嵌入路線算法的公路橋梁BIM自動化建模研究

林旭 陳海濤 徐斌 徐晨輝

(1.南昌市公路事業(yè)發(fā)展中心，江西 南昌 330006；2.江西慧航工程咨詢有限公司，江西 南昌 330063；3.南昌公路橋梁工程有限公司，江西 南昌 330077)

0 引言

建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)是信息化技術(shù)在建設(shè)行業(yè)的直接應(yīng)用，其以三維幾何模型為數(shù)據(jù)載體，集成建筑的物理信息和過程信息，并通過開放的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)各參與方信息共享，促進(jìn)工程項(xiàng)目管理水平與生產(chǎn)效率的提高，是基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域極有前瞻性的發(fā)展方向之一[1]。近年來，BIM技術(shù)發(fā)展迅速，尤其是在建筑行業(yè)中的發(fā)展日趨成熟。袁榮麗等[2]基于BIM技術(shù)開展了建筑工程算量研究。Chen等[3]基于武漢國際博覽中心項(xiàng)目探索并分析了基于4D BIM在施工階段質(zhì)量控制中的應(yīng)用。尚超宏等[4]對重慶萬達(dá)城展示中心項(xiàng)目全面應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行了探討。然而，上述研究成果應(yīng)用于實(shí)際橋梁項(xiàng)目存在諸多障礙。

公路橋梁規(guī)模大，受路線平、豎曲線的影響，普遍存在曲線異型的上部結(jié)構(gòu)，建模難度大、成本高，極大地限制了BIM技術(shù)的深入應(yīng)用[5]。為此，張為和[6]基于CATIA軟件創(chuàng)建了橋梁BIM模型，CATIA具有很強(qiáng)的參數(shù)化與曲面建模能力，但主要應(yīng)用在制造領(lǐng)域，不支持建筑通用數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)——IFC標(biāo)準(zhǔn)(建筑工程數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn))，與建筑類軟件數(shù)據(jù)的兼容性差。胡旭[7]基于Revit搭建鋼箱梁斜拉橋各構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)族，實(shí)現(xiàn)斜拉橋BIM建模效率，但未考慮道路曲線影響，無法適用于公路橋梁。李澤宇等[8]基于Revit參數(shù)化建模，結(jié)合Civil 3D曲線建模能力，提出一體化BIM建模方法。該方法數(shù)據(jù)支持IFC標(biāo)準(zhǔn)，但建?？缙脚_，操作不便，且傳遞信息易丟失。趙偉蘭等[9]提出基于Revit獨(dú)立平臺通過參數(shù)化變截面放樣方法實(shí)現(xiàn)曲面模型創(chuàng)建，適用于直線變截面橋梁，但未考慮路線線性，不同曲線位置橋梁建模，變截面的參數(shù)數(shù)據(jù)需重新設(shè)置，操作效率低、成本高。Dynamo是Revit軟件內(nèi)置的可視化編程插件，具有強(qiáng)大的參數(shù)化建模能力，可實(shí)現(xiàn)曲面模型創(chuàng)建與模型批量放置。宋福春、王奇等[10-11]借助Dynamo進(jìn)行復(fù)雜橋梁參數(shù)化建模，但該方法僅支持直線橋梁，未對橋梁設(shè)計(jì)曲線進(jìn)行分析，適用性不強(qiáng)。

本文基于BIM應(yīng)用程度較高的Revit建模平臺，支持IFC格式，與其他建筑類軟件數(shù)據(jù)的兼容性較好。通過對路線線形算法進(jìn)行解析，并嵌入Dynamo可視化程序節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)曲線橋梁構(gòu)件快速、準(zhǔn)確參數(shù)化建模。該方法適用于任意路線線形橋梁，具有極強(qiáng)的適用性與較高的應(yīng)用價值。

1 路線線形算法

路線線形是確定路線平面線形、縱斷面線形及二者相結(jié)合三維空間線形的總稱。橋梁的整體線形取決于其路線線形。因此，將路線線形算法嵌入橋梁BIM模型創(chuàng)建過程，將極大地提高BIM模型創(chuàng)建的效率和準(zhǔn)確性。

1.1 平面線形計(jì)算

平面曲線根據(jù)線形計(jì)算方法分為交點(diǎn)法與線元法兩種。交點(diǎn)法適用于標(biāo)準(zhǔn)曲線的計(jì)算，標(biāo)準(zhǔn)曲線是由直線段、入緩和曲線段、圓曲線段、出緩和曲線段、直線段5段曲線順序組合而成的曲線，因此不適用于S形、卵形等曲線的計(jì)算，具有一定的應(yīng)用限制。而線元法是將道路曲線分為直線、圓曲線、緩和曲線與不完整緩曲線4類曲線基本線型，由這4種曲線任意組合，可構(gòu)成S形、卵形曲線等任意設(shè)計(jì)曲線，具有較強(qiáng)的通用性。因此，本文采用線元法計(jì)算曲線。平曲線計(jì)算示意圖如圖1所示。

