基于Revit及數(shù)據(jù)庫的橋梁BIM模型快速構(gòu)建技術(shù)研究

胡弘毅 劉 永

（廣州市市政工程設(shè)計研究總院有限公司，廣東 廣州 510030）

0 引言

近年來，隨著我國建筑業(yè)的蓬勃發(fā)展，BIM 技術(shù)（Building Information Model）的應(yīng)用受到越來越多的重視。然而，在公路行業(yè)，BIM的應(yīng)用發(fā)展相對滯后。目前，公路行業(yè)的BIM應(yīng)用一般是在設(shè)計方案完成后，由專業(yè)的BIM團隊根據(jù)二維圖紙資料進行建模。雖然BIM技術(shù)具有三維可視化特點和施工模擬功能，可以在施工前發(fā)現(xiàn)設(shè)計階段的問題，避免在施工階段才進行糾錯，從而降低施工成本，加快施工進度。然而，由于公路工程線形及其周圍自然環(huán)境復(fù)雜，同時橋隧工程和其他附屬工程結(jié)構(gòu)物繁多，尤其是涉及到公路立交工程，其路線交叉復(fù)雜使得建模難度增加，導(dǎo)致公路BIM建模耗費大量人力與時間，建模效率較低。許多研究人員針對該問題展開了研究，例如劉智敏等[1]以塞拉利昂公路中某座橋梁為工程案例，劉均利等[2]以曾家?guī)r嘉陵江大橋為例，利用BIM技術(shù)完成項目建模等工作，提高施工圖質(zhì)量及設(shè)計效率；王茹[3]、孫建誠等[4]基于Autodesk 平臺及可視化編程軟件Dynamo結(jié)合的方法論述了公路立交BIM快速建模過程。然而，現(xiàn)有大量研究主要停留在參數(shù)化建模及編寫建模程序的階段，而參數(shù)設(shè)置并沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，只適用于部分公路工程項目，無法實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化快速建模[5-7]。本文通過構(gòu)建參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)BIM構(gòu)件，提取項目圖紙數(shù)據(jù)建立項目數(shù)據(jù)庫，利用Revit 及可視化編程插件Dynamo 并導(dǎo)入Excel數(shù)據(jù)庫的方法，快速搭建橋梁三維實體模型，為橋梁BIM模型的快速建立提供了一種可能。

1 建模平臺的選擇

BIM模型不僅具有三維可視化的特點，模型還附加有設(shè)計信息，具有施工模擬及工程量統(tǒng)計等功能，同時BIM作為設(shè)計方、施工方及運營方三方協(xié)同管理平臺，需要滿足數(shù)據(jù)共享要求，因此現(xiàn)階段BIM建模需要多款軟件協(xié)同完成。目前滿足上述需求的BIM建模軟件平臺主要有Bentley公司系列軟件及Adutodesk公司系列軟件，考慮到Autodesk Revit平臺的泛用性，且Revit擁有直觀且易于上手的用戶界面，尤其對于熟悉其他Autodesk產(chǎn)品的用戶來說，Revit尤其方便與AutoCAD軟件進行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，本文選擇Autodesk Revit平臺作為此項研究的建模工具。

2 橋梁BIM的建模特點與構(gòu)建

橋梁工程一般規(guī)模龐大，結(jié)構(gòu)構(gòu)件繁多且復(fù)雜，附屬工程較多，工程圖紙量較大，因此橋梁BIM建模過程中需要構(gòu)建大量結(jié)構(gòu)構(gòu)件，對于構(gòu)件連接處等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，為避免發(fā)生沖突問題，對于構(gòu)件建模精度有較高要求。對比一般建筑工程項目，橋梁工程涉及到更為復(fù)雜的自然環(huán)境，公路立交項目還需要考慮路線線形彎曲、道路交錯等問題，對于地形環(huán)境建模精細(xì)度要求較高，彎曲立交橋建模難度較大。

