公路常規(guī)橋梁BIM模型結構化組織方法研究

肖春紅，朱 明，袁 松

(四川省交通勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610017)

0 引言

隨著國家交通強國戰(zhàn)略部署的實施和新基建的深入推進，交通信息化也從單一的階段性應用逐步轉向覆蓋設計階段、建設階段、運營養(yǎng)護階段的全生命期應用。BIM技術作為信息化的重要組成部分，是實現(xiàn)交通資產數(shù)字化的有效手段，發(fā)揮著越來越重要的作用。

目前，橋梁工程的設計成果主要以二維圖紙、文檔和表格等方式呈現(xiàn)，這些工程數(shù)據(jù)的結構化程度非常低，計算機識別難度大，嚴重阻礙交通建設的信息化發(fā)展。橋梁BIM模型是對傳統(tǒng)橋梁設計成果的數(shù)字化表達，主要包括工程構件的三維模型和設計數(shù)據(jù)，這些構件的分解方法和設計數(shù)據(jù)的結構化組織方式與工程建設各階段的應用需求息息相關，是工程建設各階段數(shù)據(jù)有效流轉的重要保證，也是實現(xiàn)交通信息化建設的關鍵環(huán)節(jié)。

為推動設計成果的數(shù)字化，許多學者在橋梁BIM建模領域已有較多研究，趙偉蘭等[1]探析了橋梁BIM參數(shù)化建模方法；李長江等[2]探討了BIM橋梁模型創(chuàng)建工作流程及其在優(yōu)化設計和三維可視化等方面的應用；林友強等[3]基于Revit,AutoCAD,Midas等平臺在快速建模、結構分析和自動出圖等方面進行了研究，并開發(fā)了橋梁信息模型系統(tǒng)；涂俊等[4]基于Revit和Dynamo實現(xiàn)了城市景觀橋梁BIM模型的參數(shù)化創(chuàng)建，并研究了Midas有限元分析軟件與BIM模型的銜接應用。以上這些研究主要集中于橋梁建模，未在工程建設應用領域開展具體的研究工作。

目前也有部分學者基于BIM模型開展橋梁工程建設管理及后期運維階段的應用研究。劉智敏、宋冰、陳文寶等[5-7]基于橋梁BIM模型對設計檢查、工程量清算、二維施工圖生成及施工等方面的應用進行了研究；林述濤[8-9]在多源數(shù)據(jù)融合和協(xié)同管理方面開展了相關研究；張裕超等[10]基于BENTLEY平臺架構了橋梁全生命周期BIM系統(tǒng)解決方案，分別在三維結構設計與力學計算、施工現(xiàn)場模擬、工程資料管理、協(xié)同管理及碰撞檢查等方面進行了研究與實踐；文獻[11-13]以港珠澳跨海大橋工程為例，提出了用于橋梁運維管理的橋梁BIM模型交付方案，并在施工進度管理和交通工程聯(lián)合設計方面開展了應用研究; 郭樹彬[14]將激光掃描技術應用于大跨度轉體斜拉橋鋼球鉸精細化安裝管理中，取得了良好的效果。這些學者分別在橋梁建設管理及后期運營維護階段對BIM模型及相關數(shù)據(jù)需求進行了探索，但研究成果針對公路常規(guī)橋梁全生命周期應用很難具有普適性，且部分學者是基于特定平臺、特殊橋梁或特定需求展開的應用研究(如張裕超、董莉莉等)。勾紅葉等[15]總結了橋梁信息化及智能檢測等領域的研究現(xiàn)狀,同時對這些領域的后續(xù)發(fā)展方向及研究重點進行了分析展望；專著《橋梁工程BIM技術標準化應用指南》[16]講述了基于Revit平臺創(chuàng)建橋梁標準化構件庫并組裝成橋梁BIM模型的方法，但基于公路常規(guī)橋梁全生命周期應用所需的BIM模型實體分解和數(shù)據(jù)結構化方法的研究還比較少見。

