二次開發(fā)構(gòu)建預(yù)制T梁高精度BIM模型研究與應(yīng)用

傅 霆，喬 科，汪 軍

(四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司，成都 610041)

近年來，BIM技術(shù)在交通基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，涵蓋隧道、橋梁、道路等多個專業(yè)，并結(jié)合可視化、VR、編碼技術(shù)和施工管理、運用維護業(yè)務(wù)平臺，呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的勢頭[1-2]。其中，建模一直處于BIM技術(shù)的核心地位，BIM 技術(shù)的應(yīng)用都是基于 BIM 模型展開的，BIM 模型必須滿足一定的精度要求，BIM 技術(shù)的應(yīng)用才能開展。BIM 模型是集成、傳遞和共享具有 BIM 技術(shù)特征的信息載體，模型的精細程度往往決定了BIM技術(shù)的應(yīng)用范圍[3]。

目前，主流 BIM 核心建模軟件[4-5]大多數(shù)都是針對建筑工程，針對橋梁領(lǐng)域的 BIM 核心建模軟件匱乏，加之橋梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜、構(gòu)件曲面變化多樣，所以橋梁 BIM 模型構(gòu)建起來比較困難[6]、模型精度達不到工程設(shè)計要求。橋梁BIM的長遠目標(biāo)是要實現(xiàn)BIM模型的三維正向設(shè)計，當(dāng)前有一些應(yīng)用BIM技術(shù)進行橋梁隧道正向設(shè)計的嘗試[7-8]，但如果模型精度達不到工程設(shè)計要求，三維模型就不能呈現(xiàn)真實設(shè)計信息，從而難以用于直接指導(dǎo)工程建設(shè)，為此必須研究提高模型精度的方法。

1 數(shù)據(jù)驅(qū)動與參數(shù)化設(shè)計

參數(shù)化建模是一個重要的提高建模效率的方法[9]，它是在建立豐富的橋梁 BIM 構(gòu)件資源庫后，通過調(diào)整構(gòu)件參數(shù)，建模人員便可像“搭積木”一樣進行橋梁 BIM 模型的創(chuàng)建。為了提高參數(shù)輸入效率，柳龍[10]應(yīng)用 Dynamo 與 Revit 交互，沙名欽[3]應(yīng)用Revit二次開發(fā)手段，利用數(shù)據(jù)文檔來實現(xiàn)參數(shù)數(shù)據(jù)輸入，減少了手動建模的工作量，實現(xiàn)橋梁 BIM 模型的快速、準(zhǔn)確創(chuàng)建。上述2種方法都是應(yīng)用軟件開發(fā)手段來提高建模的效率和精度，但均需要人工建立參數(shù)文檔，模型精度受個體行為影響而難以得到保障。

公路工程中，受地形、線型、橫坡、縱坡等因素影響，結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的橋梁構(gòu)件在不同位置的三維模型變化很大，這是公路工程BIM與建筑業(yè)的主要區(qū)別和難點[11]。以預(yù)制T梁為例，道路設(shè)計線一般為曲線，道路的橫坡也在變化，真實T梁的長度和端頭形狀都在不斷變化，面對成百上千的T梁，如果需要輸入每一片梁的參數(shù)，參數(shù)化設(shè)計也是難以完成的任務(wù)。因此，參數(shù)化設(shè)計難以實現(xiàn)高精度橋梁構(gòu)件建模，除非參數(shù)的計算和輸入也是自動完成。為此，提出設(shè)計數(shù)據(jù)驅(qū)動的概念來實現(xiàn)真實建模，其構(gòu)想為：所有設(shè)計約束和設(shè)計邏輯都由軟件完成實現(xiàn)，當(dāng)輸入設(shè)計數(shù)據(jù)后，直接得到橋梁模型，形成“設(shè)計數(shù)據(jù)驅(qū)動-程序控制-自動構(gòu)建模型”的軟件開發(fā)思路。與數(shù)據(jù)驅(qū)動[12]相比，設(shè)計數(shù)據(jù)驅(qū)動的概念更強調(diào)要從設(shè)計出發(fā)，目標(biāo)是面向設(shè)計數(shù)據(jù)的正向設(shè)計。

以下幾個因素促使筆者提出上述“設(shè)計數(shù)據(jù)驅(qū)動”的建模構(gòu)想：

1) 如果要達到滿足工程實際需要的精度要求，人工的方法實現(xiàn)橋梁構(gòu)件幾乎是不可能的。

2) 主流建模軟件都提供了空間幾何構(gòu)造(拉伸、合并、切割)、定位、方向控制等接口，為橋梁構(gòu)件的二次開發(fā)實現(xiàn)提供了必要的工具。

3) 程序?qū)崿F(xiàn)工程設(shè)計約束要素，完成設(shè)計邏輯，模型由軟件自動完成，必定會提高設(shè)計效率，消除人為誤差，是設(shè)計行業(yè)發(fā)展的方向。