2.1 橋梁開展BIM建模的特點

通過使用BIM技術(shù)，可實現(xiàn)在數(shù)字環(huán)境中創(chuàng)建、管理和交換橋梁的全面信息模型。這些模型包含了橋梁的幾何形狀、結(jié)構(gòu)屬性、材料特性、施工過程、運維信息等，為整個項目的生命周期提供支持。橋梁BIM 模型具有如下特點：

（1）平臺屬性：橋梁BIM模型是一個綜合性的數(shù)字表示，將橋梁的相關(guān)信息整合在一個模型中，使得設(shè)計師、建造者和管理者可以在同一個環(huán)境中協(xié)同工作。

（2）信息精度高：BIM技術(shù)實現(xiàn)高度精確的幾何建模，模型中還具有精確的工程屬性信息，如材料特性、結(jié)構(gòu)參數(shù)、施工工序等，為設(shè)計施工管理的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（3）三維可視化：BIM模型可以生成真實的可視化效果，幫助相關(guān)人員更好地理解橋梁設(shè)計和構(gòu)造。通過可視化，工程人員更直觀地評估設(shè)計方案，發(fā)現(xiàn)潛在問題，并做出改進，比如實現(xiàn)橋梁凈空檢查與鋼筋布置沖突分析自動化。

（4）數(shù)據(jù)分析與共享：基于數(shù)據(jù)與模型，可進行各種模擬和分析，如主體結(jié)構(gòu)分析、地質(zhì)結(jié)構(gòu)分析、交通流模擬等，為設(shè)計決策提供科學(xué)依據(jù)，并優(yōu)化橋梁的性能。此類數(shù)據(jù)與分析結(jié)論在整個項目的生命周期內(nèi)都可用，從設(shè)計階段到建造和維護階段，信息都得到保留和共享，有助于實現(xiàn)持續(xù)性管理和維護。

2.2 構(gòu)建橋梁BIM數(shù)據(jù)庫

由于橋梁工程建模具有上述特點，橋梁設(shè)計圖紙數(shù)據(jù)對于橋梁BIM建模的準(zhǔn)確性及精細(xì)度具有重要影響。因此，本文提出了從設(shè)計圖紙中提取建模參數(shù)，形成橋梁BIM建模Excel數(shù)據(jù)庫，并將橋梁工程相關(guān)的數(shù)據(jù)集中進行存儲和管理。該數(shù)據(jù)庫包括橋梁設(shè)計圖紙、模型、材料信息、構(gòu)造細(xì)節(jié)、荷載和安全分析數(shù)據(jù)、施工規(guī)劃等。通過構(gòu)建這樣的數(shù)據(jù)庫，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效存儲和管理，有助于提高橋梁BIM建模的效率和精細(xì)度。

根據(jù)逐樁坐標(biāo)表及橋梁布置圖，可以獲取橋梁跨徑、橋面標(biāo)高、橋軸線、地面線標(biāo)高等主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件空間位置信息，并將其提取為坐標(biāo)信息。然后根據(jù)橋梁上下部結(jié)構(gòu)設(shè)計圖，可以獲取主梁及橋梁墩臺的類型、結(jié)構(gòu)尺寸信息、附屬結(jié)構(gòu)的標(biāo)高及尺寸等信息，并將其整理成Excel數(shù)據(jù)表格，形成BIM數(shù)據(jù)庫（如圖1所示）。

圖1 BIM數(shù)據(jù)庫部分截取

為進一步提高橋梁BIM 建模效率及精細(xì)度，采用Dynamo編寫腳本的方法，以數(shù)據(jù)庫中的構(gòu)件坐標(biāo)信息與尺寸參數(shù)來實現(xiàn)族構(gòu)件的批量修改與布置。這使得設(shè)計團隊可以更高效地對模型進行更新和優(yōu)化，同時保持模型的準(zhǔn)確性和一致性。通過上述方法，橋梁BIM建模的數(shù)據(jù)來源得到了優(yōu)化和有效分類管理，確保BIM模型的準(zhǔn)確性和精細(xì)度，實現(xiàn)橋梁BIM模型快速構(gòu)建。

