馬林軍，黃 偉，原志寧，鐘婷婷

（1.寧夏交通建設股份有限公司，寧夏 銀川 750004；2.浙江省建投交通基礎建設集團有限公司，浙江 杭州 310012）

0 引言

碰撞檢測所依托的基本原則是在一個相同的空間區(qū)域內(nèi)不能共存兩個及以上不可穿透的封閉對象，所以檢測目的是判定在所檢區(qū)域內(nèi)是否存在物體發(fā)生空間沖突[1]。碰撞檢測主流方法為基于物體空間的檢測算法，是利用物體三維幾何特性進行判斷，BIM技術本身所具有的建模邏輯和可視化特性能夠完美支持此檢測方法。而橋梁工程中存在較多的異形結(jié)構和鋼混結(jié)合段，碰撞問題不可避免并會在施工階段產(chǎn)生較多變更造成資源和時間的浪費。因此，對橋梁工程進行基于BIM技術的碰撞檢測應用及方法優(yōu)化研究意義重大。鑒于此，本文基于Bentley平臺的Navigator軟件，結(jié)合靜態(tài)、偽動態(tài)和動態(tài)碰撞檢測理論對碰撞檢測方法進行優(yōu)化并應用于某橋梁工程。結(jié)果表明，方法優(yōu)化后可大幅降低運算量，并提高檢測效率。

1 碰撞檢測方法優(yōu)化研究

本文基于BIM技術的碰撞檢測可分為兩個過程，一是依托Micro Station所建橋梁模型在Navigator中進行靜態(tài)碰撞檢測，二是考慮時間因素的工作空間碰撞檢測。在BIM碰撞檢測功能基礎上結(jié)合時間域分類下的3種碰撞檢測理論進行方法優(yōu)化主要是為解決靜態(tài)檢測運算量大和偽動態(tài)檢測下的碰撞遺漏問題。

1.1 碰撞檢測算法及應用

在時間域分類下，碰撞檢測可分為靜態(tài)、偽動態(tài)和動態(tài)3種模式。靜態(tài)碰撞檢測是判定對象在某一固定時間點是否與所檢區(qū)域內(nèi)其他對象相交，不考慮實時性。動態(tài)碰撞檢測是檢測在一個連續(xù)時間[t0，tn]上對象掃過的空間是否與環(huán)境中其他物體相沖突，考慮四維時空問題且要求精確建模。偽動態(tài)碰撞檢測是根據(jù)運動路線判斷對象在時間點t0，t1，…，tn上的離散點處是否存在與其他對象的碰撞?？臻g域分類中基于物體空間的碰撞檢測方法最適用于天然具有的三維幾何可視化和自動計算優(yōu)勢的BIM技術。在物體空間碰撞檢測方法中，層次包圍盒樹法通過對區(qū)域中待檢對象創(chuàng)建層次包圍盒樹來減少精確求交的物體數(shù)來實現(xiàn)運算的簡化[2]。包圍盒樹有層次包圍球樹、AABB包圍盒、OBB層次樹等。

現(xiàn)階段的橋梁建筑逐漸出現(xiàn)了更多的異形復雜結(jié)構，施工組織也更為繁瑣，因此提高碰撞檢測技術的實時性是領域內(nèi)學者研究的核心問題?；贐IM軟件系統(tǒng)的碰撞檢查能夠很好地解決這一問題。其碰撞檢測步驟可分為粗篩和詳檢兩步，即先采用掠掃法將對象的包圍體降維投影進行堆疊檢測，排除空間中顯然不會相交的幾何構件；再應用包圍盒樹法遞歸分解模型對象，檢測出各個層次節(jié)點的包圍體相交狀況。

基于BIM軟件系統(tǒng)的碰撞檢測類型主要分為以下4種：

（1）硬碰撞：幾何圖形沖突且相交深度大于設定公差。

（2）硬碰撞（保守）：進行模型包圍體交互檢測，相對第一種方法更加安全。

（3）間隙碰撞：根據(jù)所設定公差檢測模型間小于該規(guī)定值的相離、相交（包括硬碰撞）均為碰撞。

（4）軟碰撞：對運動中的模型對象進行潛在碰撞檢測，即檢測算法中的偽動態(tài)及動態(tài)檢測方法。

經(jīng)過兩大步驟和四類碰撞檢測方法的結(jié)合應用，即可得到模型中接觸點、穿刺深度等碰撞信息。但這些還是以靜態(tài)檢測結(jié)果為主，在進行軟碰撞檢測（此處特指動態(tài)碰撞檢測）時，運算量過大導致實時性很差。因此，需要針對偽動態(tài)檢測碰撞遺漏問題進行優(yōu)化研究。

1.2 基于BIM技術的檢測方法優(yōu)化

進行碰撞檢測方法的優(yōu)化主要是為了減少檢測中不必要的數(shù)據(jù)計算。對靜態(tài)碰撞檢測而言，最佳優(yōu)化方法為球體覆蓋法。對偽動態(tài)碰撞檢測而言，運動間隙填充是最為有效的方法[3]。球體覆蓋法即在對象外包裹可達到的半徑最小的球體，并判斷兩個覆蓋球之間是否相交，并在相交后將單獨大球體縮小為系列小球體，不斷分割檢測，直到得到滿意的近似值。運動間隙填充法針對偽動態(tài)碰撞檢測中離散點之間由于“細節(jié)丟失”問題而導致碰撞遺漏的問題，通過建立圍繞物體所經(jīng)過空間的凸殼代替實體的四維形狀。利用凸殼進行運動間隙填充并利用OBB層次樹進行碰撞檢測的優(yōu)化方法步驟如下：

