公路常規橋梁BIM模型結構化組織方法研究

肖春紅，朱 明，袁 松

(四川省交通勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610017)

0 引言

隨著國家交通強國戰略部署的實施和新基建的深入推進，交通信息化也從單一的階段性應用逐步轉向覆蓋設計階段、建設階段、運營養護階段的全生命期應用。BIM技術作為信息化的重要組成部分，是實現交通資產數字化的有效手段，發揮著越來越重要的作用。

目前，橋梁工程的設計成果主要以二維圖紙、文檔和表格等方式呈現，這些工程數據的結構化程度非常低，計算機識別難度大，嚴重阻礙交通建設的信息化發展。橋梁BIM模型是對傳統橋梁設計成果的數字化表達，主要包括工程構件的三維模型和設計數據，這些構件的分解方法和設計數據的結構化組織方式與工程建設各階段的應用需求息息相關，是工程建設各階段數據有效流轉的重要保證，也是實現交通信息化建設的關鍵環節。

為推動設計成果的數字化，許多學者在橋梁BIM建模領域已有較多研究，趙偉蘭等[1]探析了橋梁BIM參數化建模方法；李長江等[2]探討了BIM橋梁模型創建工作流程及其在優化設計和三維可視化等方面的應用；林友強等[3]基于Revit,AutoCAD,Midas等平臺在快速建模、結構分析和自動出圖等方面進行了研究，并開發了橋梁信息模型系統；涂俊等[4]基于Revit和Dynamo實現了城市景觀橋梁BIM模型的參數化創建，并研究了Midas有限元分析軟件與BIM模型的銜接應用。以上這些研究主要集中于橋梁建模，未在工程建設應用領域開展具體的研究工作。

目前也有部分學者基于BIM模型開展橋梁工程建設管理及后期運維階段的應用研究。劉智敏、宋冰、陳文寶等[5-7]基于橋梁BIM模型對設計檢查、工程量清算、二維施工圖生成及施工等方面的應用進行了研究；林述濤[8-9]在多源數據融合和協同管理方面開展了相關研究；張裕超等[10]基于BENTLEY平臺架構了橋梁全生命周期BIM系統解決方案，分別在三維結構設計與力學計算、施工現場模擬、工程資料管理、協同管理及碰撞檢查等方面進行了研究與實踐；文獻[11-13]以港珠澳跨海大橋工程為例，提出了用于橋梁運維管理的橋梁BIM模型交付方案，并在施工進度管理和交通工程聯合設計方面開展了應用研究; 郭樹彬[14]將激光掃描技術應用于大跨度轉體斜拉橋鋼球鉸精細化安裝管理中，取得了良好的效果。這些學者分別在橋梁建設管理及后期運營維護階段對BIM模型及相關數據需求進行了探索，但研究成果針對公路常規橋梁全生命周期應用很難具有普適性，且部分學者是基于特定平臺、特殊橋梁或特定需求展開的應用研究(如張裕超、董莉莉等)。勾紅葉等[15]總結了橋梁信息化及智能檢測等領域的研究現狀,同時對這些領域的后續發展方向及研究重點進行了分析展望；專著《橋梁工程BIM技術標準化應用指南》[16]講述了基于Revit平臺創建橋梁標準化構件庫并組裝成橋梁BIM模型的方法，但基于公路常規橋梁全生命周期應用所需的BIM模型實體分解和數據結構化方法的研究還比較少見。

現有橋梁BIM軟件[17-18](Revit，OpenBridge及Catia等)無法針對不同的BIM標準實現BIM模型構件分解、層級劃分及數據結構化的自動化創建，以Catia為例，構件分解及層級劃分雖可在建模過程中自定義，但當應用所需的構件層級劃分標準不一致時，需對建模流程進行更改，或采用手工調整BIM模型，BIM模型的普適性較低。

1 結構化組織方法

通過研究近5 a四川省內多條高速公路近900座橋梁的BIM模型構建過程和數字化交付流程，制定了橋梁BIM構件劃分原則及橋梁工程節點層級關系配置方案(上部結構、下部結構、橋墩、墩柱等均為橋梁工程節點，但各節點的層級關系不同，下部結構為橋墩的父級節點，墩柱為橋墩的子級節點)，提出了常規橋梁BIM模型分解和結構化組織方法，具體包括以下幾個步驟：

(1)分離模型和屬性，并建立模型與屬性文件的關聯關系。基于BIM幾何模型及設計信息構建與應用需求匹配的橋梁工程節點，創建對應的模型id及屬性，并在BIM幾何模型中設置模型id，通過此id實現幾何模型與屬性的一一對應；

