基于Bentley平臺的交通標志BIM軟件開發(fā)

　　摘 要：交通標志對公路 BIM 十分重要，為了快速構(gòu)建交通標志 BIM 模型，文中研究我國交通標志相關(guān)規(guī)范和標志設(shè)計的特點和規(guī)律，分析標志版面布局構(gòu)成要素，提出交通標志“通用詞”概念，采用二次開發(fā)技術(shù)，在 Bentley 平臺中開發(fā)交通標志 BIM 模型輔助軟件。該軟件簡化標志模板設(shè)計，快速構(gòu)建標志庫，應(yīng)用“通用詞表”輔助建立標志布設(shè)模式，靈活高效地布設(shè)交通標志 BIM 模型。文中論述了交通標志 BIM 模型輔助軟件的研究過程和實現(xiàn)方法，并演示軟件功能，結(jié)果顯示該軟件有效地實現(xiàn)了交通標志的快速建模。

　　本文源自土木建筑工程信息技術(shù) 2021-02-01《土木建筑工程信息技術(shù)》(季刊)創(chuàng)刊于2009年，是經(jīng)國家新聞出版總署批準登記注冊，由中國科協(xié)主管、中國工程圖學學會主辦的國家一級刊物，面向國內(nèi)外公開發(fā)行?！锻聊窘ㄖこ绦畔⒓夹g(shù)》旨在全面反映國內(nèi)外土木工程行業(yè)在圖學和信息技術(shù)方面的成果與動態(tài)，堅持理論與實踐并重，提高與普及兼容，推動土木工程行業(yè)信息化建設(shè)步伐，提升土木工程行業(yè)信息化整體水平。本刊是國內(nèi)土木工程行業(yè)專門進行圖學和信息技術(shù)交流的惟一刊物，面向全國從事建筑、市政、道路、橋梁、交通、石化、電力等領(lǐng)域的設(shè)計、科研、施工和工程管理的廣大工程技術(shù)人員，以及工程類高等院校師生等。

　　關(guān)鍵詞：交通標志;BIM;二次開發(fā);Bentley;C++

　　近年來，BIM 技術(shù)在交通基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1]，涵蓋道路、隧道、橋梁等多個專業(yè)，并在可視化、VR、編碼技術(shù)和施工運維管理[2]等多個方面均呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的勢頭。交通標志是公路運輸最重要的信息，反映了公路項目與公路路網(wǎng)、交通、社會環(huán)境和自然環(huán)境的相互作用，是公路 BIM 項目中十分重要的環(huán)節(jié)。隨著 BIM 與 GIS 技術(shù)相結(jié)合[3]后，無論是項目展示還是后期應(yīng)用，都要求完善交通標志 BIM 模型設(shè)計，為實景狀態(tài)提供地理信息指示。然而目前主流軟件[4-5]還沒有成熟的交通標志 BIM 應(yīng)用軟件，促使我們開發(fā)專用軟件提高交通標志的建模效率。

　　1 Bentley 軟件及其開發(fā)方法介紹

　　1.1 開發(fā)環(huán)境選擇

　　BIM 核 心 建 模 軟 件 主 要 有 奔 特 力 ( Bentley)、歐特克( Autodesk)、達索公司和圖軟 ( Graphisoft)等四種[6]，分別向用戶提供了一整套基于 BIM 理念的解決方案。在基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域，奔特力 (Bentley)系列軟件具有明顯的優(yōu)勢，主要因為 Bentley 平臺的各種專業(yè)軟件，其底層圖形引擎都采用 MicroStation，軟件兼容性強，處理大體量模型速度更快，適用于大型基礎(chǔ)設(shè)施。公路工程為線狀工程，項目體量一般都比較大，長達幾十乃至上百公里，對 BIM 平臺要求較高，因此 Bentley 平臺在公路行業(yè)有比較成功的應(yīng)用。

　　Bentley ORD ( OpenRoads Designer CONNECT Edition)是 Bentley 專業(yè)道路設(shè)計軟件，在道路 BIM 模型設(shè)計中應(yīng)用較廣。而 Bentley CE ( CONNECT Edition ) 是 Bentley 平臺上基礎(chǔ)的二維/三維結(jié)構(gòu)處理軟件，在 CE 上開發(fā)的軟件通用性比較好，能在很好運用到 ORD 上，因此選擇 CE 作為軟件開發(fā)平臺。