3 橋梁BIM模型的快速構(gòu)建實例

以廣州市某匝道橋為工程實例，根據(jù)項目圖紙數(shù)據(jù)建立項目橋梁BIM數(shù)據(jù)庫，基于Revit軟件建立參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件族庫，利用Dynamo編寫腳本，導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫信息實現(xiàn)參數(shù)化族構(gòu)件批量布置與修改，完成橋梁BIM模型快速構(gòu)建。

3.1 工程概括

案例工程匝道橋橋長662m，橋跨組合為（4×30+9×24.5+50+45+9×24.5，m），其中第14、15 跨跨越華南快速路。橋型方案上部結(jié)構(gòu)擬采用（4×30+9×24.5+50+45+9×24.5，m）預(yù)應(yīng)力混凝土先簡支后橋面連續(xù)小箱梁、鋼箱梁；下部橋墩采用圓柱墩；橋臺采用柱式臺。該匝道橋的道路中線緩和曲線參數(shù)包括：Ls1=62.439m、R=410m、Ls2=51.280m、Ls3=66.667m、R=150m、Ls4=80.667m。圖2為該匝道橋的平面布置圖。

圖2 廣州市某立交匝道橋平面圖

3.2 橋梁BIM數(shù)據(jù)庫

橋梁BIM的快速構(gòu)建需要利用Dynamo腳本進行構(gòu)件位置控制與參數(shù)調(diào)整，通過導(dǎo)入項目BIM數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)控制參數(shù)化族構(gòu)件的空間布置和幾何尺寸調(diào)整。項目BIM數(shù)據(jù)庫的建立可以通過直接提取或推算獲取二維設(shè)計圖紙的信息。以匝道橋下部結(jié)構(gòu)BIM數(shù)據(jù)庫的建立為例，可以根據(jù)樁位坐標(biāo)表和橋型布置立面圖來確定橋梁墩臺及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的空間導(dǎo)入點，并將X、Y、Z坐標(biāo)提取到Excel文件中，如圖3所示。然后，根據(jù)下部結(jié)構(gòu)設(shè)計圖，確定墩臺基礎(chǔ)類型及標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，其中包括墩身長度、寬度、樁長、樁直徑等設(shè)計參數(shù)，并整理為Excel數(shù)據(jù)庫。類似地，橋梁上部結(jié)構(gòu)及橋面系BIM數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建也需要根據(jù)二維設(shè)計圖紙?zhí)崛】臻g位置信息及幾何尺寸信息。

通過數(shù)據(jù)庫構(gòu)建結(jié)合腳本程序控制，可以實現(xiàn)匝道橋BIM模型的快速構(gòu)建，并確保模型的準(zhǔn)確性和一致性。

3.3 橋梁BIM的快速構(gòu)建

橋梁BIM的構(gòu)建過程主要包括2個步驟，首先根據(jù)二維設(shè)計圖紙確定橋梁各結(jié)構(gòu)構(gòu)件類型，利用Revit軟件建立參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)族庫；然后利用Dynamo軟件中Excel導(dǎo)入命令完成數(shù)據(jù)庫信息導(dǎo)入，快速搭建三維BIM模型。