(2)根據工程建設應用需求，創建模型分解方案及層級關系配置表；

(3)在步驟(1)和步驟(2)的基礎上，建立模型分解及其層級關系；

(4)基于步驟(3)得到的模型分解及其層級關系構建BIM模型結構樹，并通過二次開發在軟件界面實現模型及對應屬性的展示和面向用戶的管理，最后得到結構化的BIM模型。

BIM模型分解和結構化組織方法如圖1所示，此方法適用于不同BIM軟件創建的BIM模型及不同的 BIM交付標準。本研究利用Visual Studio平臺，采用C#語言基于Revit軟件平臺進行二次開發，創建公路常規橋梁BIM模型，并根據BIM模型分解原則生成模型對應的模型節點、模型信息及不同模型之間的層級關系(模型節點、模型信息及模型層級關系采用JSON格式存儲)，再通過模型節點及模型層級關系構建橋梁BIM模型結構樹，形成結構化的BIM模型。

圖1 BIM模型分解和結構化組織方法Fig.1 BIM model decomposition and structured organization method

基于上述研究方法，公路橋梁結構化的BIM模型主要由幾何模型、模型結構樹及屬性組成。其中，幾何模型代表構件的幾何形狀信息；模型結構樹代表工程構件的層級劃分信息；屬性主要包括構件相關的信息，如幾何尺寸、設計參數及工程信息等。由于效率、應用需求及軟件技術等條件的限制，橋梁BIM幾何模型無法表達出所有的工程對象，如橋下清方等，本研究所述的研究方法為通過定義虛擬節點模擬無幾何模型的工程對象，通過定義實體節點模擬存在幾何模型的工程對象。

2 模型分解及構件層級劃分

2.1 模型分解

BIM模型分解與模型創建密切相關，首先建立三維參數化構件庫(構件為工程對象分解的基本構件)，然后對參數化構件根據工程設計實例化并賦值后進行拼接裝配，最后完成橋梁模型的創建。

BIM模型主要應用于工程建設階段及運營養護階段，其中，建設階段所需求的模型分解程度高于運營養護階段，且運營養護的基礎數據應繼承自建設階段。分部分項工程是建設階段業務流程的關鍵要素，因此，模型分解應充分考慮建設階段的分部分項規則，這是確定BIM模型構件層級劃分的主要依據。

按照常規公路橋梁分部分項工程劃分原則，橋梁結構主要包括上部構造、基礎及下部構造、橋面系及附屬工程，圖2為某工程分部分項工程層級關系。

圖2 分部分項工程層級關系圖Fig.2 Hierarchical relationship diagram of sub-projects

2.2 構件層級劃分

通過研究橋梁建設分部分項規則，本研究制定了系統默認的公路常規橋梁BIM模型構件層級劃分規則，并按照此規則為每個構件層級分配了節點編碼,系統默認的構件層級劃分及對應的層級節點編碼如表1所示。

為適應不同BIM標準及不同工程需求下分部分項工程劃分原則的變化，研究采用分部分項工程層級關系配置表作為BIM模型創建的輸入條件，其將作為構件節點關系表的主要依據。當構件劃分規則與系統默認的劃分規則不一致時，用戶可針對具體的分部分項工程劃分需求調整構件層級，并在配置關系表中設置與默認規則不一致的節點層級關系，從而實現BIM模型結構樹的普適性。

分部分項工程層級配置表如表2所示，表中所述的配置參數代表將下部結構的橋墩父節點由默認的下部結構節點調整為橋梁工程節點，并將橋墩的蓋梁父節點由默認的橋墩節點調整為下部結構節點。

通過表1及表2中的分部分項層級關系，可獲得任意工程節點對應的父節點及子節點，再通過節點id建立與幾何模型的關聯關系，從而實現橋梁BIM模型的結構化組織。

表1 節點層級劃分及節點編碼Tab.1 Node hierarchy division and node coding

表2 分部分項工程層級關系配置表Tab.2 Hierarchical relationship configuration table of sub-projects

3 模型信息

信息是BIM模型的關鍵要素，是所有基于BIM模型開展業務應用的前提條件。根據本研究所述的模型組織方法，當無BIM幾何模型時，所有工程節點均為虛擬節點，除三維可視化等與BIM幾何模型息息相關的業務外，可基于虛擬節點及對應的模型信息進行正常的BIM應用；當無節點信息時，BIM模型僅有三維幾何，無法與業務邏輯相銜接。模型信息主要包括模型id、模型編碼、模型節點編號、位置信息、幾何信息及設計信息。

(1)模型id

模型信息采用單獨的文件進行存儲，其通過模型id與BIM幾何模型建立連接，BIM幾何模型中每個構件都有一個id參數，其值與對應的模型節點id值保持一致，本研究采用計算機隨機生成的GUID為模型節點id賦值。