　　1.2 Bentley 軟件開發(fā)技術(shù)與方案

　　基于 MicroStation，Bentley 提供了幾種開發(fā)手段，主要有早期的 MDL (MicroStation Development Language/Library) 、 MVBA(MicroStation Visual Basic for Application)、Addins 等。使用這些技術(shù)，胡小端[7]等用 MVBA 技術(shù)編制收費島 BIM 設(shè)計軟件，崔振宇[8]利用 C#開發(fā)鐵路箱涵設(shè)計軟件。Bentley還提供圖形化開發(fā)技術(shù)GC，胡正揚[9]使用該技術(shù)實現(xiàn)橋梁快速建模。

　　Addins 是 MicroStation 新的開發(fā)方式， Addins 是基于.NET 框架，可以使用 C#、 C++/CLI 或 VB.NET 語言來開發(fā) Addins 應(yīng)用程序。相比較于 MVBA，Addins 支持命令表、可以編譯成 DLL;相比較于 MicroStation 早期的 MDL，Addins 可以用 WinForm 來設(shè)計界面;此外，Addins 可以直接訪問 MicroStation 底層圖形引擎，開發(fā)出來的軟件速度快，專業(yè)性強，具有強大的開發(fā)潛力。因此，本次開發(fā)使用 C++/CLI 語言，采用MicroStation Addins方式和WinForm界面進行開發(fā)。

　　1.3 交通標志建模軟件的流程與界面

　　軟件設(shè)計框圖見圖 1 左，軟件由三個模塊構(gòu)成：標志模板設(shè)計模塊，標志布設(shè)模式設(shè)計模塊，標志布設(shè)模式應(yīng)用模塊;軟件包含了兩個數(shù)據(jù)庫：標志模板數(shù)據(jù)庫和標志布設(shè)模式數(shù)據(jù)庫，通過窗體界面進行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)標志數(shù)據(jù)庫和標志布設(shè)模式的存儲和管理，在 Bentley 平臺上快速布設(shè)交通標志，提高交通標志 BIM 建模效率。

　　軟件主要完成三個方面的工作，構(gòu)成軟件的三個模塊，圖1右顯示軟件的初始界面，該界面實現(xiàn)對三種工作模塊的選擇：

　　(1) 標志的模板設(shè)計模塊：實現(xiàn)標志模板的快速設(shè)計，并建立標志模板樣式的數(shù)據(jù)庫;

　　(2) 標志的布設(shè)設(shè)計模塊：應(yīng)用標志模板樣式數(shù)據(jù)庫，結(jié)合標志支撐方式，建立標志的布設(shè)模式，并形成標志布設(shè)模式庫;

　　(3) 標志的快速布設(shè)模塊：應(yīng)用布設(shè)模式進行標志的快速布設(shè)。

　　通過研究交通標志規(guī)范，分析標志模板設(shè)計和標志布設(shè)設(shè)計的規(guī)律(具體分析見后兩節(jié))，總結(jié)軟件開發(fā)的主要技術(shù)需求包括：

　　(1)設(shè)計標志數(shù)據(jù)庫和標志布設(shè)模式數(shù)據(jù)庫兩個數(shù)據(jù)庫，確定數(shù)據(jù)庫文件的格式、讀取原則和索引方式等;

　　(2)對數(shù)據(jù)庫文件的添加、刪除、修改、定位、讀取等操作接口軟件設(shè)計;

　　(3)界面設(shè)計以及輸入數(shù)據(jù)核查等;

　　(4)建立交通標志常用圖形數(shù)據(jù)庫，比如方向箭頭、警告禁令等的圖形樣式，便于應(yīng)用;

　　(5)應(yīng)用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，在 Bentley CE 上對文本、形狀和實體的創(chuàng)建來實現(xiàn)標志、支撐等構(gòu)件，以及對構(gòu)件的定位、布置等來實現(xiàn)標志的布設(shè)。

　　2 標志模板 BIM 設(shè)計軟件分析

　　2.1 交通標志構(gòu)成特點

　　按照我國交通標志的規(guī)范規(guī)定[10-11]，交通標志主要分為指示標志、指路標志、警告和禁令標志。交通標志由 4 個要素組成，分別是版面、邊框、文字和圖形，通過控制這 4 個要素的形狀、大小、位置、內(nèi)容和顏色等屬性，組成各種類型的標志。