（1）計算并建立所檢測對象的凸殼。

（2）假設可以得到n個三角形并記為Δpkqk rk，pk、qk、rk分別是三角形k的3個頂點，k=1，2，3，…，n。

（3）三角形k的質(zhì)心mk為：

（4）整個凸殼的質(zhì)心mH為所有三角形質(zhì)心的加權平均值，可記為：

式中：mH為整個凸殼的質(zhì)心；aH為凸殼總面積；ak為三角形k的面積；mk為三角形k的質(zhì)心。

（5）通過計算3×3協(xié)方差矩陣c的特征向量即可得到所求包圍盒的方向向量：

（6）特征向量歸一化計算得到OBB層次樹的方向向量au、av和aw，找到OBB的中心及半徑并計算凸殼上的點在向量方向上的投影大小，確定每個方向上的最大值和最小值后即可得到包圍盒的大小和位置。

對于偽動態(tài)碰撞檢測來說，基于BIM軟件平臺進行運動間隙填充方法優(yōu)化后，解決了其碰撞遺漏問題，從而能夠充分發(fā)揮BIM模型在施工組織和時空沖突檢測中的應用優(yōu)勢，使得碰撞檢測方法框架更加全面。

2 優(yōu)化碰撞檢測方法實現(xiàn)

2.1 Navigator軟件介紹

由美國Bentley System公司開發(fā)的Bentley Navigator軟件集成了Bentley Interference Manager(Bentley碰撞檢測管理器),可實現(xiàn)對PlantSpace模型硬碰撞和軟碰撞的檢測、查看和管理功能。另外，還可以對其他各種商業(yè)軟件所創(chuàng)建的3D模型進行碰撞檢測,如PDS、AutoPLANT或者其他相關的Micro-Station或AutoCAD等應用程序。經(jīng)過多年的發(fā)展,Bentley Navigator軟件不斷迭代更新，朝著更加人性化的方向發(fā)展。在Bentley Navigator軟件中使用Interference Manager可以實時查看碰撞的情況,快速找到并鎖定碰撞沖突。設計人員可在虛擬環(huán)境中模擬項目場景,解決碰撞沖突,提高設計質(zhì)量,減少廢棄工程,節(jié)約工程投資,并衍生出更高的經(jīng)濟效益。

2.2 優(yōu)化碰撞檢測方法實現(xiàn)

將待檢測的模型導入Navigator軟件并設定碰撞邊界條件,選定待檢測構件，程序根據(jù)優(yōu)化方法自動計算OBB層次樹的方向向量au、av和aw，找到OBB的中心及半徑并計算凸殼上的點在向量方向上的投影大小，確定每個方向上的最大值和最小值后即可得到包圍盒的大小和位置，實現(xiàn)構件碰撞檢查,找出沖突點在構件的精確位置及參數(shù)信息。

3 工程實例

中衛(wèi)南站黃河大橋，起點位于中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)平安西路與機場大道平交口處，終點K2+800位于黃河南岸，與吳忠至中衛(wèi)城際鐵路中衛(wèi)南站路網(wǎng)相連。線路走向基本由北向南，項目路線全長1.84 km，雙向4車道一級公路。其中，橋梁長1.049 km，按城市主干路標準建設，設計速度60 km/h。全橋共有裝配式T梁橋、變截面連續(xù)箱梁橋、鋼混組合梁、拱梁組合體系4種類型。它的主橋設計是跨越黃河主航道的異形鋼拱橋和（80+120+80）m預應力混凝土變截面連續(xù)箱梁。中衛(wèi)南站黃河大橋三維效果如圖1所示。

圖1 中衛(wèi)南站黃河大橋三維效果圖

基于Navigator軟件對已建LOD400精度等級主橋模型進行靜態(tài)和偽動態(tài)碰撞檢測，得到如下檢測結(jié)果。

3.1 靜態(tài)碰撞檢測

首先通過粗篩排除無碰撞可能部分，接著利用包圍盒樹法對易碰撞對象進行詳檢。本工程中，上部結(jié)構與下部結(jié)構之間不存在碰撞可能，通過粗篩直接排除。詳檢階段檢測得到：（1）18#預制混凝土梁段中，預應力鋼束TG2、TG3、TH2暴露于混凝土外部。（2）主拱左右拱肋交匯區(qū)出現(xiàn)大量碰撞，部分碰撞信息見表1。（3）鋼混結(jié)合段#18、#17南、北部普通鋼筋與鋼束碰撞。（4）V腿鋼筋與#17梁段普通鋼筋碰撞。（5）V腿鋼筋與#17梁段預應力鋼束碰撞。（6）副拱吊桿底點與錨固之間普遍發(fā)生偏心碰撞。

表1 主拱左、右拱肋部分碰撞信息

3.2 偽動態(tài)碰撞檢測

對本工程進行偽動態(tài)碰撞檢測，分析發(fā)現(xiàn)吊裝施工侵占了航道并在某時間段內(nèi)與往來的船舶之間發(fā)生位置沖突。針對此軟碰撞沖突問題，先在環(huán)境地物模型中標示航道確切位置，再在Navigator中根據(jù)海事機構提供的通航時間和施工組織計劃中的施工時間鏈接入動畫中進行基于時間變化的通航動畫模擬，記錄下沖突時間段并進行施工計劃調(diào)整或報告航道部門采取通航管制措施。

4 結(jié) 論

本文基于BIM軟件本身的碰撞檢測功能對靜態(tài)及偽動態(tài)下的碰撞檢測方法進行了優(yōu)化研究，并將優(yōu)化后的方法應用于實際橋梁工程中。實踐表明，優(yōu)化后的方法具有更高的運算效率并較好地解決了離散時間點下的碰撞遺漏問題，為碰撞檢測與BIM技術的結(jié)合研究提供了新的思路。