公路立交BIM參數化快速精確建模方法研究

王 茹，權超超

公路立交BIM參數化快速精確建模方法研究

王 茹，權超超

(西安建筑科技大學土木工程學院，陜西 西安 710055)

公路立交工程自身空間結構復雜、曲線交叉繁雜、跨橋線路復雜、橋面高程變化繁多等特點，給建模工作造成了極大的困難，大型立交橋的設計建模工作一直是工程界亟待解決的問題。采用BIM相關軟件，針對公路立交工程的特點，通過將BIM相關建模軟件與可視化編程插件——Dynamo相結合的方法，詳細論述了實時可編輯地形模型、主體結構精度模型以及批量附屬設施的三維模型快速搭建方法。并通過具體操作實例證明該方法能提高公路立交BIM模型的搭建效率，可推動BIM技術在公路立交工程中的應用。

公路立交；BIM技術；三維建模；Dynamo；可視化編程

近年來，隨著BIM技術在房屋建筑領域的迅速發展，也刺激了其在交通領域的應用。BIM相關軟件的發展，為復雜工程的三維建模與可視化創造了條件。在實際的公路立交工程中，由于其勘察設計難度大、施工難度高，一般均需要由專業設計團隊完成設計方案，再交由專業施工單位進行施工。因此，對于立交橋類的工程項目，建立既能完整表達設計方的理念，又能夠指導施工作業的BIM模型就顯得極為重要。在立交BIM模型搭建方式上，周游等[1]通過在小灣立交工程上開展BIM技術應用，詳細梳理了整個復雜立交BIM模型建立的思路及正確流程；在交通領域BIM標準庫搭建上，李海榮[2]基于BIM技術在高速公路全生命周期標準構件庫構建的作用，并針對道路、橋梁及交通工程等模塊建立了相應的構件標準庫；在公路立交設計階段，王玨[3]以Autodesk BIM平臺為基礎，提出了一套完整的BIM立交設計體系，并應用Civil 3D完成了設計工作，解決了現階段應用BIM技術在復雜線性設計和立交端部設計中的難點；在對常規橋梁的快速建模研究領域，林友強等[4]提出在設計階段通過開發Revit，CAD，Midas等軟件建立了TJADBrIM橋梁信息模型系統，將該系統應用于一座鋼混組合箱梁橋，通過建立橋梁族庫，實現大部分常規橋梁的快速建模、結構分析和自動出圖等功能，驗證了TJADBrIM系統的有效性。

結合作者參與的某立交橋工程項目，針對公路立交工程的特點，通過將BIM相關建模軟件與可視化編程插件——Dynamo結合的方法，詳述了實時可編輯地形模型、主體結構精度模型以及批量附屬設施的三維模型快速搭建方法。其可為指導公路立交工程路線選型、三維可視化設計、重難節點施工及后期運營維護等方面的應用起到積極的推動作用。

1 公路立交建模中的問題和難點

當前，國內的許多設計院仍然還在使用傳統的——通過平、縱、橫斷面的斷面圖等步驟對公路立交工程進行整體設計。但該類設計方法的三維可視化效果很差，設計時僅靠想象難以把握設計方案在平、縱、橫斷面結合后的三維整體效果，也不利于對設計成果進行及時意見反饋和客觀評價[5]。近年來，很多設計院意識到該問題，也采用了一些方法進行改善。常規的做法是將傳統設計圖，經過三維圖形軟件處理，獲得立交整體的三維效果，但此過程需要精細化的操作，需耗費大量的時間和精力；并且三維圖形渲染類軟件的操作者，往往缺乏立交設計的知識經驗，無法真正理解設計的內涵，所以很難及時對設計工作提出有效的反饋意見。更麻煩的是，無法實現三維模型的實時修改及編輯，當設計進行任何的修改和調整時，相應的三維效果圖就需要重新推倒重做，造成了大量的資源浪費。

