基于Dynamo的預制箱梁BIM模型參數化建模技術

張勝超 郭新賀 鮑大鑫

(中鐵建工集團有限公司建筑工程研究院，北京 100160)

引言

BIM技術正在全球范圍內推動傳統建筑行業產生重大變革，其可視化、協調性、模擬性、優化性、可出圖性等特點得到越來越多設計及施工技術人員的認可。在房屋建筑、大型公共建筑、市政工程領域，BIM技術在設計、施工階段應用案例較多，建模軟件與應用方案也較為成熟，但在橋梁工程設計、施工中的應用案例和文獻尚少。隨著BIM技術近年來在公路、鐵路、市政等建設領域的不斷探索與應用，越來越多的BIM技術工作者投入到參數化建模技術的研究中來，研究成果也如雨后春筍般涌現。

國外對基于Dynamo的參數化建模技術的研究較早，相關技術也較為成熟。如Christian Koch等[1]提出了一種隧道信息建模框架，集成了四個相互關聯的子域模型和鏈接的項目性能數據； Kettil E[2]把參數化設計方法應用到橋梁的設計過程中進行研究，提出了橋梁參數模型及其參數的獲取方法。近幾年國內在基于Dynamo的參數化建模技術領域的研究也逐漸增多。陳浩翔[3]針對預應力變截面連續梁橋的特點與參數化設計的優勢，對預應力連續梁橋的參數化建模設計進行了相關研究，提出了完整的參數化設計在初步設計階段的應用流程； 田斌華[4]以新彎隧道工程為例，對公路隧道的BIM模型進行了參數化建模研究，提出了一種隧道構件參數化建模算法，實現了隧道構件模型快速創建與自動布設； 程霄等[5]以Dynamo為切入點，對裝配式建筑領域的參數化建模技術進行了研究，討論了預制構件參數化設計的可行性與優勢； 吳生海等[6]以運城文化藝術活動中心為例，對非線性曲面建筑進行了參數化建模技術研究。

國內外目前在基于Dynamo的參數化橋梁BIM模型建模技術領域已經有一定研究，但多集中于現澆預應力箱梁和預制T梁的參數化建模技術，對于預制箱梁的參數化建模技術研究的相關文獻較少。因此探索一種能快速精確建模且能實現參數化設計的預制箱梁BIM建模方法具有重要意義。

1 Dynamo簡介及參數化建模優勢

1.1 Dynamo簡介

Dynamo是Autodesk公司推出的一款典型的樹狀架構的基于可視化編程軟件，其代碼的最小單位為節點(Node)，用戶在節點的左邊連線輸入(Input)數據，再從節點的右邊輸出(Output)結構，層層節點，依次邏輯相連，最終構成一個完整的腳本。Dynamo最大的好處是能夠讓用戶調用Revit的API，從而讓用戶能夠在Revit中實現快速建模、參數化設計、能批量處理模型信息等操作。Dynamo與Rhino上的插件Grasshopper類似，與Grasshopper相比其優勢在于可以依附于Revit，通過調用Revit的數據來管理模型信息，數據結構靈活性更佳。另外相對于紙上利用Revit建模，Dynamo在實現參數化設計方面有著更大的優勢。其缺點在于運算速度較慢，節點較多的時候，每次修改數據，整個程序都需要重新運行，比較耗費資源。

1.2 Dynamo參數化預制箱梁模型建模技術的應用優勢

Dynamo參數化預制箱梁模型建模技術具備以下三方面優點：

1)避免了傳統建模方法中大量人工操作的不可控因素，真正實現了橋梁BIM模型的快速精準建模，減少了建模的工作量，極大地提高建模工作效率；

2)通過參數化建模，智能化驅動的構建方式，實現了真正意義上的數字信息模型，使模型信息更具備可控性；

3)Dynamo節點包具有一定的開放性，數據源文件和數據運行平臺可以根據不同項目實際情況進行更改和調整，具有較強的適用性和推廣性。

2 預制箱梁BIM模型參數化建模解決思路

基于Dynamo的預制箱梁BIM模型參數化構建體系主要包括三方面內容：構建預制箱梁參數化族、編制基礎數據源文件、搭建數據運行平臺程序。

2.1 構建預制箱梁參數化族

通過建立邏輯關系嚴謹的預制箱梁參數化族，不僅可以減少族庫中構件族的數量，還可以減少模型建模的工作量，使數據與模型之間建立邏輯關系，最終達到用數據驅動模型的目的，從而提高建模工作的效率和質量。

2.2 編制基礎數據源文件

基礎數據源文件的編制，需要將項目設計的基礎圖形文件、數據文件編碼轉換為程序能夠識別的數據庫形式。該基礎數據庫涵蓋的項目設計信息應具有完整性和全面性，如橋梁的線路數據、預制箱梁的尺寸信息、預制箱梁的變量信息等，以Excel數據表為承載形式。另外，該基礎數據庫的構建必須遵循統一的規則標準，根據運行平臺的具體情況進行編制，并能夠被后續數據運行平臺導入和識別。如：預制箱梁參數化族文件中的參數項應與基礎數據庫Excel表中內容遵循統一的標準，以實現數據接口的兼容。

2.3 搭建數據運行平臺程序

(1)數據運行平臺的內容

Dynamo數據運行平臺主要包括三方面內容：基礎數據源Excel表的讀取；數據運算和處理；可視化輸出。

(2)數據運行平臺搭建的原則

Dynamo數據運行平臺搭建必須要有嚴格的邏輯關系支撐，并根據項目實際的設計特點而定。具體在預制箱梁模型構建的過程中，應遵循“線路處理—主體拼裝—細節把控”的整體思路進行搭建。

