復(fù)雜路線上三維模型快速定位及創(chuàng)建方法研究

陶 鵬 戴 瑋

(1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088； 2.公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088)

1 概述

隨著社會(huì)的進(jìn)步和交通事業(yè)的發(fā)展，交通建設(shè)項(xiàng)目越來越趨向于大型化、復(fù)雜化與多元化，道路橋梁建設(shè)過程中各個(gè)環(huán)節(jié)、各個(gè)參與方開展工作也愈加繁雜，傳統(tǒng)的二維施工圖紙交付模式與零散的文檔管理模式已經(jīng)難以滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)、建設(shè)、管理與養(yǎng)護(hù)過程中的各種復(fù)雜需求。在這種環(huán)境下，交通領(lǐng)域?qū)IM技術(shù)的需求日益迫切。越來越多的公路、橋梁行業(yè)從業(yè)者開始關(guān)注BIM技術(shù)。BIM技術(shù)的核心在于信息模型(Information Model)的建立與使用，工程中各參與方共同使用與維護(hù)一個(gè)信息模型，通過信息的快速流通與傳遞來實(shí)現(xiàn)資源的合理使用與配置。當(dāng)前公路行業(yè)中BIM技術(shù)處于初步發(fā)展階段，信息模型的建立仍存在不少問題。當(dāng)路線平曲線、豎曲線比較復(fù)雜時(shí)，大規(guī)模橋梁設(shè)計(jì)過程中所涉及的獲取樁基坐標(biāo)、橋墩承臺(tái)定位、主梁施工節(jié)段定位、創(chuàng)建護(hù)欄等建模工作就會(huì)面臨定位不精確、工作量大等諸多難題，據(jù)此本文提出了一種快速建立信息模型的參數(shù)化方法，旨在提高信息模型創(chuàng)建效率和準(zhǔn)確率，為BIM技術(shù)的應(yīng)用和推廣積累經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)，為相關(guān)從業(yè)人員提供參考和借鑒。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 兩次法線定位原理

橋梁設(shè)計(jì)過程中，樁基、承臺(tái)、橋墩、護(hù)欄立柱、路燈的定位以及上部主梁施工節(jié)段的坐標(biāo)和旋轉(zhuǎn)角都與路線中心線平曲線法線和豎曲線法線有關(guān)。當(dāng)路線較長(zhǎng)、曲線較復(fù)雜，特別是涉及路線分叉時(shí)，法線的創(chuàng)建工作極其繁瑣與困難，而且作一次法線往往難以奏效。本文提出了一種作兩次法線并實(shí)現(xiàn)程序化的方法來解決這一難題，該方法分為兩部分：

1)平曲線處理，根據(jù)平曲線獲取構(gòu)件定位點(diǎn)X,Y坐標(biāo)以及構(gòu)件姿態(tài)分量1(繞Z軸的旋轉(zhuǎn)角)；

2)豎曲線處理，根據(jù)豎曲線獲取構(gòu)件定位點(diǎn)的高程信息(Z坐標(biāo))及構(gòu)件的姿態(tài)分量2(繞Y軸旋轉(zhuǎn)角度)。

2.1.1平曲線處理

對(duì)于分叉路線，平曲線的左幅設(shè)計(jì)線、右幅設(shè)計(jì)線以及路線中心線互不重合且互不平行，為了確定樁基、承臺(tái)、橋墩以及主梁節(jié)段等的中心的X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)以及其繞Z軸旋轉(zhuǎn)角度，這里采用了作兩次法線的方法，其原理如圖1,圖2所示。

詳細(xì)操作過程如下：

1)沿前進(jìn)方向，取一距離總體路線中心線起點(diǎn)L(L為沿總體路線中心線的曲線長(zhǎng)度，也即里程樁號(hào)，可以為跨徑、節(jié)段間距等任意長(zhǎng)度)的點(diǎn)A；

