材料造价及供应商等多元信息，达到效果展示与信息读取的整合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。