2 公路立交BIM平臺選擇

隨著BIM技術的深入發展，公路立交橋工程也被期望采用該技術給出解決方案。目前國際上出現了多款為工程提供BIM服務的軟件，其中最具代表性的2個平臺為Autodesk和Bentley。表1為BIM平臺對比分析，可見Autodesk平臺在國內設計環境的適應性、界面的友好度以及軟件的參數化驅動方面[6]都具有獨特的優勢。因此，采用Autodesk平臺進行BIM技術在公路立交工程中的研究。

表1 BIM平臺對比

3 公路立交橋三維建模方法

公路立交工程建造復雜，受地形因素影響大，且涉及專業眾多。根據公路立交工程的特點，將整個公路立交三維模型抽象為地形模型、構筑物模型、附屬設施模型3部分[5]。采用Dynamo命令流快速建模、自定義形體建模、定義參數公式創建族等方法，完成公路立交橋三維模型的快速創建。

3.1 實時可編輯地形創建方法

在實際的工程項目中，需要先由工程勘察設計單位在實際地理環境中通過勘察測量完成公路路線的地形狀況勘探。傳統的三維地形創建軟件，地形模型一經創建，很難再對地形進行實時編輯修改。導致在后續進行挖方填方工作難以在原有地形模型上進行編輯。而在Revit軟件中，可以通過導入帶有高程屬性的CAD工程地形圖生成實時可編輯的三維地形模型。若施工方由于某些原因未拿到勘察單位的地形等高線CAD圖，也可以通過BIGEMAP軟件進行衛星地圖定位，生成工程項目的地形等高線CAD圖。然后將其導入Revit軟件中，生成三維地形模型。在后續設計工作中，如需對部分地形模型進行場地平整工作，可以通過對地形數據點的高程進行修改編輯，使得地形與構筑物緊密結合，創建出更貼合實際情況的三維模型，同時保證模型的精確性。該方法可為基坑工程等涉及到土方工程模型搭建提供了一定的參考。Revit所建地形效果如圖1所示；Revit地形模型的創建流程如圖2所示。

圖1 Revit所建地形模型

圖2 地形模型創建流程

3.2 公路立交橋構筑物模型快速搭建方法

公路立交工程中易出現路線交叉、路面高程多變的復雜曲線，為建模工作增加了很大的難度。在公路立交系統中，所含構筑物主要包括路基路面、中央分隔帶、硬路肩、土路肩、邊溝、路堤、路塹、邊坡以及橋梁結構的橋墩、橋臺、箱梁及基礎。針對種類如此繁多的構筑物，需要根據其復用性高低，分別采用有針對性的建模技術，建立三維BIM模型。

3.2.1 Dynamo工作流快速精準建模方法

Autodesk Revit軟件對復雜曲面形體的創建，優勢并不明顯，且在公路立交模型搭建過程中，Revit自身也顯示出操作復雜、重復性勞動多的缺點。針對這些問題，Autodesk公司在Revit軟件的基礎上，開發了可視化編程軟件Dynamo，通過Dynamo幫助用戶實現互操作性的工作流程文檔管理，自動的模型創建、協調、模擬和分析[7]。本文以橋面模型為例，采用Dynamo工作流的方法，完成快速建模。利用Dynamo軟件中List功能提供的數據批量輸入和輸出功能，將立交橋面建模所需的設計參數通過宏輸入，再通過Solid.BySweep命令完成橋面模型的建模。采用Dynamo工作流的方法，可同時完成多個連續橋面模型的創建。即使對于不同截面橋面，只需要進行簡單的參數修改，重新運行工作流，即可生成不同的橋面模型。同時，Dynamo工作流的方法可實現橋墩及路燈照明等構件設施沿路線批量放置、一步完成，與常規單個放置方法相比大大提高了建模效率。

Dynamo軟件的建模與Revit是同步進行的，當Dynamo建模完成后，便可導入Revit軟件中。模型的形狀尺寸是由Dynamo中的輸入參數驅動的，在Revit中定義參數和族屬性就可以完成模型的參數化。Dynamo軟件所創建的橋面模型如圖3所示。

