基于ACIS的懸索橋工程BIM建模研究

唐清東， 李帥帥， 陳飛宇

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

基于ACIS的懸索橋工程BIM建模研究

唐清東， 李帥帥， 陳飛宇

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

橋梁信息模型不僅要包含橋梁結構的幾何信息，還應集成非幾何屬性信息，以滿足在橋梁工程項目全壽命周期中，設計、施工、運維管理等不同專業技術人員對橋梁結構構件的尺寸信息以及結構受力信息、施工控制信息、施工監測信息、施工方案信息等非幾何信息的需求。文章闡述基于幾何內核ACIS的懸索橋工程BIM建模方法和實施流程，并以正在研發的懸索橋BIM系統建立包含工程所需信息的懸索橋索夾BIM模型的實例說明該方法的可行性和優勢。

懸索橋； ACIS； BIM； 參數化； 軟件

BIM (Building Information Modeling )，即建筑信息模型，簡要概括為一種基于三維數字技術為基礎，整合建筑物全壽命周期中各類信息的統一集合體。BIM的核心理念為協同作業、數字表達、資源共享三個層次，它從根本上解決“信息斷層”和“信息孤島”問題，同時實現三維協同設計，減少資源浪費并提高效率[1]。中國鐵路總公司和中國交通建設集團開始編制橋梁BIM標準、研發橋梁BIM應用軟件、開展BIM工程應用和示范，并且BIM技術已在試點工程中應用于橋梁三維建模、碰撞檢查、施工過程模擬、施工進度管理等[2]。可見BIM技術已經成為橋梁工程設計不可或缺的一部分。

目前國內外BIM應用軟件品種和數量很多，在國內橋梁工程領域應用較多的有Autodesk公司系列軟件如Revit、Inventor等，Dassault公司的CATIA軟件以及Bentley系列軟件。這些軟件都能很好實現BIM模型的建立、信息集成、信息傳遞和表達的功能，但是要實現專業領域的應用，滿足某種特殊需求，比如給橋梁結構批量賦予特定的力學屬性信息等，應用現有軟件操作起來困難重重或實現不了，即使采用二次開發的形式，也可能達不到滿意的結果。以現有的幾何內核進行軟件開發，如ACIS，雖然工作量大[3]，但是可以根據需要進行私人訂制，開發專業需求的BIM軟件，是一種不錯的選擇。

文章研究基于幾何造型平臺ACIS的懸索橋BIM建模，企圖開發集成懸索橋全生命周期中的設計信息、施工信息、運維管理信息于一體的懸索橋工程BIM系統。

1 ACIS結構體系簡介

ACIS[4]是美國Spatial公司推出的幾何造型引擎，采用C++構造的圖形系統開發平臺，并封裝了豐富的實體造型的API函數，為各種3D造型應用的開發提供了幾何造型平臺[5]。ACIS因其功能強大、易用性以及擁有售后支持，使得如今眾多主流CAD軟件以ACIS作為底層造型平臺支持，如Autodesk Inventor AutoCAD、Pro/E、Dassault CATIA、Turbo CAD、CADKEY、Solid Modeler、Abaques等[3]。ACIS的最基本的對象是實體類ENTITY，其他ACIS所有幾何對象(點類APOINT、曲線類CURVE、表面類SURFACE、樣條曲線類PCURVE)和拓撲對象(VERZEX頂點類、EDGE邊類、 COEDGE有向邊類、WIRE線框類、LOOP環類、FACE面類、SHELL殼類、SHBSHELL子殼類、LHMP塊類、BODY體類)都派生自該ENTITY類。這些實體對象相互之間可以進行通信，如圖1所示，BODY對象可以訪問任意底層對象，某個實體的點也可以通過owner()等函數訪問上層對象。此外還可以借助get_xxx(ENTITY*,ENTITY_LIST&...)或api_get_xxx(ENTITY*,ENTITY_LIST&...)函數訪問拓撲對象。屬性是附加在ACIS模型的對象，它存儲了一些關于實體的信息，ACIS的屬性類ATTRIB類也是基類ENTITY的派生類，它提供了所有屬性類都通用的數據和功能，且每個實體對象都含有一個屬性指針，因此從ENTITY類派生出的任何類都可以擁有屬性[5-6]。如圖1所示，屬性可以用ower()函數指向對應的實體，實體可以通過find_attrib()函數查找實體的屬性。對于橋梁BIM模型，除了有三維實體模型外，還有其他的一些屬性信息，如物理信息、結構分析信息等，通過ACIS的屬性機制，可以為實體設置專有屬性，而這些屬性可以利用屬性鏈表[7]，可以對產品模型的信息進行有效的管理。