3.3.1 橋梁BIM構(gòu)件族庫的構(gòu)建方法

橋梁工程構(gòu)造物繁多復(fù)雜，主要包括上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、橋面系三大組成部分，BIM模型建模首先需要構(gòu)建參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)族庫，各族構(gòu)件參數(shù)名應(yīng)與數(shù)據(jù)庫參數(shù)名對應(yīng)。針對橋梁工程結(jié)構(gòu)構(gòu)造物繁多復(fù)雜的特點，不同的結(jié)構(gòu)采用不同的建模方式，對于墩臺基礎(chǔ)等獨立實體結(jié)構(gòu)采用自定義形體創(chuàng)建命令完成三維實體建模；對于梁結(jié)構(gòu)、路面結(jié)構(gòu)等受路線線形影響結(jié)構(gòu)形狀尺寸的構(gòu)件，可通過采用自定義形狀創(chuàng)建命令創(chuàng)建參數(shù)化輪廓族樣板文件，根據(jù)數(shù)據(jù)庫信息修改輪廓尺寸及布置截面位置后再創(chuàng)建三維實體模型。通過創(chuàng)建一個被賦予與BIM數(shù)據(jù)庫對應(yīng)參數(shù)的樣板族構(gòu)件，后續(xù)即可通過修改參數(shù)獲得多種同類型不同尺寸的結(jié)構(gòu)構(gòu)件模型，顯著減少建模次數(shù)，實現(xiàn)快速建模。圖4為Revit創(chuàng)建實體及輪廓命令，圖5為BIM族庫創(chuàng)建效果及參數(shù)設(shè)定。

圖4 BIM族庫創(chuàng)建命令

圖5 下部結(jié)構(gòu)參數(shù)化族構(gòu)件效果圖

3.3.2 基于Dynamo的橋梁BIM快速建模方法

Dynamo是Autodesk公司開發(fā)的基于Revit的可視化編程插件，利用Dynamo中豐富的節(jié)點功能，設(shè)計人員可創(chuàng)建虛擬邏輯關(guān)系，從而驅(qū)動參數(shù)化幾何圖元及數(shù)據(jù)。基于Dynamo構(gòu)建橋梁BIM的過程主要有3個步驟：

（1）在Revit軟件中新建概念體量項目，在管理模塊中打開并關(guān)聯(lián)Dynamo；

（2）利用Dynamo軟件中ImportExcel節(jié)點，導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫信息并創(chuàng)建各參數(shù)化族的控制點，定義為X，Y，Z坐標(biāo)數(shù)據(jù)；

（3）在各個控制點下導(dǎo)入?yún)?shù)化族，并利用Dynamo中SetRotation 節(jié)點、SetParameterByName 節(jié)點分別完成批量族構(gòu)件平面狀態(tài)調(diào)整及幾何尺寸修改。

通過上述步驟可以完成橋梁下部結(jié)構(gòu)及部分附屬結(jié)構(gòu)三維實體建模，對于上部結(jié)構(gòu)及路面結(jié)構(gòu)在控制點中導(dǎo)入了參數(shù)化截面輪廓，還需要利用Revit放樣命令基于截面生成三維實體以完成建模。圖6描述了Dynamo部分控制腳本編寫效果，橋梁BIM模型效果如圖7所示。

圖6 Dynamo控制腳本節(jié)點組合截取

圖7 匝道三維實體模型效果圖

3.4 項目三維實體模型整合

采用同樣的建模方法，根據(jù)設(shè)計圖紙資料可分段快速創(chuàng)建公路立交三維模型。為整合項目BIM，可利用Naviswork軟件導(dǎo)入各立交路段三維實體模型及數(shù)字地面模型，修改構(gòu)件材質(zhì)，獲得具有更好展示效果的三維實體模型。Naviswork中整合項目BIM文件后的效果圖如圖8所示。

圖8 公路立交BIM整體模型效果圖

4 結(jié)束語

針對橋梁工程模型特點，本文提出了基于Revit及項目數(shù)據(jù)庫的橋梁BIM快速構(gòu)建方法。以廣州市某匝道橋為工程案例，提取二維圖紙設(shè)計資料建立數(shù)據(jù)庫，利用Revit軟件及可視化編程軟件Dynamo構(gòu)建公路立交三維模型，完成項目數(shù)據(jù)庫及參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)族庫的建立，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入以批量驅(qū)動參數(shù)化族構(gòu)件完成三維模型的快速搭建。本研究對于橋梁BIM快速建模提供了一種可行方法，提高了BIM建模效率，節(jié)約了建模成本。