2)過點(diǎn)A作總體路線中心線的法線m，法線m與左幅設(shè)計(jì)線交于點(diǎn)B，與右幅設(shè)計(jì)線交于點(diǎn)B′；

3)分別過點(diǎn)B和點(diǎn)B′作左幅設(shè)計(jì)線和右幅設(shè)計(jì)線的法線n和n′；

4)在法線n上取一點(diǎn)C，C與點(diǎn)B相距W(W可以是樁基、承臺(tái)、橋墩以及主梁節(jié)段等中心點(diǎn)距離左幅設(shè)計(jì)線的XOY平面內(nèi)距離)，這里的點(diǎn)C即為定位點(diǎn)，其坐標(biāo)Xc，Yc為左幅的樁基、承臺(tái)、橋墩以及主梁節(jié)段等中心點(diǎn)的坐標(biāo)，法線n與X軸夾角(銳角)的補(bǔ)角θ即為左幅的承臺(tái)、橋墩以及主梁節(jié)段等繞Z軸旋轉(zhuǎn)的角度；同樣的可以得到右幅的點(diǎn)C′和參數(shù)W′，Xc′，Yc′，θ′；

5)按照1)～4)的步驟定位后續(xù)構(gòu)件。

對(duì)于簡(jiǎn)單路線上述兩次作法線方法仍然適用：可認(rèn)為左、右幅設(shè)計(jì)線與總體路線中心線三者重合，所得A，B，B′三點(diǎn)重合。

2.1.2豎曲線處理

通過豎曲線的處理，可以獲取樁基、承臺(tái)、橋墩以及主梁節(jié)段等的中心的Z坐標(biāo)及其繞Y軸旋轉(zhuǎn)角度，其原理如圖3所示。

豎曲線處理詳細(xì)過程如下：

1)根據(jù)豎曲線起點(diǎn)的里程樁號(hào)及高程，作出水平直線P，P的起點(diǎn)X坐標(biāo)為豎曲線起點(diǎn)里程樁號(hào)，Y坐標(biāo)為高程0.000；2)在直線P上取點(diǎn)A，A離直線起點(diǎn)距離為首施工節(jié)段中心距橋梁起點(diǎn)的里程距離；3)過點(diǎn)A作直線P的法線m，交豎曲線于點(diǎn)B，B點(diǎn)的Z坐標(biāo)即為主梁施工節(jié)段中心的Z坐標(biāo)；4)過點(diǎn)B作豎曲線法線n，法線n與X軸的夾角(銳角)的補(bǔ)角β即為主梁施工節(jié)段繞Y軸的旋轉(zhuǎn)角；5)按照1)～4)的步驟定位后續(xù)構(gòu)件。

至此構(gòu)件參考點(diǎn)的X,Y,Z坐標(biāo)及構(gòu)件姿態(tài)相關(guān)的轉(zhuǎn)角均可確定。

2.2 信息模型快速建立的程序?qū)崿F(xiàn)

按照2.1節(jié)所述兩次作法線方法可以實(shí)現(xiàn)橋梁部分構(gòu)件的三維定位，要實(shí)現(xiàn)快速建模，還需一個(gè)完善的橋梁構(gòu)件庫以及將兩者結(jié)合使用的簡(jiǎn)潔工具。作者在Bentley公司的Microstation三維設(shè)計(jì)平臺(tái)基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，使用其“共享單元”這一特殊元素創(chuàng)建橋梁構(gòu)件共享單元庫，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜路線上的大規(guī)模橋梁信息模型的快速建立。

為了增大工具的適用范圍，也為了后期維護(hù)更方便，程序開發(fā)時(shí)采用了解耦的思路，將工具一分為二形成兩個(gè)相互獨(dú)立的模塊：

1)模塊A，如圖4所示，基于用戶選擇的平總曲線及相關(guān)定位參數(shù)，快速計(jì)算各個(gè)構(gòu)件定位點(diǎn)的X，Y，Z坐標(biāo)及構(gòu)件的姿態(tài)參數(shù)，并將結(jié)果導(dǎo)出到csv參數(shù)文件；

2)模塊B，如圖5所示，根據(jù)用戶導(dǎo)入的所有構(gòu)件的定位點(diǎn)的X，Y，Z坐標(biāo)及構(gòu)件的姿態(tài)參數(shù)以及代表構(gòu)件的三維模型單元名稱，批量將所有構(gòu)件的三維模型單元放置在正確的位置。兩個(gè)模塊(進(jìn)程)之間采用csv中間文件進(jìn)行通信。

