基于程序開發的橋梁工程BIM正向設計研究

陳 旺 戴建國

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海 200092)

引言

近年來，在政府部門的積極推動和工程各參與方的研究應用下，BIM技術取得了一定的發展[1-5]。然而，現階段的BIM模型大多是利用設計人員繪制的二維圖紙成果進行逆向三維建模所得。在工程的設計階段，BIM技術只是起到輔助作用，并沒有真正的融入到工程設計流程中，成為廣大設計人員的設計工具。利用BIM進行工程的正向設計是BIM技術的發展瓶頸，也是急需突破的一個重點和難點。

因此，本文選取上海某橋梁匝道項目，以橋梁專業的設計流程為核心，依托BIM軟件平臺CATIA，對橋梁工程的BIM正向設計進行研究。如圖1所示，該項目主要結構為預制預應力后張剛接空心板梁，蓋梁與立柱也采用預制裝配結構。通過本次研究深化BIM技術在橋梁工程設計階段的應用，推動橋梁工程三維設計的發展。

圖1 工程結構形式

1 總體技術路線

利用BIM進行橋梁工程正向設計的目的是借助BIM技術的優勢進一步提高設計的質量和效率，其落腳點仍然是設計。而設計的重點主要包括以下兩部分內容：一是確定工程構件在項目中的位置； 二是確定工程構件的型式和構造。同時，本次研究的依托軟件CATIA的建模思路是“骨架+模板”[6-8]，與設計的內容基本吻合。其中，骨架主要是指三維空間中創建的點、線、面、坐標系等幾何元素。它為模板的實例化提供了關鍵的參考條件，模板隨著骨架的變化而改變，兩者之間是驅動與被驅動的關系。

圖2 總體技術路線

如圖2所示，結合設計流程與軟件的建模思路，制定本次研究的總體技術路線。技術路線可以分為道路線形創建、橋梁構件定位、構件結構選型與參數賦值、BIM模型創建等四部分，其中線形創建和構件定位解決的是橋梁構件的位置問題。對上述的四部分內容進行研究，開發相關程序，實現BIM軟件平臺與設計流程的結合。

2 道路線形與定位元素創建

2.1 道路線形創建

橋梁專業設計的基礎是道路專業交接的道路設計成果數據。但是，直接利用CATIA現有的功能并不能快速、準確地創建道路線形，尤其是復雜的道路平曲線。對此，通過對CATIA二次開發的研究以及道路線形設計數據的分析，可以利用二次開發的方式進行專業間數據的快速、準確交接。

2.1.1 軟件二次開發研究

作為一款強大的工程軟件，CATIA提供了兩種二次開發的方式：進程內應用程序方式和進程外應用程序方式[9-10]。由于本次開發涉及到與外部數據文件的交互，同時，為了增加用戶操作的簡便性，本次研究選取第二種開發方式，即進程外應用程序方式。針對進程外應用程序的開發方式，CATIA提供了組件應用架構(CAA)的開發方式。這種開發方式功能強大，但是十分復雜，需要進行專業的培訓學習。由于CATIA提供了組件對象模型(COM)支持，因此可以通過.Net平臺引入COM組件進行開發。綜上，本次以Visual Studio 2010為平臺，以C#為編程語言進行CATIA軟件的二次開發。通過引用CATIA軟件提供的二次開發接口組件文件，編寫窗體程序，調用相關的接口函數，利用道路線形設計的數據文件直接在CATIA中生成平曲線和豎曲線。

2.1.2 程序功能開發

(1)連接CATIA軟件：程序運行的第一步要建立開發的程序和CATIA軟件之間的連接，以便程序能夠調用軟件的命令。

(2)獲取數據創建位置：CATIA軟件利用結構樹的形式來組織項目的數據。因此，在創建道路線形前也要先在樹結構上選定具體的位置，然后運行程序獲取樹結構的位置。這樣，程序后續運行產生的數據便會出現在指定位置。

(3)線形數據的讀取：道路專業交接的數據文件有其專業的數據組織方式和格式，在程序開發前要充分理解這些數據的所代表的專業意義。然后，在程序中分別按照文件的格式讀取線形數據，在如圖3所示的程序界面上展示，用于下一步的線形創建。