現(xiàn)有橋梁BIM軟件[17-18](Revit，OpenBridge及Catia等)無法針對不同的BIM標準實現(xiàn)BIM模型構件分解、層級劃分及數(shù)據(jù)結構化的自動化創(chuàng)建，以Catia為例，構件分解及層級劃分雖可在建模過程中自定義，但當應用所需的構件層級劃分標準不一致時，需對建模流程進行更改，或采用手工調整BIM模型，BIM模型的普適性較低。

1 結構化組織方法

通過研究近5 a四川省內多條高速公路近900座橋梁的BIM模型構建過程和數(shù)字化交付流程，制定了橋梁BIM構件劃分原則及橋梁工程節(jié)點層級關系配置方案(上部結構、下部結構、橋墩、墩柱等均為橋梁工程節(jié)點，但各節(jié)點的層級關系不同，下部結構為橋墩的父級節(jié)點，墩柱為橋墩的子級節(jié)點)，提出了常規(guī)橋梁BIM模型分解和結構化組織方法，具體包括以下幾個步驟：

(1)分離模型和屬性，并建立模型與屬性文件的關聯(lián)關系。基于BIM幾何模型及設計信息構建與應用需求匹配的橋梁工程節(jié)點，創(chuàng)建對應的模型id及屬性，并在BIM幾何模型中設置模型id，通過此id實現(xiàn)幾何模型與屬性的一一對應；

(2)根據(jù)工程建設應用需求，創(chuàng)建模型分解方案及層級關系配置表；

(3)在步驟(1)和步驟(2)的基礎上，建立模型分解及其層級關系；

(4)基于步驟(3)得到的模型分解及其層級關系構建BIM模型結構樹，并通過二次開發(fā)在軟件界面實現(xiàn)模型及對應屬性的展示和面向用戶的管理，最后得到結構化的BIM模型。

BIM模型分解和結構化組織方法如圖1所示，此方法適用于不同BIM軟件創(chuàng)建的BIM模型及不同的 BIM交付標準。本研究利用Visual Studio平臺，采用C#語言基于Revit軟件平臺進行二次開發(fā)，創(chuàng)建公路常規(guī)橋梁BIM模型，并根據(jù)BIM模型分解原則生成模型對應的模型節(jié)點、模型信息及不同模型之間的層級關系(模型節(jié)點、模型信息及模型層級關系采用JSON格式存儲)，再通過模型節(jié)點及模型層級關系構建橋梁BIM模型結構樹，形成結構化的BIM模型。

圖1 BIM模型分解和結構化組織方法Fig.1 BIM model decomposition and structured organization method

基于上述研究方法，公路橋梁結構化的BIM模型主要由幾何模型、模型結構樹及屬性組成。其中，幾何模型代表構件的幾何形狀信息；模型結構樹代表工程構件的層級劃分信息；屬性主要包括構件相關的信息，如幾何尺寸、設計參數(shù)及工程信息等。由于效率、應用需求及軟件技術等條件的限制，橋梁BIM幾何模型無法表達出所有的工程對象，如橋下清方等，本研究所述的研究方法為通過定義虛擬節(jié)點模擬無幾何模型的工程對象，通過定義實體節(jié)點模擬存在幾何模型的工程對象。

2 模型分解及構件層級劃分

2.1 模型分解

BIM模型分解與模型創(chuàng)建密切相關，首先建立三維參數(shù)化構件庫(構件為工程對象分解的基本構件)，然后對參數(shù)化構件根據(jù)工程設計實例化并賦值后進行拼接裝配，最后完成橋梁模型的創(chuàng)建。