裝配式T型橋梁是橋梁結(jié)構(gòu)中使用最為普遍的結(jié)構(gòu)形式，其優(yōu)點是制造簡單、整體性好[13]。為了編制T梁的BIM模型輔助軟件，選用在土木行業(yè)應(yīng)用較廣的Bentley 平臺[14]，用“設(shè)計數(shù)據(jù)驅(qū)動-程序控制-自動構(gòu)建模型”的構(gòu)思進行二次開發(fā)，實現(xiàn)了自動高效地創(chuàng)建高精度的T梁模型。以下主要介紹二次開發(fā)的主要界面、原理和程序模塊。

2 數(shù)據(jù)驅(qū)動實現(xiàn)高精度T型橋梁的BIM模型

T梁構(gòu)建軟件基于Bentley MicroStation CE平臺，采用Visual Studio 2015和.NET框架，應(yīng)用托管C++語言[15]進行二次開發(fā)，軟件采用窗體界面進行數(shù)據(jù)交互，使用方便。程序設(shè)計考慮了T型橋梁的各種約束，包括橫坡、橋梁設(shè)計線、橋梁中心線與設(shè)計中心線的偏距，設(shè)計高程參照點與設(shè)計中心線高程點的偏差，橋梁各部分立面布置等因素，實現(xiàn)了T型橋梁主要構(gòu)件的三維模型，包括路基路面、護欄、T梁、濕接板、蓋梁、墊石和圓柱墩。

按照橋梁實際形狀自動構(gòu)建BIM模型，是程序設(shè)計的主要目標(biāo)。模型的構(gòu)建受T梁設(shè)計參數(shù)的控制，也受項目環(huán)境的數(shù)據(jù)控制，比如橫坡。當(dāng)橫坡發(fā)生變化后，每一跨T梁隨之變化，控制起來更加復(fù)雜，但模型精度更準(zhǔn)確；T梁的放置完全按照設(shè)計需求，由項目環(huán)境因素控制，保障模型精確定位；按照設(shè)計要求，軟件自動對模型精確定位并切割修整，實現(xiàn)高精度T梁模型。

T梁參數(shù)設(shè)計數(shù)據(jù)都可存儲，以便下次應(yīng)用。程序是通過對設(shè)計數(shù)據(jù)的描述來存儲或調(diào)用專業(yè)設(shè)計數(shù)據(jù)，相對于利用文件名稱調(diào)用，這種調(diào)用方法參照的有效信息更多，應(yīng)用更加方便。

2.1 數(shù)據(jù)輸入

數(shù)據(jù)輸入的界面都是按照窗體風(fēng)格設(shè)計，操作方便。

2.1.1 橋梁項目數(shù)據(jù)輸入與控制

在如圖1所示的窗體界面上，輸入橋梁設(shè)計線、橋梁與設(shè)計線的相對位置、墩間距、蓋梁縱坡、橋梁在立面布置信息等。確定橋墩、T梁、橋臺、立柱等構(gòu)件在設(shè)計線上的位置和立面布置信息。

圖1 橋梁項目數(shù)據(jù)輸入界面

2.1.2 T梁數(shù)據(jù)輸入、控制與存儲

在如圖2所示的窗體界面上，在“T梁參數(shù)列表”和 “橫隔板位置列表”處分別輸入T梁橫斷面、縱斷面、橫隔板寬度以及整跨相關(guān)的參數(shù)。“T梁參數(shù)描述”列表中顯示已有的設(shè)計樣式，“添加新數(shù)據(jù)”和“刪除當(dāng)前數(shù)據(jù)”按鈕，用于T梁設(shè)計樣式的存儲和刪除操作，實現(xiàn)T梁設(shè)計數(shù)據(jù)的編輯和管理功能。

T梁縱坡列表中有3類參數(shù)： T梁縱坡、支座位置蓋梁縱坡、T梁端頭伸縮縫類型(80型和160型)。

圖2 T梁數(shù)據(jù)輸入與控制界面

2.2 T梁構(gòu)建的流程和方法

T梁構(gòu)建主要包括T梁構(gòu)建模塊、T梁放置模塊、T梁切割模塊3個部分。

2.2.1 T梁構(gòu)建模塊

T梁構(gòu)建是軟件編制的主要工作之一，主要原理和流程介紹如下：

1) 構(gòu)建T梁端頭和中段的橫斷面。基本原理如圖3(a)所示，以0點為坐標(biāo)原點，按照T梁的輸入?yún)?shù)和橫坡值依次計算14個節(jié)點位置，按照倒角要求修改點4、點7、點8、點11，并插入倒角點，然后將這些節(jié)點構(gòu)成線串，從而創(chuàng)建出橫斷面的形狀。

2) 構(gòu)建T梁模型。按照設(shè)計數(shù)據(jù)，將端部和中段的T梁橫斷面依次放樣，然后合成T梁模型，如圖3(b)中T梁透視圖。

3) 按設(shè)計數(shù)據(jù)，構(gòu)建T梁橫隔板，并合并到T梁模型中，得到完整的T梁。

4) 按照設(shè)計數(shù)據(jù)，構(gòu)建濕接板的單側(cè)縱斷面，并保持縱斷面的位置在T梁的邊緣，如圖3(b)中濕接板透視圖。

由于T梁的梁長和端頭形狀受到布設(shè)位置影響而變化，為了適應(yīng)這種情況，T梁和濕接板構(gòu)建時都做一定的延長，邊梁的翼緣板也做一定的加寬，以便后期切割加工得到滿足設(shè)計要求的T梁。