圖3 立交橋面模型

Dynamo還提供Bridge節點包，利用其可快速生成橋梁構件，通過簡單的參數修改，創建符合要求的橋梁模型，節省了操作者編寫命令流的工作時間。

3.2.2 自定義形體族庫模型創建方法

針對立交工程結構復雜性及多樣性的特點，如橋墩、橋臺及箱梁基礎等復雜實體模型，可以采用自定義形體創建完成。在Revit軟件中，對于類型相同尺寸不同的構件，如箱梁結構，當其結構形式相同，跨度不同時，可以通過創建一個箱梁族樣板文件，然后通過對其進行參數修改，就可實現一次建模，多次使用，可有效避免重復性建模工作，還能夠降低尺寸出錯概率，從而實現快速建模。圖4為基于公制輪廓族創建的立交橋箱梁模型的效果圖；圖5為立交橋項目所建立的分路段的箱梁及橋墩族庫。

圖4 立交橋箱梁模型

圖5 立交橋箱梁及橋墩族

3.3 批量附屬設施模型搭建方法

公路立交附屬設施三維模型也是公路三維表達中的重要組成部分，包括防護設施、安監設施、交通標志牌、道路標志線、隔離綠化帶等。然而，這些附屬設施不僅數量繁多，而且種類復雜，若是逐一創建，極其耗費時間和精力。針對該情況，本文從三維可視化表現的真實感和建模方法上考慮[8]，將這些附屬實體模型分為2類進行建模。

3.3.1 連續線性實體模型

公路的行車虛線可采用等距排列短線實體模型表示，針對立交系統大量的行車線標識，且存在各種曲線的復雜路面，不可能逐一創建短線實體模型。此時，就需要運用Revit中自定義參數族工具來創建。通過新建“公制結構框架-梁和支撐”族樣板文件；然后設置響應參數，創建一塊基本的行車線標識；之后在族類型中通過進行參數關聯，并引入相關的數學公式，創建能夠隨路面長度及弧度變化的行車線族。后期若想對行車線結構進行修改時，只需對族文件進行參數修改，模型中所有運用此族的模型均將全部自動更新。行車線族的類型參數、三維模型及其路面貼合情況如圖6~8所示。

圖6 行車線族類型

圖7 行車線三維模型

圖8 行車線與路面貼合

3.3.2 離散型附屬結構實體模型

公路立交工程沿途有各種規律排布的交通標志牌、安監設備、路燈照明設備等。這些模型均可以用Revit軟件族庫插件來建立。通過搜索族庫大師中族類型，選擇合適的族構件，經過簡單的參數修改，創建符合工程要求的族構件。根據確定的放置平面位置，將這些離散的實體模型準確地放置到公路立交整體模型中。由于族庫文件的幫助，減少自建族的繁瑣，使建模工作變得簡單。圖9為交通標志牌模型。

圖9 交通標志牌模型

3.4 模型渲染及實時漫游查看

完成模型的創建后，為了取得更好的視覺效果，一般需要將模型導入相關的渲染類軟件進行渲染。通過對公路立交三維整體模型的不同部分配上相應的材質，選擇合理的光照角度、攝像機路徑及拍攝視角，然后逐幀渲染生成視頻動畫[9]，實現模型的三維實景漫游視頻。本文方法建立的公路立交三維模型可以形象、生動、逼真的展現工程的三維面貌。圖10是從渲染類軟件中選擇的立交模型路線交叉的漫游景象。