　　常用的標志版面和邊框形狀主要有三角形，圓形和方形(長方形或正方形)。

　　2.2 標志模板設(shè)計軟件簡介

　　標志模板軟件基本流程參見圖 2 左，圖 2 右是模板設(shè)計軟件的界面。軟件實現(xiàn)標志的版面、邊框、文字和圖形等 4 個要素的大小、位置、內(nèi)容和顏色的設(shè)計，每種要素設(shè)計由有三個按鈕，“添加版面”按鈕和“全部刪除”實現(xiàn)添加或刪除該要素的內(nèi)容，“顯示 XX 列表”作用實現(xiàn)列表方式錄入和修改數(shù)據(jù)操作。

　　系統(tǒng)設(shè)計了 5 種標志數(shù)據(jù)庫，通過“選擇標志類型”下拉框選擇。標志圖形樣式也通過下拉框選擇，目前圖形庫中實現(xiàn)常用的 24 種圖形，包括方向箭頭、互通樣式、服務(wù)區(qū)、收費站、警告等，圖形樣式還需要在繼續(xù)豐富。

　　標志設(shè)計模板完成后，在 Bentley CE 平臺中顯示當前標志設(shè)計樣式，查看標志版面設(shè)計是否正確。正確的標志模板錄入到選中的數(shù)據(jù)庫中。雙擊界面右側(cè)的標志模板列表，可以調(diào)出設(shè)計好的標志模板，重新編輯并生成新的模板。

　　2.3 交通標志模板設(shè)計軟件及應(yīng)用

　　圖 3 顯示設(shè)計好的標志模板樣式，包括服務(wù)區(qū)、收費站，指示標志和警告禁令標志等，可以看出使用該軟件可以快速設(shè)計出不同類型的交通標志。通過交通標志模板設(shè)計，將各種標志模板數(shù)據(jù)化，建立標志數(shù)據(jù)庫，為標志布設(shè)提供數(shù)據(jù)支撐。

　　3 標志布設(shè)模塊分析

　　交通標志布設(shè)主要研究兩個方面的內(nèi)容：標志布設(shè)規(guī)律和標志的支撐方式。

　　3.1 標志布設(shè)規(guī)律分析

　　標志的布設(shè)主要是根據(jù)公路的出入口，功能構(gòu)造物，特殊路段等因素進行布置，為司乘人員提供位置、方向、駕駛要求和警示等信息。這些設(shè)計要素會導致標志模板反復(fù)應(yīng)用，反映標志設(shè)計布設(shè)規(guī)律。如果軟件能夠保存這種布設(shè)規(guī)律，就可能實現(xiàn)標志的快速布設(shè)。我們將這種在單一道路設(shè)計線上規(guī)律性標志布置簡稱為標志布設(shè)模式，此軟件的重要功能是能幫助建模人員建立標志布設(shè)模式。

　　把標志布設(shè)模式中有規(guī)律地替換的文字內(nèi)容稱為“通用詞”，單個布設(shè)模式中所有的“通用詞”構(gòu)成該模式的通用詞表。“通用詞”包括通用詞名稱和通用詞內(nèi)容，通用詞內(nèi)容表示可替換的內(nèi)容。比如圖 5(b)中服務(wù)區(qū)入口的布設(shè)模式中，通用詞名稱為 “服務(wù)區(qū)名稱”，通用詞內(nèi)容為“花園”。在應(yīng)用服務(wù)區(qū)入口布設(shè)模式時，只需要將 “花園”替換為項目的服務(wù)區(qū)名稱，即可應(yīng)用該模式快速布設(shè)該服務(wù)區(qū)標志的 BIM 模型。

　　3.2 標志支撐方式與布設(shè)

　　交通標志的支撐方式分為立柱式、懸臂式、門架式和附著式。其中立柱式又可分為單立柱和雙立柱，懸臂式又分為單懸臂和雙懸臂。同一支撐結(jié)構(gòu)上可以附著多個標志。