BIM模型主要應用于工程建設階段及運營養(yǎng)護階段，其中，建設階段所需求的模型分解程度高于運營養(yǎng)護階段，且運營養(yǎng)護的基礎數(shù)據(jù)應繼承自建設階段。分部分項工程是建設階段業(yè)務流程的關鍵要素，因此，模型分解應充分考慮建設階段的分部分項規(guī)則，這是確定BIM模型構件層級劃分的主要依據(jù)。

按照常規(guī)公路橋梁分部分項工程劃分原則，橋梁結構主要包括上部構造、基礎及下部構造、橋面系及附屬工程，圖2為某工程分部分項工程層級關系。

圖2 分部分項工程層級關系圖Fig.2 Hierarchical relationship diagram of sub-projects

2.2 構件層級劃分

通過研究橋梁建設分部分項規(guī)則，本研究制定了系統(tǒng)默認的公路常規(guī)橋梁BIM模型構件層級劃分規(guī)則，并按照此規(guī)則為每個構件層級分配了節(jié)點編碼,系統(tǒng)默認的構件層級劃分及對應的層級節(jié)點編碼如表1所示。

為適應不同BIM標準及不同工程需求下分部分項工程劃分原則的變化，研究采用分部分項工程層級關系配置表作為BIM模型創(chuàng)建的輸入條件，其將作為構件節(jié)點關系表的主要依據(jù)。當構件劃分規(guī)則與系統(tǒng)默認的劃分規(guī)則不一致時，用戶可針對具體的分部分項工程劃分需求調整構件層級，并在配置關系表中設置與默認規(guī)則不一致的節(jié)點層級關系，從而實現(xiàn)BIM模型結構樹的普適性。

分部分項工程層級配置表如表2所示，表中所述的配置參數(shù)代表將下部結構的橋墩父節(jié)點由默認的下部結構節(jié)點調整為橋梁工程節(jié)點，并將橋墩的蓋梁父節(jié)點由默認的橋墩節(jié)點調整為下部結構節(jié)點。

通過表1及表2中的分部分項層級關系，可獲得任意工程節(jié)點對應的父節(jié)點及子節(jié)點，再通過節(jié)點id建立與幾何模型的關聯(lián)關系，從而實現(xiàn)橋梁BIM模型的結構化組織。

表1 節(jié)點層級劃分及節(jié)點編碼Tab.1 Node hierarchy division and node coding

表2 分部分項工程層級關系配置表Tab.2 Hierarchical relationship configuration table of sub-projects

3 模型信息

信息是BIM模型的關鍵要素，是所有基于BIM模型開展業(yè)務應用的前提條件。根據(jù)本研究所述的模型組織方法，當無BIM幾何模型時，所有工程節(jié)點均為虛擬節(jié)點，除三維可視化等與BIM幾何模型息息相關的業(yè)務外，可基于虛擬節(jié)點及對應的模型信息進行正常的BIM應用；當無節(jié)點信息時，BIM模型僅有三維幾何，無法與業(yè)務邏輯相銜接。模型信息主要包括模型id、模型編碼、模型節(jié)點編號、位置信息、幾何信息及設計信息。

(1)模型id

模型信息采用單獨的文件進行存儲，其通過模型id與BIM幾何模型建立連接，BIM幾何模型中每個構件都有一個id參數(shù)，其值與對應的模型節(jié)點id值保持一致，本研究采用計算機隨機生成的GUID為模型節(jié)點id賦值。

(2)模型編碼

模型編碼主要用于標識模型節(jié)點的工程類型，公路常規(guī)橋梁模型節(jié)點類型一般主要包括橋梁、上部結構、下部結構、橋墩、橋臺、T梁、箱梁、濕接縫、橫隔板、蓋梁、墊石、墩柱、樁基、承臺、墩系梁、地系梁等，這些模型節(jié)點均有其對應的唯一模型編碼，如表1所示。

(3) 模型節(jié)點編號

模型節(jié)點編號主要用于標識模型節(jié)點的身份，在模型層級關系文件中，采用模型節(jié)點編號來表達模型節(jié)點與其子模型節(jié)點之間的關系。