1.1.1 直線

已知直線起點(diǎn)A(x0，y0)及方位角α0，直線上任意點(diǎn)P至起點(diǎn)A的距離為l，參見圖1a。P點(diǎn)坐標(biāo)x、y以及切線方位角α的計(jì)算見式(1)

(1)

1.1.2 圓曲線計(jì)算公式

已知圓曲線起點(diǎn)A(x0，y0)及方位角α0，圓心O，半徑為R，圓曲線上任意點(diǎn)P至起點(diǎn)A的距離為l，參見圖1b。則P點(diǎn)坐標(biāo)x、y以及切線方位角α的計(jì)算見式(2)

(2)

式中，±：右偏為+，左偏為-。

1.1.3 緩和曲線計(jì)算

已知緩和曲線起點(diǎn)A(x0，y0)及方位角α0，緩和曲線長l0，終點(diǎn)半徑R，曲線上任意點(diǎn)P至起點(diǎn)A的距離為l，如圖1c所示。則P點(diǎn)坐標(biāo)(x，y)及切線方位角α計(jì)算見式(3)

(3)

式中，±：右偏為+，左偏為-。

(Δx，Δy)是以A為原點(diǎn)，切線方向?yàn)榉较蜉S的獨(dú)立坐標(biāo)系中P點(diǎn)的坐標(biāo)，其計(jì)算見式(4)

(4)

1.1.4 不完整緩和曲線

圖1 平曲線計(jì)算示意圖

(5)

其中，Δx、Δy、Δl、x′0、y′0、α′0的計(jì)算公式見式(6)

(6)

式中，±：右偏為+，左偏為-；?，右偏為-，左偏為+。

1.2 縱斷面曲線及計(jì)算公式

縱斷面設(shè)計(jì)確定路線中心的豎向高程與縱向坡度，由直線和豎曲線所組成，如圖2所示，起點(diǎn)A(K1，h1)、終點(diǎn)B(K2，h2)，變坡點(diǎn)Z(KZ，hZ)，中間豎曲線半徑為R，前坡度為i1，后坡度為i2。

圖2 豎曲線計(jì)算示意圖

曲線上任意一點(diǎn)P，里程Kp，則P點(diǎn)高程h計(jì)算見式(7)

(7)

式中，±：凸曲線為+，凹曲線為-。

i1、i2、T的計(jì)算見式(8)

(8)

2 曲線橋梁BIM建模方法

橋梁受復(fù)雜的橫向、縱向復(fù)雜曲線影響，建模難度大。為簡化橋梁BIM建模工作，本文根據(jù)曲面復(fù)雜程度分為標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件與曲面構(gòu)件。本文提出的嵌入曲線設(shè)計(jì)的Dynamo曲線橋梁建模方法包含三個步驟：首先，創(chuàng)建橋梁各構(gòu)件族標(biāo)準(zhǔn)模型；其次，在Dynamo程序中嵌入路線曲線解析算法，計(jì)算曲線，并依據(jù)輸出曲線數(shù)據(jù)創(chuàng)建曲線構(gòu)件組模型；最后，曲線計(jì)算快速計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件族與曲面構(gòu)件族的放置數(shù)據(jù)，通過Dynamo實(shí)現(xiàn)模型快速、批量、精確放置，完成曲線橋梁BIM模型的自動創(chuàng)建。本文方法適用于高速公路、一級公路主線或互通的標(biāo)準(zhǔn)化橋梁建模。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件模型創(chuàng)建與放置

標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件是指直線構(gòu)造或僅單向曲線構(gòu)造，橋梁中心曲線不影響其形狀，包括樁基、承臺、墩柱、臺帽、蓋梁、預(yù)制梁等。其中，結(jié)構(gòu)簡單的構(gòu)件可通過Revit常規(guī)建模方法創(chuàng)建實(shí)現(xiàn)；結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的構(gòu)件，如斜交預(yù)制梁，可通過設(shè)置自適應(yīng)點(diǎn)靈活驅(qū)動模型形狀實(shí)現(xiàn)幾何建模。在模型創(chuàng)建過程中，為提高模型靈活性，減少模型創(chuàng)建工作量，應(yīng)進(jìn)行充分設(shè)置參數(shù)化驅(qū)動，添加尺寸、材質(zhì)、放置點(diǎn)等參數(shù)。

標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件創(chuàng)建后，需放置在橋梁總體模型中，手動放置工作量大、成本高，本文采用Dynamo實(shí)現(xiàn)批量放置，其過程為可依據(jù)設(shè)計(jì)圖樣與嵌入曲線計(jì)算式的Dynamo曲線計(jì)算程序批量計(jì)算放置信息，并通過Dynamo放置節(jié)點(diǎn)進(jìn)行批量放置，詳細(xì)過程參加曲面構(gòu)件模型創(chuàng)建與放置部分。