2 基于ACIS的懸索橋BIM建模

2.1 ACIS實體造型過程

常用的幾何實體造型方法包括體素拼合法(Constructive Solid Geometry ,簡稱CSG法)、邊界表示法(Boundary Representation, 簡稱B-Rep法)。其中CSG法是一種用簡單幾何體元素構造復雜實體的造型方法，其特點是數據結構簡單，能清楚地表達高層次的特征信息與拓撲信息，但是不能表達諸如面、邊、點的信息。而B-Rep法是用實體的有界邊界表面來定義和描述幾何實體的方法，圖1描述的就是B-Rep數據結構中個層次對象關系，因其能給實體以完整、顯示的邊界描述，而受到青睞。ACIS是一個先進的混合造型系統，提供給用戶的是CSG模型似的實體構造和精確的參數輸入修改方式，以B-Rep模型作為系統內部保存數據信息的模型便于存儲形體更詳細的信息[8]。

圖1 ACIS中幾何體、拓撲對象、屬性對象及其之間的關系

ACIS是功能強大的幾何造型，雖然其自身有渲染功能，但是相對于專業的顯示引擎顯得有些不足，但是通過ACIS/HOOPS的交互為3D軟件的開發提供了完美的解決方法。基于ACIS和HOOPS[9]平臺構造幾何造型實例流程如圖2所示，ACIS造型的基本步驟大致為：許可證驗證→造型器和相關組件的初始化→利用ACIS的API造型函數構造幾何體→ACIS/HOOPS的交互，數據轉換→HOOPS渲染顯示→終止造型。

圖2 基于ACIS/HOOPS平臺構造幾何造型實例流程

2.2 BIM模型幾何參數數據接口設計

ACIS雖然提供豐富的用于構造幾何實體造型的底層API函數，但是在實現如散索鞍、主索鞍、索夾等，這樣復雜模型的參數化建模，需要做到兩個方面的準備工作：一方面是設計相應的模型參數數據接口，另一方面，根據懸索橋模型的特征結構建立類庫，提高程序的建模效率。

由于各個幾何對象都具有一些共同的屬性和操作，故可以為程序定義一個CEntity的基類，該類描述的幾何對象的ID號、顏色、類型、創建時間、創建人等基本屬性和基本功能操作或接口，后面所有纜索系統構件類(如索夾類)都派生自CEntity類，并根據構件的特性，自定義成員變量和屬性操作。成員變量可以分為三類：構件結構尺寸類、結構全橋布局變量、其他類型變量(主要是屬性數據、結構分析、監測等數據)。為了方便結構參數數據的接收和管理，程序為每個構件定義有一個描述結構尺寸的數據結構體，里面包含該構件建立3D模型所需的尺寸參數變量，并以成員變量的形式定義在相應的類中。數據接口中類的層次設計如圖3所示，限于篇幅，圖中只列出了基類的成員變量(表1)。

圖3 數據接口中類的層次設計(纜索系統部分示例)

實體屬性/實體操作數據類型說明m_ID字符串(CString)實體編號m_Name字符串(CString)實體名稱m_Type整型(int)實體類型m_CreateTime字符串(CString)創建時間m_Designer字符串(CString)創建者m_CompanyName字符串(CString)單位名稱m_version字符串(CString)版本m_bModified布爾(BOOL)是否修改m_color字符串(CString)實體顏色m_bVisible布爾(BOOL)是否可見SetXXX(Cstringxxx)無返回值(Void)給變量賦值GetXXX()有返回值(CString)獲取變量的值

由于懸索橋構件復雜，在進行參數化建模是涉及到大量的幾何計算，需要編寫支持所有API造型函數的幾何工具庫類(GeomTool)函數庫作為輔助類，并提高程序代碼的利用率和建模效率，主要包括自定義的常用計算函數，比如幾何變換、倒角、錯誤檢查等操作，表2列出了部分經常用到的輔助函數。