程序?qū)崿F(xiàn)主要過程如下：1)建立橋梁構(gòu)件的單元庫；2)根據(jù)用戶選擇的平曲線和豎曲線及輸入的相關(guān)距離參數(shù)，按照2.1節(jié)所述方法計(jì)算構(gòu)件定位點(diǎn)的三維坐標(biāo)及轉(zhuǎn)角；3)利用構(gòu)件單元庫及構(gòu)件定位點(diǎn)三維坐標(biāo)和轉(zhuǎn)角批量放置共享單元，實(shí)現(xiàn)模型的快速建立。

2.3 同類實(shí)現(xiàn)方法對(duì)比

Bentley系列軟件中有一款名為OpenBridge Modeler(后文簡(jiǎn)稱OBM)的橋梁工程參數(shù)化建模軟件，該軟件也具有沿路線批量放置單元的功能，與本文研究的方法類似。

經(jīng)使用測(cè)試發(fā)現(xiàn)，本文所研究的方法及工具與OBM軟件相關(guān)功能相比，具有以下兩個(gè)無法忽視的優(yōu)點(diǎn)：

1)OBM軟件在放置構(gòu)件時(shí)，均為等間距布置，而本方法及工具支持任意間距放置構(gòu)件，只需要在“間距參數(shù)文件路徑”TextBox中輸入形如30×3+40×5+25……的表達(dá)式，即可實(shí)現(xiàn)按照3個(gè)30 m,5個(gè)40 m,25 m……這樣的任意間距放置構(gòu)件單元；

2)OBM軟件放置的構(gòu)件單元均為鉛錘向上的，即沒有考慮構(gòu)件沿Y軸旋轉(zhuǎn)這一姿態(tài)分量，僅僅考慮了沿Z軸旋轉(zhuǎn)的姿態(tài)分量，如現(xiàn)實(shí)工程中鋼箱梁內(nèi)的橫梁或橫隔板應(yīng)該垂直于箱室的頂?shù)装澹谟锌v坡時(shí)橫梁或橫隔板就不應(yīng)該是鉛錘的。本方法和工具在計(jì)算構(gòu)件姿態(tài)時(shí)同時(shí)考慮了構(gòu)件沿Z軸和Y軸的旋轉(zhuǎn)(也可以按需在csv結(jié)果文件中把某些構(gòu)件的沿Y軸旋轉(zhuǎn)角重置為0來實(shí)現(xiàn)構(gòu)件鉛錘的效果)，彌補(bǔ)了OBM軟件的這一致命缺陷。

3 應(yīng)用實(shí)例

蕪湖長(zhǎng)江公路二橋項(xiàng)目全長(zhǎng)55.508 km，全線多處出現(xiàn)左右幅路線路基分離現(xiàn)象，屬于典型的復(fù)雜路線上的大規(guī)模橋梁項(xiàng)目，全線大部分的樁基、橋墩、承臺(tái)定位建模均可采用本文提出的快速建模方法。依照標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化、裝配化的先進(jìn)設(shè)計(jì)理念，長(zhǎng)江兩岸共28.826 km的引橋和接線橋梁上部結(jié)構(gòu)均采用了全體外預(yù)應(yīng)力混凝土節(jié)段預(yù)制拼裝箱梁形式。采用開發(fā)的程序模塊可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)項(xiàng)目共20 034榀預(yù)制節(jié)段和護(hù)欄的精確定位和快速建模。最終模型如圖6，圖7所示。經(jīng)多方比較驗(yàn)證：本方法定位結(jié)果精確可靠。使用共享單元可以極大的減小模型文件所占磁盤空間：本項(xiàng)目最終dgn文件大小低于150 M。

4 結(jié)語

目前BIM技術(shù)在公路工程行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用，很多信息模型建立工作雖然能實(shí)現(xiàn)，但是效率較為低下，而且解決方案也亟待優(yōu)化。本文提出的一種信息模型建立方法可以實(shí)現(xiàn)批量參數(shù)化建模，模型建立快速、精確、高效，可以較好的解決復(fù)雜路線上的大規(guī)模橋梁三維信息模型建立困難的難題，同時(shí)也為同類橋梁的信息模型建立提供了一種解決思路。