2.2 曲面構(gòu)件模型創(chuàng)建

曲面構(gòu)件特點(diǎn)為雙向曲線構(gòu)造，橋梁中心曲線直接影響其形狀位置，包括連續(xù)梁、曲線橋梁鋪裝等。如通過放樣的方式創(chuàng)建模型，由于Revit無法精確繪制緩和曲線與雙曲線，放樣路徑精度較低，難以繪制精準(zhǔn)模型。Dynamo參數(shù)化節(jié)點(diǎn)具有極強(qiáng)的參數(shù)化模型創(chuàng)建功能，但直接通過Dynamo創(chuàng)建模型為體量模型，具備幾何信息，但屬性信息程度較低，無法支撐深入的BIM應(yīng)用。首先，對曲面構(gòu)件按路形曲線劃分，以離散密集的點(diǎn)模擬復(fù)雜曲線，相鄰兩點(diǎn)橫截面間模型為構(gòu)件段，劃分足夠越密，則該構(gòu)件段近似為標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件；其次，通過Dynamo實(shí)現(xiàn)曲線計(jì)算，輸出各構(gòu)件段的放置位置與高程等數(shù)據(jù)；最后，通過Dynamo進(jìn)行批量的放置。

2.2.1 構(gòu)件段模型創(chuàng)建

構(gòu)件段模型通過繪制前后截面輪廓，通過放樣融合創(chuàng)建而成.為提高構(gòu)件段的精度，避免相鄰構(gòu)件段模型沖突，可考慮基于“公制結(jié)構(gòu)框架-梁”或“基于線公制常規(guī)模型”族樣板進(jìn)行族模型創(chuàng)建。模型應(yīng)設(shè)置截面輪廓相應(yīng)參數(shù)，提高族的通用性，減少族創(chuàng)建工作量。族模型放置時應(yīng)根據(jù)對應(yīng)位置設(shè)置梁端角度，確保相鄰構(gòu)件段模型吻合。

2.2.2 Dynamo曲線計(jì)算程序設(shè)計(jì)

在曲線上放置構(gòu)件段十分困難，而基于Dynamo計(jì)算可實(shí)現(xiàn)自動創(chuàng)建。Dynamo是與Revit配合使用的可視化編程工具。Dynamo提供了豐富的Revit API與運(yùn)算節(jié)點(diǎn)工具，可實(shí)現(xiàn)公式編輯和計(jì)算，讀取和寫入Excel文件?；贒ynamo節(jié)點(diǎn)進(jìn)行曲線計(jì)算設(shè)計(jì)框架如圖3所示。

圖3 Dynamo編程設(shè)計(jì)框架

(1)Dynamo數(shù)據(jù)輸入。數(shù)據(jù)輸入包括曲線要素輸入與計(jì)算數(shù)據(jù)輸入。橋梁項(xiàng)目曲線要素輸入是一次性的，可根據(jù)設(shè)計(jì)圖樣獲取曲線要素，按照一定標(biāo)準(zhǔn)格式輸入至Excel表格。計(jì)算數(shù)據(jù)輸入的目的是輸出構(gòu)件段的放置數(shù)據(jù)，需輸入計(jì)算數(shù)據(jù)有里程與偏距等數(shù)據(jù)，根據(jù)圖樣及截面劃分獲取，同樣按照一定標(biāo)準(zhǔn)格式輸入至Excel表格，通過Dynamo中的Data.ImportExcel節(jié)點(diǎn)讀取表格數(shù)據(jù)，如圖4所示。

圖4 Dynamo讀取Excel節(jié)點(diǎn)

(2)Dynamo曲線計(jì)算。依據(jù)輸入曲線要素?cái)?shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)中的里程，可確定計(jì)算點(diǎn)所屬的曲線段。通過該段要素?cái)?shù)據(jù)特征判斷曲線類型，選擇對應(yīng)的曲線計(jì)算式，計(jì)算式可通過Dynamo中Formula節(jié)點(diǎn)輸入公式，計(jì)算出計(jì)算點(diǎn)的坐標(biāo)、高程與方位角等信息。Dynamo曲線計(jì)算節(jié)點(diǎn)如圖5所示。

圖5 Dynamo曲線計(jì)算節(jié)點(diǎn)

(3)Dynamo數(shù)據(jù)輸出。輸出數(shù)據(jù)為構(gòu)件段的放置數(shù)據(jù)，放置數(shù)據(jù)包括起點(diǎn)與終點(diǎn)的坐標(biāo)、高程與方位角等，可通過上述曲線計(jì)算節(jié)點(diǎn)輸出，并通過Data.ExportExcel節(jié)點(diǎn)，按照設(shè)置的行、列寫入的表格文件，將輸出數(shù)據(jù)加以保存以便放置時調(diào)用。