圖10 立交模型路線交叉漫游景象

4 結束 語

公路立交工程建設投資大、施工難度高，對周圍環境影響較大。對公路立交工程進行BIM建模，可為設計人員及施工人員提供極好的可視化幫助。作者結合自己的工程經驗及相關文獻，將整個公路立交橋模型分為地形模型、構筑物模型和附屬設施模型等3部分[5]。針對各部分模型不同的結構特點，分別采用Dynamo工作流快速精準建模、自定義形體族庫建模、以及定義參數公式創建族等方法，實現模型的批量放置、一模多用及批量修改等功能，大大加快了公路立交工程的建模效率。其次，本文展示的實時可編輯地形的創建方法，可為基坑工程等涉及到土方工程模型的創建提供一定的參考。此外，本文還采用自定義參數公式創建族的方法創建能夠隨路面長度及弧度變化的行車線族，也為其他市政道路、公路工程的交通標志線模型的創建提供有價值的參考。最后，將所創建的模型，導入渲染類軟件漫游查看，表明所創建的模型具有形象、生動、逼真的三維面貌。因此，本文方法可為BIM軟件創建立交橋工程模型提供一定的參考，利用Revit建立橋梁模型可方便與周邊建筑物數據模型進行交互整合匯總，從而推動城市公路立交工程路線選型、三維可視化設計、重難節點施工及后期運營維護等方面的應用，為公路立交工程向可視化、數字化、智能化發展提供助力。

[1] 周游, 陳鍵豐, 范宇豐, 等. BIM技術在立交工程設計階段的應用研究[J/OL]. 重慶交通大學學報: 自然科學版: 1-6. [2018-09-22]. http://kns.cnki.net/KCMS/ detail/50.1190.U.20181108.1207.026.html.

[2] 李海榮. 高速公路全壽命周期BIM標準模型構建與應用研究[D]. 西安:長安大學, 2017.

[3] 王玨. 建筑信息模型(BIM)在互通式立交設計中的應用研究[D]. 南京: 東南大學, 2015.

[4] 林友強, 曾明根, 馬天樂, 等. 橋梁工程設計BIM技術應用探索[J]. 結構工程師, 2016, 32(4): 7-12.

[5] 肖振發. 高速公路實時三維可視化景觀設計系統設計與實現[D]. 廣州: 華南理工大學, 2012.

[6] 汪遜. 節段預制拼裝橋梁的建筑信息模型(BIM)關鍵技術研究[D]. 南京: 東南大學, 2016.

[7] 羅嘉祥, 宋姍, 田宏鈞. AutodeskRevit煉金術Dynamo基礎實戰教程[M]. 上海: 同濟大學出版社, 2017: 1-2.

[8] 鐘登華, 劉奎建, 吳康新. 公路隧道三維建模與可視化實現[J]. 工程圖學學報, 2005, 26(4): 81-86, 167.

[9] 張正峰. 復雜建筑群施工過程三維可視化仿真與優化研究[D]. 天津: 天津大學, 2006.

Research on Fast and Accurate Modeling Method of BIM Parameterization for Highway Interchange

WANG Ru, QUAN Chao-chao

(School of Civil Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an Shaanxi 710055, China)

For the highway interchange project, because of its own complex spatial structure, miscellaneous intersection of curves, and complicated route across bridges, as well as the frequently varied elevation of bridge floor, great difficulties have been caused to the modeling work, and the design and modeling of large overpasses have always been a problem which urgently needs to be resolved in engineering field. Using BIM related software, according to the characteristics of highway interchange engineering, through the method of combining the BIM related modeling software with the visual programming plug-in Dynamo, this study discusses in detail the rapid construction method of real-time editable terrain model, main structure precision model and 3D model of the batch auxiliary facilities. The specific operation examples have shown that this method can improve the construction efficiency of the road interchange BIM model, there by promote the application of BIM technology in highway interchange engineering.

highway interchange; BIM technique; 3D model; Dynamo; visual programming

U 448

10.11996/JG.j.2095-302X.2019040766

A

2095-302X(2019)04-0766-05

2018-11-24；

定稿日期：2019-03-11

國家自然科學基金面上項目(51278400)

王 茹(1968-)，女，江蘇豐縣人，教授，博士，碩士生導師。主要研究方向為BIM技術、古建筑保護與虛擬修復技術、建筑結構仿真優化與智能建筑、智慧城市建設等。E-mail：wangru@xauat.edu.cn