(4)位置信息

位置信息用于標識模型空間位置。本研究結合公路常規(guī)橋梁工程建設習慣建立模型位置信息編碼規(guī)則，編碼采用16個字符組合而成，位置信息編碼的含義如圖3所示，第1個字符表示路線信息(M表示整幅，L表示左幅，R表示右幅)，第2～4個字符表示模型聯(lián)號，第5～7個字符表示模型跨號，第8～10個字符表示順橋向編號，第11～13個字符表示橫橋向編號，第14～16個字符表示豎向編號。

圖3 位置信息編碼Fig.3 Location information coding

位置信息編碼規(guī)則是計算機解析模型空間位置信息的唯一依據(jù)。根據(jù)本研究所述的位置信息編碼規(guī)則，起始順橋向編號、起始橫橋向編號及起始豎向編號均為001，順橋向編號從小樁號到大樁號依次遞增；橫橋向編號從左至右依次遞增，豎向編號從下向上依次遞增。

(5)幾何信息

幾何信息即BIM幾何模型外表面包含多個三角網面，三角網面是由一系列的點組合而成的，BIM幾何模型可采用一系列點的坐標進行表達，從而實現(xiàn)幾何模型的結構化數(shù)據(jù)存儲；

(6)設計信息

設計信息豐富度應滿足工程建設業(yè)務需求，主要包括構件尺寸、坐標、材料、體積及施工注意事項等。

4 BIM模型創(chuàng)建及數(shù)據(jù)結構化

4.1 BIM模型創(chuàng)建系統(tǒng)

常規(guī)橋梁BIM模型創(chuàng)建系統(tǒng)共分為3個子模塊，分別為設計參數(shù)錄入、數(shù)據(jù)結構化及BIM模型創(chuàng)建，基于Revit開發(fā)的常規(guī)橋梁BIM模型創(chuàng)建系統(tǒng)界面如圖4所示。

圖4 常規(guī)橋梁BIM模型創(chuàng)建系統(tǒng)界面Fig.4 System interface for creating conventional bridge BIM model

系統(tǒng)的建模流程主要包括以下幾個步驟：

(1)在設計參數(shù)錄入子模塊中錄入橋梁設計參數(shù)，并對設計參數(shù)按照工程邏輯及相關規(guī)范進行數(shù)據(jù)校驗；

(2)通過數(shù)據(jù)結構化子模塊對步驟(1)錄入的設計參數(shù)進行數(shù)據(jù)處理，得到結構化的BIM模型數(shù)據(jù)；

(3)基于步驟(2)中的結構化BIM模型數(shù)據(jù)，采用BIM模型創(chuàng)建子模塊，在Revit軟件中創(chuàng)建BIM幾何模型；

(4)結合步驟(2)得到的結構化BIM模型數(shù)據(jù)及步驟(3)得到的BIM幾何模型，在Revit軟件界面生成對應的模型結構樹。

上述建模流程中，步驟(1)～步驟(2)為純數(shù)據(jù)計算，與建模軟件無直接聯(lián)系，常規(guī)公路橋梁BIM模型創(chuàng)建流程如圖5所示。

圖5 BIM幾何模型創(chuàng)建流程示意圖Fig.5 Schematic diagram of BIM geometric model creation process

4.2 BIM模型數(shù)據(jù)結構化

通過研究業(yè)務應用需求，并結合本研究提出的分部分項工程構件層次劃分規(guī)則和數(shù)據(jù)結構，本研究基于行業(yè)規(guī)范分別對節(jié)點信息及層級關系數(shù)據(jù)建立了BIM模型結構化數(shù)據(jù)標準。