　　3.3 標志布設(shè)軟件簡析

　　交通標志布設(shè)的流程圖和界面見圖 4。此部分軟件實現(xiàn)交通標志預(yù)設(shè)位置設(shè)置、支撐方式選擇和布置，標志內(nèi)容是否與通用詞表的內(nèi)容對應(yīng)，標志布置加入到所選的布設(shè)模式中。

　　標志的支撐采用下拉菜單選取，并輸入設(shè)計參數(shù)。支撐樣式的基點在右立柱中心線與路面交點，這個基點是該布設(shè)位置的參照點，該位置上的每個標志都需要參照這個定位點進行定位。

　　每個標志模板用輪詢方式(圖 4 設(shè)計界面中“變更內(nèi)容”按鈕)，依次決定是否將模板內(nèi)的內(nèi)容替換為通用詞名稱，或者替換為項目所需的內(nèi)容。今后在該模式下，標志相關(guān)內(nèi)容都會被對應(yīng)的通用詞內(nèi)容所替換，通過這種方式，提高標志模板的適用性。

　　3.4 標志布設(shè)效果

　　軟件的設(shè)計目標是在應(yīng)用過程中不斷添加標志布設(shè)模式，形成豐富的設(shè)計資源，從而簡化標志的 BIM 設(shè)計。軟件有以下兩種優(yōu)點：一是可將每次標志設(shè)計成果保存下來，為以后的標志布設(shè)提供幫助;二是可以幫助設(shè)計人員將標志布設(shè)過程按照設(shè)計規(guī)律分類，建立布設(shè)模式，從而規(guī)范標志布設(shè)，以提高效率。比如對于單喇叭互通的標志設(shè)計，一般可以分為三個布設(shè)模式：主線出口預(yù)告與指示、匝道出口指示、匝道入口預(yù)告與指示。

　　應(yīng)用設(shè)計好的標志布設(shè)模式，選擇道路設(shè)計線，點擊“布設(shè)標志”按鈕即可展示設(shè)計效果。圖 5 中(a-c)分別顯示了主線樞紐互通出口布設(shè)模式，服務(wù)區(qū)入口指示模式和主線互通出口布設(shè)模式。為了演示效果，布設(shè)間距適當靠近。

　　4 交通標志布設(shè)模式的應(yīng)用

　　通常交通標志是沿道路設(shè)計線線性布置，這種依靠單條設(shè)計線規(guī)律性布置的標志均可建立標志布設(shè)模式。選擇布設(shè)模式后，選中設(shè)計線，修改通用詞、樁號、路邊距等參數(shù)后，實現(xiàn)一組關(guān)聯(lián)的標志組合的快速布設(shè)。設(shè)計人員可按照個人的習慣和項目的特點建立自己的模式。

　　圖6中顯示應(yīng)用標志布設(shè)模式的界面和設(shè)計效果，圖中顯示了互通出口匝道標志布設(shè)，在該模式下，軟件一次性地完成出口指示、匝道限速等標志的布設(shè)。

　　5 結(jié)語

　　(1)基于 Bentley 平臺開發(fā)交通標志 BIM 軟件，軟件開發(fā)采用 Microstation 的 Addins 技術(shù)，直接訪問 MicroStation 底層圖形引擎，使用 C++/CLI 語言，采用 WinForm 界面進行開發(fā)，軟件速度快，界面清晰，使用方便。

　　(2)研究我國交通標志設(shè)計的相關(guān)規(guī)范并結(jié)合標志設(shè)計的特點和規(guī)律，分析標志模板設(shè)計構(gòu)件要素，使得軟件可以簡化標志設(shè)計，快速構(gòu)建標志模板庫。

　　(3)提出“通用詞”方法來建立標志布設(shè)模式，有效地應(yīng)用了交通標志布設(shè)規(guī)律，靈活高效地布設(shè)交通標志 BIM 模型。

　　(4)在交通標志 BIM 輔助軟件的幫助下，用戶可逐步完善自有的標志庫和標志布設(shè)模式，加快標志 BIM 模型的構(gòu)建和布設(shè)，促進公路 BIM 模型的豐富和完善。

　　(5)將交通標志模板和標志布設(shè)模式數(shù)據(jù)化，把常用的標志設(shè)計流程固化，減少重復(fù)勞動，簡化標志 BIM 設(shè)計和布設(shè)的工作。