幾何工具庫類(GeomTool)函數庫實質上是對ACIS的API函數的擴展或具體化，提高程序的靈活性和可讀性。

2.3 BIM模型非幾何信息的集成

信息模型的核心是“信息”，其中信息包括幾何信息和非幾何信息，所有的工作都是以相關信息為線索開展的。在工程項目的規劃設計、施工、運營管養階段，會產生新的、變化各異的信息，BIM技術是使各種信息集成于3D信息模型，使信息依附于模型載體進行傳遞和表達的過程。橋梁工程信息空間(BrIM)與建筑工程信息空間(BIM)具有一定關聯，但也存在差異，具體體現在橋梁工程更關注結構性能信息[10-11]，故對于懸索橋工程BIM模型，非幾何信息的集成除包含物理信息、材料信息等外，還應該注重結構力學信息，橋梁信息模型構件信息如圖4所示。同時，懸索橋工程是復雜工程，信息貫穿于工程項目全生命周期，信息在生命周期的流動工程中，其損失應該降低到最少。

表2 常用輔助功能函數

基于ACIS的BIM建模的非幾何信息的集成可以基于其屬性機制進行存儲[6]，也可以將實體的ID標注為唯一標識符存在于BIM信息模型中，將非幾何信息存儲于BIM數據庫中。考慮到懸索橋纜索系統工程數據種類繁多、數據量大，采用第二種方式，即數據庫存儲是一種不錯的選擇。

圖4 橋梁信息模型構件信息

3 基于ACIS的懸索橋BIM建模實例

基于ACIS的BIM建模的總體流程如圖5所示。以索夾的參數建模為例，說明基于ACIS的懸索橋構件BIM建模具體過程，效果如圖6所示。

圖5 基于ACIS的BIM建模的總體流程

圖6 基于ACIS的懸索橋BIM建模應用實例

在這個索夾構件BIM建模實例中，首先對懸索橋索夾結構進行分析，懸索橋索夾按照類型分有銷鉸式和騎跨式，按照有無吊索分為有吊索索夾和無吊索索夾。根據索夾的構造提取出構建模型所需的參數數據集，并在SQL Sever2008中建立相應的數據表。此外對懸索橋索夾的非幾何信息進行需求分析，此實例中主要圍繞力學方面，非幾何信息包括：設計信息——材料、基本屬性(ID號、構件名稱、顏色等)等；施工控制信息——螺桿緊固力等；力學信息——結構安全系數等。將這個信息進行歸類整理，并存儲在數據庫中。基本信息準備好后，利用API函數構建三維實體模型，同時根據實體的GUDI(全局標識符)進行索引，添加非幾何信息，最后在主視圖中進行顯示，生成的模型以Sat或HSF格式保存。

如圖6所示，程序采用界面友好的Ribbion界面，并設置結構模型樹視圖，屬性視圖、輸出視圖。此外，實例中只生成了一個索夾對象，為了能夠快速建模，可以設置以讀取文本的形式批量讀取參數索引，批量生成模型。其總體思路是和現有三維軟件CATIA的模板—骨架建模方式相同，即先建立總體結構模型的骨架和構件模板，然后模板根據骨架的定位批量實例化。

4 展望

BIM技術在橋梁工程等交通領域的越來越受到關注，國家相關部門也在大力宣傳和推廣，橋梁工程的BIM應用是必然趨勢。文章對基于ACIS的懸索橋BIM建模開展研究工作，闡述基于ACIS的懸索橋工程BIM建模方法和實施流程，并實現了以幾何造型內核ACIS作為系統程序開發平臺的懸索橋BIM建模系統的初步開發，同時以幾何信息和非幾何信息集成的索夾構件BIM的創建，說明此方法的可行性，具有一定的參考價值。然而基于ACIS進行懸索橋BIM建模與應用的研發依托于大量工作，懸索橋構件族庫的建立以及族庫 信息的不斷完善、標準化和擴展是一個持續的過程，需要繼續投入工作以及大量的專業人員的共同努力，以期研發出一個集設計、施工、運維管理于一體的懸索橋全壽命信息管理的BIM應用系統。

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U448.25

A

[定稿日期]2017-04-26

廣東省交通運輸廳科技項目(編號：2016003)

唐清東(1990～)，男，在讀碩士研究生， 主要從事現代橋式及橋梁結構設計理論、BIM技術研究。