一種用于復雜路線上大規模橋梁信息模型的快速建立方法

摘要：針對復雜路線上大規模橋梁的三維建模以及工程信息輸入工作繁瑣、耗時、難度大的特點，提出了一種將兩次法線定位法與使用共享單元相結合的解決方法，并基于MicroStation平臺開發了相應的程序模塊。使用該模塊可以方便地對沿線所有樁基、橋墩、承臺、施工節段等構件進行快速、精確定位，并能實現大規模橋梁部分構件的快速建模與批量工程信息輸入。該方法已成功應用于蕪湖長江公路二橋部分設計工作以及蕪湖長江公路二橋三維數字化信息系統研發過程，經檢驗，該方法成果可靠，可以較好地提高工作效率。

關鍵詞：橋梁BIM技術快速建模MicroStation二次開發

1"引言

隨著社會的進步和交通事業的發展，交通建設項目越來越趨向于大型化、復雜化與多元化，道路橋梁建設過程中各個環節、各個參與方開展工作也愈加繁雜，傳統的二維施工圖紙交付模式與零散的文檔管理模式已經難以滿足項目設計、建設、管理與養護過程中的各種復雜需求。在這種環境下，交通領域對BIM技術的需求日益迫切。越來越多的公路、橋梁行業從業者開始關注BIM技術。

BIM技術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一個信息模型，通過信息的快速流通與傳遞來實現資源的合理使用與配置。當前公路行業中BIM技術處于初步發展階段，信息模型的建立仍存在不少問題。

當路線平曲線、豎曲線比較復雜時，大規模橋梁設計過程中所涉及的獲取樁基坐標、橋墩承臺定位、主梁施工節段定位、創建護欄等建模工作就會面臨定位不精確、工作量大等諸多難題，據此本文提出了一種快速建立信息模型的參數化方法。

2"快速建立信息模型方法

2.1"兩次法線定位原理

橋梁設計過程中，樁基、承臺、橋墩的定位以及上部主梁施工節段的坐標和旋轉角都與路線中心線平曲線法線和豎曲線法線有關。當路線較長、曲線較復雜，特別是涉及路線分叉時，法線的創建工作極其繁瑣與困難，而且作一次法線往往難以湊效。本文提出了一種作兩次法線并實現程序化的方法來解決這一難題，如圖2.1所示。

a"下部結構平曲線定位示意圖

b上部結構平曲線定位示意圖

圖2.1"兩次法線定位原理示意圖

對于分叉路線，平曲線的左幅設計線、右幅設計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、橋墩以及主梁節段等的中心的X坐標、Y坐標以及其繞Z軸旋轉角度，這里采用了作兩次法線的方法，詳細過程如下：

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

（2）過點A作總體路線中心線的法線m，法線m與左幅設計線交于點B，與右幅設計線交與點B’;

（3）分別過點B和點B’作左幅設計線和右幅設計線的法線n和n’;

（4）在法線n上取一點C，C與點B相距W（W可以是樁基、承臺、橋墩以及主梁節段等中心點距離左幅設計線的xoy平面內距離），這里的點C即為定位點，其坐標Xc，Yc為左幅的樁基、承臺、橋墩以及主梁節段等中心點的坐標，法線n與X軸夾角（銳角）的補角θ即為左幅的承臺、橋墩以及主梁節段等的繞Z軸旋轉角度;同樣的可以得到右幅的點C’，和參數W’、Xc’、Yc’、θ’;

（5）按照1～4的步驟定位后續構件。

對于簡單路線上述兩次作法線方法仍然適用：可認為左、右幅設計線與總體路線中心線三者重合，所得A、B、B’三點重合。

通過豎曲線的處理，可以獲取樁基、承臺、橋墩以及主梁節段等的中心的Z坐標及其繞Y軸旋轉角度，如圖2.2所示。豎曲線處理詳細過程如下：

圖2.2"豎曲線處理示意圖

（1）根據豎曲線起點的里程樁號及高程，作出水平直線P，P的起點X坐標為豎曲線起點里程樁號，Y坐標為高程0.000;

（2）在直線P上取點A，A離直線起點距離為首施工節段中心距橋梁起點的里程距離;

（3）過點A作直線P的法線m，交豎曲線于點B，B點的Z坐標即為主梁施工節段中心的Z坐標;

（4）過點B作豎曲線法線n，法線n與X軸的夾角（銳角）的補角β即為主梁施工節段繞Y軸的旋轉角;

（5）按照1～4的步驟定位后續構件。

至此構件的X、Y、Z坐標及轉角均可確定。

2.2信息模型快速建立的程序實現

按照2.1節所述兩次作法線方法可以實現橋梁部分構件的三維定位，要實現快速建模，還需一個完善的橋梁構件庫以及將兩者結合使用的簡潔工具。作者在Bentley公司的Microstation三維設計平臺基礎上進行二次開發，使用其“共享單元”這一特殊元素創建橋梁構件共享單元庫，實現復雜路線上的大規模橋梁信息模型的快速建立。開發的程序界面如圖2.3、2.4所示。程序實現過程如下：

圖2.3"選擇平曲線與豎曲線計算坐標與轉角

（1）建立橋梁構件的單元庫;

（2）根據用戶選擇的平曲線和豎曲線及輸入的相關距離參數，按照2.1節所述方法計算構件定位點的三維坐標及轉角;

（3）利用構件單元庫及構件定位點三維坐標和轉角批量放置共享單元，實現模型的快速建立。

3"應用實例

蕪湖長江公路二橋項目全長55.508公里，全線多處出現左右幅路線分叉現象，屬于典型的復雜路線上的大規模橋梁項目，全線大部分的樁基、橋墩及承臺定位建模均可采用本文提出快速建模方法。依照標準化、工廠化、裝配化的先進設計理念，長江兩岸共28.826公里的引橋和接線橋梁上部結構均采用了全體外預應力混凝土節段預制拼裝箱梁形式。采用開發的程序模塊可以實現整個項目共20034榀預制節段和護欄的精確定位和快速建模。最終模型如圖2.5、2.6所示。

經多方比較驗證：本方法定位結果精確可靠。

使用共享單元可以極大的減小模型文件所占磁盤空間：本項目最終dgn文件不超過150M。

圖2.5"蕪湖長江公路二橋項目整體三維模型

圖2.6"蕪湖長江公路二橋項目局部三維模型

4"結語

目前BIM技術在公路工程行業內的應用屬于起步階段，很多信息模型建立工作雖然能實現，但是效率較為底下，而且解決方案也亟待優化。

本文提出的一種信息模型建立方法可以實現批量參數化建模，模型建立快速、精確、高效，當前階段可以較好的解決復雜路線上的大規模橋梁三維信息模型建立困難的難題。同時也為同類橋梁的信息模型建立提供了一種解決思路。

另外由于不同橋梁構件形式不同，為了使本方法的適用范圍更廣，后續還應不斷完善橋梁構件單元庫，加入更多類型的標準構件并對其實現參數化。

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研究項目：面向工程一線高職高專地下工程與隧道工程技術專業課程與教學模式研究與實踐""項目號：2014jyxm568