圖3 道路平曲線數據讀取

(4)創建道路線形：讀取文件的數據之后就是要按照這些數據的幾何本質來進行線形的創建。分析線形的幾何本質，結合CATIA的功能制定出程序的邏輯流程，調用相關的函數創建道路線形。

圖4 道路平曲線創建

2.2 定位元素創建

定位元素用來確定構件的空間位置，基礎是道路中心線。逆向建模方式是直接從設計圖紙中直接獲取構件的三維空間位置信息，不存在設計的過程。所以，該部分要研究的就是在BIM軟件中實現項目設計流程、確定構件位置的方法。同時，研究利用CATIA的編程接口使定位設計過程快速化、批量化的方法。

首先是項目的上部結構剛接空心板梁的劃板定位。在設計過程中，通過劃板的操作來確定板梁的片數、位置、寬度等布置信息。通過對劃板流程和規則的研究分析，將其轉化為可以用程序表達的計算方法。然后，利用CATIA的知識工程語言編寫程序腳本，在CATIA中進行劃板操作，具體的程序流程如圖5所示。運行程序，經過循環計算和判斷，直接在CATIA中繪制劃板示意圖，同時記錄板梁的位置數據。

圖5 CATIA劃板流程示意圖

對于項目的橋墩定位，根據定位規則編寫腳本程序。運行程序，獲取橋墩中心位置的道路中心線和地面線高程； 然后結合設計參數和規則計算在程序中計算出蓋梁、立柱、承臺等的位置數據； 最后，調用函數批量創建如圖7所示的定位坐標系。

知識是由圍繞著關鍵概念的網絡結構所組成，它包括事實、概念、概括化以及有關的價值、意向、過程知識、條件知識等，學習可以從網絡的任何部分進入或開始。傳統的教學活動往往有嚴格的直線型層級。

圖6 CATIA劃板示意圖

圖7 橋墩定位坐標系

3 構件結構選型與參數賦值

直接利用BIM軟件即可以進行橋梁工程構件的結構選型與參數賦值。但是需要設計人員學習掌握BIM軟件，而且操作的過程比較繁瑣，容易出錯，進而導致工作質量和效率的下降。因此，本次研究以參數化的工程模板為基礎，以橋梁工程設計流程為核心進行構件結構選型與參數賦值程序的開發。程序是設計人員和BIM軟件對接的工具，利用程序可以直接按照熟悉的設計流程進行操作。不但可以免去設計人員學習BIM軟件的復雜過程，又可以利用程序流程對操作的規范性進行約束，提高工作的效率和質量。如圖8所示，構件選型與參數賦值程序根據功能需要開發了四項功能。

圖8 程序功能開發

3.1 工程模板維護

模板庫需要根據工程需求進行更新和維護。因此，開發工程模板維護功能，由模板庫維護人員使用，進行工程模板的增加、修改、刪除等操作。

圖9 模板維護程序主界面

如圖9所示為程序主界面，可以分為四塊區域：

(1)模板庫組織結構：依據橋梁工程專業的分類，將模板以結構樹的方式進行組織展示。如圖10所示，模板庫中的模板共分為兩類：一類是框架模板(單跨梁框架、橋墩框架)，這種模板只用來表示其所包含的工程構件的種類和個數信息，并不包含具體的構件型式和參數信息。比如，一個橋墩框架模板主要的信息就是其所包含的蓋梁、立柱等構件的個數信息，至于橋墩具體的型式和構造參數信息則要通過另一類模板，也就是組件模板(蓋梁、立柱)來表達。

(2)模板參數信息：在模板庫樹結構上選擇一種模板，便會在界面區域2的列表中展示該模板的參數信息，主要包括參數名稱、參數類型(長度、角度、字符串等)、默認參數值等。

(3)模板可視化展示：在模板庫樹結構上選擇一種模板，程序中的可視化工具便會解析從數據庫中獲取的文件數據，在界面區域3通過三維模型和二維圖紙相結合的方式展示該模板的構件型式。