2.2.3 Dynamo構(gòu)件放置程序設(shè)計(jì)

通過Dynamo可視化編程工具中的節(jié)點(diǎn)Excel.ReadFromFile獲取表格內(nèi)的數(shù)據(jù)，選擇List庫中的節(jié)點(diǎn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行批量處理，獲取構(gòu)件段放置信息。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式為二維數(shù)組，可選擇List庫中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的篩選與提取。通過Revit庫中Family Types獲取需要放置的梁段族，通過FamilyInstance.ByPoint與FamilyInstance. SetRotation自動按照坐標(biāo)與角度進(jìn)行放置，從而實(shí)現(xiàn)曲線模型的快速準(zhǔn)確建模。如變截面構(gòu)件，可對構(gòu)件段截面設(shè)置尺寸參數(shù)，通過Element. SetParameterByName節(jié)點(diǎn)按名稱查找對應(yīng)參數(shù)，并批量輸入截面尺寸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)變截面模型創(chuàng)建。Dynamo模型放置示意圖如圖6所示。

圖6 Dynamo模型放置示意圖

圖6 Dynamo模型放置示意圖(續(xù))

3 案例應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目概況

某市政高架橋第41～46聯(lián)，孔號127～146，里程BK5+602.5～BK6+380.5，全長778m。上部構(gòu)造跨徑最大80m、最小30m，其中跨徑小于45m時采用等高預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，跨徑大于45m時采用變高預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁。下部構(gòu)造采用花瓶雙柱橋墩、墻式橋墩+承臺+樁基的形式。平面位于半徑為R=1000的曲線與緩和曲線上，縱斷面位于兩段段豎曲線上。

圖7 案例橋梁圖樣

3.2 橋梁BIM創(chuàng)建構(gòu)件模型

橋梁構(gòu)件模型包括樁基、承臺、墩柱、支座墊石、梁段模型等。通過簡單的模型創(chuàng)建命令即可完成上述模型的創(chuàng)建，線模型應(yīng)添加放置自適應(yīng)點(diǎn)。將上述模型組成嵌套族可提高效率，但需設(shè)置好族參數(shù)與參照，確保模型使用正確。BIM構(gòu)件模型如圖8所示。

圖8 BIM構(gòu)件模型

3.3 曲線要素輸入

依據(jù)圖樣整理平曲線要素信息，見表1。

表1 平曲線要素輸入表

起點(diǎn)里程5 503.5，高程228.536，終點(diǎn)里程6 380.5，高程227.384。通過Dynamo節(jié)點(diǎn)輸入，豎曲線信息輸入見表2。

表2 豎曲線要素輸入表

3.4 曲線梁模型創(chuàng)建

因道路曲線影響，梁、鋪裝與護(hù)墻都是曲面異性的結(jié)構(gòu)，通過嵌入路線曲線解析算法公式的Dynamo程序快速計(jì)算，并批量放置模型，下部構(gòu)造模型創(chuàng)建，依據(jù)里程快速計(jì)算樁基承臺墩柱等。

3.5 構(gòu)件批量放置

根據(jù)構(gòu)件類型，批量計(jì)算構(gòu)件放置的坐標(biāo)、高程等，輸入至Dynamo放置節(jié)點(diǎn)中，選擇對應(yīng)的構(gòu)件類型，批量快速生成BIM模型。BU41聯(lián)-變高混凝土箱梁模型如圖9所示，全橋BIM模型圖如圖10所示。

圖9 BU41聯(lián)-變高混凝土箱梁模型

圖10 全橋BIM模型圖

4 結(jié)語

本文基于Revit+Dynamo平臺，通過嵌入路線曲線解析算法，實(shí)現(xiàn)了公路曲面橋梁BIM模型的自動、準(zhǔn)確生成，極大地提高了建模效率。

(1)本文內(nèi)嵌的基于線元法的路線曲線算法適用于任意曲線計(jì)算，并基于Dynamo實(shí)現(xiàn)了路線算法；引入曲線橋梁建模方法，使得此方法適用于普通公路、匝道等不同類型的橋梁建模，適用性更加廣泛、全面。

(2)利用Dynamo可視化編程工具實(shí)現(xiàn)橋梁建模，靈活運(yùn)用路線設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，有效解決了曲線模型的問題，并極大地提高了建模效率。

本文針對曲線橋梁提出BIM建模方法是在該領(lǐng)域的進(jìn)一步探索，在實(shí)踐應(yīng)用中仍需深入研究，如可進(jìn)行二次開發(fā)進(jìn)一步提高橋梁建模的穩(wěn)定性和效率、繼續(xù)完善橋梁建模標(biāo)準(zhǔn)等。