3 預制箱梁橋BIM模型參數化建模實例

3.1 某高速公路工程概況

某高速公路特大橋，設計雙向六車道，橋寬34.5m，設計行車速度120km/h。全線橋梁總計27座，橋梁總長為10 244.382m，互通式立交橋梁總計25座、橋梁總長為7 614.74m，特大橋2座，長度2 629.642m。上部結構形式為預制箱梁、現澆箱梁及鋼混疊合梁。全橋共91聯316跨，預制部分占165跨，預制箱梁共計834片，跨徑包括：30m、29.952m、29.364m、28m、30.5m。箱梁伸縮縫分別采用80型淺埋伸縮縫及160型梳齒型伸縮縫。

3.2 構建預制箱梁參數化族

預制箱梁參數化族的構建中，以“自適應公制常規模型”為族樣板，主要考慮到以下五個方面：

1)箱梁的類型，包括左邊梁、中梁、右邊梁；

2)預制箱梁的橫坡；

3)伸縮縫的類型，包括80型伸縮縫、160型伸縮縫；

4)變寬段、曲線段的梁端角度；

5)細部構造，如滴水槽、泄水孔、堵頭板、濕接縫、橫隔板等。

圖1 預制箱梁自適應參數族

該預制箱梁參數化族由2個空間自適應點進行控制，其中限制條件參數2個，用來控制梁體為左邊梁、右邊梁、中梁以及梁段80型伸縮縫、160型伸縮縫的形態； 結構尺寸參數39個，其中實例參數20個，這部分參數需要根據每個箱梁實例進行數據調整，邏輯參數19個，該部分參數根據公式受其它實例參數驅動，這39個結構尺寸參數共同驅動小箱梁的結構外形尺寸； 材質參數3個，分別用來控制小箱梁主體、堵頭板、堵頭砼的材料性質。

3.3 編制基礎數據源文件Excel表

基礎數據源文件Excel表的編制是Dynamo參數化預制箱梁建模中最基礎的部分，同時也是最關鍵的部分。預制箱梁數據源文件Excel表的基礎數據由Civil3D軟件根據實際線路導出，后由BIM工程師依據項目圖紙設計信息進行補充完善。預制箱梁數據源文件Excel表分為橋梁左線和橋梁右線，每條線的數據內容包括：序號、樁號、三維點坐標值等參數。

圖2 對Civil 3D中導出點文件進行整理

3.4 搭建預制箱梁BIM模型數據運行平臺

數據運行平臺的搭建是預制箱梁BIM模型參數化建模中的關鍵環節。Dynamo參數化的建模方法要求建模過程中的每個步驟都要有嚴格的邏輯關系支撐。預制箱梁BIM模型主體結構部分數據運行平臺的搭建，主要包括以下四部分內容：

1)讀取路線Excel數據源文件生成三維路線曲線，完成坐標轉換和分組；

2)讀取預制箱梁參數化族數據文件，實現族文件精準定位與分組；

3)處理數據文件，生成橋梁整體模型；

4)填補橫隔板、濕接縫等現澆構件，完成橋梁主體結構拼裝。

圖3 運用Dynamo讀取表格數據創建精確的平曲線、三維中心線

圖4 Dynamo預制箱梁參數化族數據驅動

圖5 運用Dynamo讀取參數化族數據生成橋梁模型

3.5 關鍵技術方案-Revit二次開發編程

Dynamo中的節點是通過緊密的邏輯關系保持聯系的，但對于相對復雜的邏輯關系如條件、函數、循環等，直接用節點來表達比較困難且容易出現錯誤，因此采用Python Script節點進行二次開發編程非常重要。Python Script節點提供了編輯Python腳本的功能，通過書寫Python代碼可以直接解決復雜的邏輯關系，做到事半功倍的效果。

在基于Dynamo的預制箱梁BIM模型的實踐中，筆者編寫并總結了一套基于Python的參數化預制箱梁自動排梁節點包，使得預制箱梁BIM模型可以通過基本設計參數的輸入和該節點包的應用得以快速精準完成。該Python節點包內容包括：讀取Excel數據去編排空間坐標，在空間坐標系中創建點元素(見圖6)； 獲取表格數據，按規則生成族實例名稱，再以名稱及名稱的列表維度生成族實例，將族實例以一定規則放置在空間中(見圖7)； 通過“預埋件”思維，拾取參數化族中的“線”，進一步創建空間相對位置的濕接縫、橫隔板(見圖8)。

圖6 采用Python編程將Excel數據編排為空間坐標

圖7 采用Python編程將族實例以一定規則放置在空間中

圖8 采用Python編程對小箱梁族實例進行參數修改并拾取小箱梁“預埋件”

4 總結

本文對基于Dynamo插件的預制箱梁BIM模型建模技術進行了初步的探索和應用，編寫了一套完整的基于Revit+Dynamo平臺的可調節、易操作、高精度、標準化的預制箱梁BIM模型搭建方法。該方法擴大了Revit可用的建模范圍，為BIM模型的研究，提供了一種新的方向。Dynamo可視化編程語言的靈活性、代碼的開源性，也為BIM技術的發展提供了無限可能性。但是目前該方法只是在預制箱梁主體結構BIM模型層面上的建模應用，包含其他附屬構造的橋梁建模方法仍然需要進一步的探索和完善。