2.2.2 T梁放置模塊

為保證設(shè)計精度，布設(shè)梁時嚴(yán)格按照設(shè)計要求布置，梁長變化采用調(diào)整橫隔板至梁端的長度實現(xiàn)，保證梁端至支座中心線的距離不變。根據(jù)這個條件，T梁放置的位置和方向按如下過程確定：

同樣的方式放置T梁關(guān)聯(lián)的濕接板縱斷面，再利用2個相鄰的縱斷面合成濕接板模型。

2.2.3 T梁切割處理

T梁切割處理主要有2個工作：切割出伸縮縫和切割邊梁的翼緣板。切割的方向和角度都要嚴(yán)格按照設(shè)計規(guī)定執(zhí)行，保證加工出來的T梁尺寸符合設(shè)計精度。

1) 切割出伸縮縫，得到T梁和濕接板端頭的樣式。在設(shè)計基點位置按照伸縮縫類型進行切割，切割的方向和角度由設(shè)計基點的法線方向和梁布置線的垂直方向決定。80型和160型2種伸縮縫形式，分別指的是保持T梁到橋墩中心線間距為3 cm和6 cm，160型的T梁頂板端頭位置切割前需加厚。

2) 邊梁的翼緣板，按照道路邊線形狀進行切割，以滿足曲線橋?qū)吘壍囊蟆?/p>

2.3 其他

整套軟件可自動加工T型橋梁的所有主要構(gòu)件，包括蓋梁、橋臺、墊石、圓形墩、系梁等，但未能涵蓋這些構(gòu)件的所有樣式，本文不再詳細介紹，軟件構(gòu)建出完整的T梁橋梁模型如圖4所示。

3 預(yù)制T梁三維模型測試

數(shù)據(jù)驅(qū)動的數(shù)據(jù)包括項目數(shù)據(jù)和T梁構(gòu)件的橫斷面、縱斷面數(shù)據(jù)。不同于參數(shù)化建模，橋梁構(gòu)件按照設(shè)計的橫斷面、縱斷面合成，然后放到項目環(huán)境中，完全按照設(shè)計參數(shù)、路線變化和橫坡要求，由程序進行切割修正，其精度必定是符合設(shè)計要求的。因此，數(shù)據(jù)驅(qū)動的特點和優(yōu)勢在于模型完全由項目數(shù)據(jù)和設(shè)計參數(shù)進行自動構(gòu)建，消除人為誤差，模型精確且自動化程度高。

圖4 完整T梁橋梁BIM模型

T梁模型仿真的結(jié)果如圖5所示。其中圖5(a)顯示了橫坡為2.5%的T梁布設(shè)在兩端橫坡為 -7%和12%的2個基點上，在這種極端條件下，濕接板和T梁連接出現(xiàn)嚴(yán)重波動，顯示軟件實現(xiàn)T梁的布置精確，適應(yīng)極端數(shù)據(jù)要求；圖5(b)和圖5(c)顯示80型和160型2種伸縮縫，顯示出T梁模型的伸縮縫完全達到設(shè)計要求；圖5(d)和圖5(e)展示曲線橋布置是T梁端頭長和梁長在曲線位置的變化，顯示出曲線橋邊梁翼緣板的形狀，均完全適應(yīng)設(shè)計要求；圖5(g)顯示連續(xù)曲線橋的T梁布置展示。

模型測試顯示，T梁模型的制作過程高度智能，適應(yīng)數(shù)據(jù)的能力強，模型準(zhǔn)確，細節(jié)部分與設(shè)計吻合，實現(xiàn)了預(yù)制T梁高精度BIM模型的快速制作。

(a) 橫坡劇烈變化的T梁(b) 80型端頭(c) 160型端頭(d) 曲線位置T梁底視圖(e) 曲線位置T梁俯視圖(f) 連續(xù)曲線橋的T梁示意

4 結(jié)論

基于“設(shè)計數(shù)據(jù)驅(qū)動-程序控制-自動構(gòu)建模型”構(gòu)思的Bentley平臺二次開發(fā)預(yù)制T梁輔助建模軟件，采用窗體界面，界面清晰，應(yīng)用方便，實現(xiàn)了高精度T梁的自動化建模，為探索橋梁高精度模型構(gòu)建的方法和流程積累了經(jīng)驗。

橋梁工程BIM構(gòu)件要走向三維正向設(shè)計，須使得三維模型精度達到設(shè)計精度要求，預(yù)制T梁BIM模型的實現(xiàn)只是其中很小的一步，但“設(shè)計數(shù)據(jù)驅(qū)動-程序控制-自動構(gòu)建模型”思路必定是走向橋梁BIM正向設(shè)計的正確道路。