隨著“萬物互聯(lián)”和“大數(shù)據(jù)”的提出和發(fā)展，交通建設信息化逐漸與互聯(lián)網及物聯(lián)網交匯融合，JSON作為前后端數(shù)據(jù)交互的標準格式，可實現(xiàn)項目變更過程中BIM模型與BIM數(shù)據(jù)的同步更新，確保幾何模型與數(shù)據(jù)的一致性，系統(tǒng)采用JSON格式對BIM模型數(shù)據(jù)進行結構化存儲，例4-1為節(jié)點信息JSON格式數(shù)據(jù),例4-2為分部分項工程節(jié)點層級關系JSON格式數(shù)據(jù)：

例4-1：節(jié)點信息JSON格式數(shù)據(jù)

{

"id": "c2374c09-653f-483c-a530-54c13e14a78a",

"nodeCode": "18-05.02.03.02",

"nodeNum": "23",

"locCode": "M001001001001001",

"attributes": […],

"geometry":[…]

}

例4-1中，nodeCode為節(jié)點編碼，nodeNum為節(jié)點編號，locCode為位置信息編碼，attributes用于存儲節(jié)點的設計信息，geometry用于存儲BIM幾何模型信息。

例4-2：分部分項工程節(jié)點層級關系JSON格式數(shù)據(jù)

{

"relatingNode": 23,

"relatedNodes": [5，6，7，8，9，10，11]

}

例4-2中，relatingNode為父節(jié)點編號，relatedNodes為子節(jié)點編號集，此JSON數(shù)據(jù)含義為“23號節(jié)點的子節(jié)點編號分別為5,6,7,8,9,10,11”。

4.3 BIM模型結構

如例4-1及例4-2所示，JSON格式數(shù)據(jù)為高度規(guī)則化的BIM模型數(shù)據(jù)，計算機可根據(jù)數(shù)據(jù)標準較好地識別數(shù)據(jù)的內容和含義，但這種數(shù)據(jù)在工程應用時可讀性較差，非程序人員識別難度較大。為便于BIM模型創(chuàng)建系統(tǒng)使用人員對數(shù)據(jù)的核驗和管理，研究基于Revit軟件的二次開發(fā)，在軟件界面中實現(xiàn)例4-1節(jié)點信息及例4-2所示節(jié)點層級關系數(shù)據(jù)的可視化呈現(xiàn),橋梁BIM模型結構樹如圖6所示，BIM模型結構樹中每個層級對應一個橋梁節(jié)點，并與BIM幾何模型建立了一一對應的關聯(lián)關系。

圖6 橋梁BIM模型結構樹Fig.6 Bridge BIM model structure tree

5 結論

本研究提出的常規(guī)橋梁BIM模型分解及結構化組織方法，將幾何模型與屬性分離，利用模型id實現(xiàn)模型與屬性的一一對應，并通過設置配置表來調整構件層級關系，具有以下優(yōu)勢：

(1)可適用于不同的BIM軟件平臺，并利于不同平臺間BIM模型的融合。

(2)可滿足不同的橋梁建設應用需求，適應不同的BIM標準，通用性較強。

(3)幾何模型與屬性分離后，在幾何模型不變的情況下便于模型信息的擴展，并可實現(xiàn)無幾何模型情況下BIM的應用(均抽象為虛擬節(jié)點)，極大地簡化了BIM應用生產流程，提升其應用效率。

(4)實現(xiàn)了BIM模型結構樹的可視化呈現(xiàn)和面向對象的管理，對橋梁BIM設計過程中模型的組織及關聯(lián)屬性修改起到關鍵作用。

(5)BIM模型的結構化存儲有利于計算機對BIM數(shù)據(jù)的識別和處理，實現(xiàn)WBS結構樹的自動創(chuàng)建。

(6)實現(xiàn)模型層級關系的調整及模型信息的擴展，可適應橋梁建設各階段BIM的應用需求。

但本研究所述的BIM模型分解及結構化組織方法是基于常規(guī)橋梁提出的，并不完全適用于特殊橋梁結構，需要針對不同的橋梁結構開展更多的研究和應用實踐。