(4)模板操作：該區域主要是模板的增加、編輯、刪除、導出四個命令按鈕。如圖11所示為模板增加/編輯程序界面，程序使用人員可以利用該界面添加或者編輯模板的基本信息和參數信息。

圖10 模板庫組織結構示意圖

圖11 模板增加/編輯界面

3.2 項目管理功能

該功能由工程項目的設計人員使用，程序界面如圖12所示，可以進行項目的增加、編輯、刪除等。同時，此界面也是設計人員進行項目構件選型和參數賦值操作的入口：針對一個新項目，需要先利用項目管理功能添加項目，然后才能通過命令按鈕進入結構選型與參數賦值程序進行操作。

圖12 項目管理界面

3.3 結構選型與參數賦值功能

通過對橋梁工程結構設計流程的分析研究，使用整體框架和組件的邏輯流程進行程序的開發。按照該程序的操作流程，設計人員可以進行結構的構件選型和參數賦值。以橋墩結構為例，使用該程序時，將橋墩結構看作整體框架，蓋梁、立柱、承臺、樁基等結構構件看作是構成整體框架的各個組件。如圖13所示，為該部分程序的運行流程圖。設計人員使用程序時需要先選擇某一墩位的整體橋墩框架模板，這一步主要確定的是該墩位橋墩結構中包含的蓋梁、立柱等各類工程組件的個數。然后，再從模板庫中為各類組件選擇需要的工程模板，并根據模板的參數信息賦予合適的參數。操作完成后將數據導入到CATIA中作為建模的模板類型參數表。

圖13 程序運行流程圖

如圖14所示，為下部結構選型與參數賦值程序界面。進入該界面后程序會首先加載模板庫中橋墩結構的工程模板，以便設計人員進行項目構件模板的選擇。

圖14 結構選型與參數賦值程序界面

(1)橋墩框架數據：如圖15所示，為程序界面中的橋墩框架數據部分。初始的橋墩框架數據包括墩號、樁號、跨徑等基本信息。設計人員可以通過批量導入的方式將這些基本信息錄入到程序中，也可以逐條添加。針對這些墩位基本信息，用戶要在模板庫中為其選擇需要的橋墩框架模板。

圖15 橋墩框架數據

(2)橋墩組件數據：如圖16所示，為程序界面中的橋墩組件數據部分。初始的橋墩組件數據包括墩號、組件類別、編號等信息。組件的基本信息與橋墩框架的信息處于聯動狀態，不能人為進行修改調整。在選擇橋墩框架模板時，程序便會按照框架模板描述的各類組件的個數自動創建組件的基本數據。后續如果框架數據發生了變更修改，組件數據也會進行相應的聯動更新。對于列表中的蓋梁、立柱等組件數據，根據項目實際需要選擇組件模板，然后進行參數賦值。

圖16 橋墩組件數據

(3)模板更新檢測功能：工程構件的模板選擇和參數賦值都是基于模板來操作的。如果模板發生改變，項目的模板數據與模板庫中模板信息便無法對應。因此，程序設置了模板更新檢測功能。如果存在不對應的記錄，程序則會將列表中的記錄標注為紅色，并且給出具體的原因，指導用戶進行修改更新。

4 工程BIM模型創建

BIM模型創建是一個調用模板構件按照一定的流程組成工程整體模型的過程。通過上述的工作確定了構件的位置、類型和構造，工作的成果數據也將作為模型創建的輸入數據。構件模板是基礎，定位元素骨架和模板類型參數表為驅動，在CATIA中編寫程序腳本將三者結合起來，實現批量、快速的模型創建工作。如圖17所示，為本項目兩條橋梁匝道的工程BIM模型。

圖17 工程BIM模型

5 總結

本次研究針對實際的工程項目，依托BIM軟件平臺CATIA，圍繞項目設計過程中的線形創建、構件定位、結構選型與參數賦值等進行分析研究。開發相關程序，解決了研究過程中的一些難點、重點問題，提高工作的質量和效率，實現了BIM軟件平臺與設計流程的結合。本次研究深化了BIM技術在橋梁工程設計階段的應用，形成了橋梁工程BIM正向設計的方法體系，有利于推動橋梁工程三維設計的發展。