(2)模型編碼

模型編碼主要用于標識模型節點的工程類型，公路常規橋梁模型節點類型一般主要包括橋梁、上部結構、下部結構、橋墩、橋臺、T梁、箱梁、濕接縫、橫隔板、蓋梁、墊石、墩柱、樁基、承臺、墩系梁、地系梁等，這些模型節點均有其對應的唯一模型編碼，如表1所示。

(3) 模型節點編號

模型節點編號主要用于標識模型節點的身份，在模型層級關系文件中，采用模型節點編號來表達模型節點與其子模型節點之間的關系。

(4)位置信息

位置信息用于標識模型空間位置。本研究結合公路常規橋梁工程建設習慣建立模型位置信息編碼規則，編碼采用16個字符組合而成，位置信息編碼的含義如圖3所示，第1個字符表示路線信息(M表示整幅，L表示左幅，R表示右幅)，第2～4個字符表示模型聯號，第5～7個字符表示模型跨號，第8～10個字符表示順橋向編號，第11～13個字符表示橫橋向編號，第14～16個字符表示豎向編號。

圖3 位置信息編碼Fig.3 Location information coding

位置信息編碼規則是計算機解析模型空間位置信息的唯一依據。根據本研究所述的位置信息編碼規則，起始順橋向編號、起始橫橋向編號及起始豎向編號均為001，順橋向編號從小樁號到大樁號依次遞增；橫橋向編號從左至右依次遞增，豎向編號從下向上依次遞增。

(5)幾何信息

幾何信息即BIM幾何模型外表面包含多個三角網面，三角網面是由一系列的點組合而成的，BIM幾何模型可采用一系列點的坐標進行表達，從而實現幾何模型的結構化數據存儲；

(6)設計信息

設計信息豐富度應滿足工程建設業務需求，主要包括構件尺寸、坐標、材料、體積及施工注意事項等。

4 BIM模型創建及數據結構化

4.1 BIM模型創建系統

常規橋梁BIM模型創建系統共分為3個子模塊，分別為設計參數錄入、數據結構化及BIM模型創建，基于Revit開發的常規橋梁BIM模型創建系統界面如圖4所示。

圖4 常規橋梁BIM模型創建系統界面Fig.4 System interface for creating conventional bridge BIM model

系統的建模流程主要包括以下幾個步驟：

(1)在設計參數錄入子模塊中錄入橋梁設計參數，并對設計參數按照工程邏輯及相關規范進行數據校驗；

(2)通過數據結構化子模塊對步驟(1)錄入的設計參數進行數據處理，得到結構化的BIM模型數據；

(3)基于步驟(2)中的結構化BIM模型數據，采用BIM模型創建子模塊，在Revit軟件中創建BIM幾何模型；

(4)結合步驟(2)得到的結構化BIM模型數據及步驟(3)得到的BIM幾何模型，在Revit軟件界面生成對應的模型結構樹。

上述建模流程中，步驟(1)～步驟(2)為純數據計算，與建模軟件無直接聯系，常規公路橋梁BIM模型創建流程如圖5所示。

圖5 BIM幾何模型創建流程示意圖Fig.5 Schematic diagram of BIM geometric model creation process

4.2 BIM模型數據結構化

通過研究業務應用需求，并結合本研究提出的分部分項工程構件層次劃分規則和數據結構，本研究基于行業規范分別對節點信息及層級關系數據建立了BIM模型結構化數據標準。

隨著“萬物互聯”和“大數據”的提出和發展，交通建設信息化逐漸與互聯網及物聯網交匯融合，JSON作為前后端數據交互的標準格式，可實現項目變更過程中BIM模型與BIM數據的同步更新，確保幾何模型與數據的一致性，系統采用JSON格式對BIM模型數據進行結構化存儲，例4-1為節點信息JSON格式數據,例4-2為分部分項工程節點層級關系JSON格式數據：

例4-1：節點信息JSON格式數據

{

"id": "c2374c09-653f-483c-a530-54c13e14a78a",

"nodeCode": "18-05.02.03.02",

"nodeNum": "23",

"locCode": "M001001001001001",

"attributes": […],

"geometry":[…]

}

例4-1中，nodeCode為節點編碼，nodeNum為節點編號，locCode為位置信息編碼，attributes用于存儲節點的設計信息，geometry用于存儲BIM幾何模型信息。

例4-2：分部分項工程節點層級關系JSON格式數據

{

"relatingNode": 23,

"relatedNodes": [5，6，7，8，9，10，11]

}

例4-2中，relatingNode為父節點編號，relatedNodes為子節點編號集，此JSON數據含義為“23號節點的子節點編號分別為5,6,7,8,9,10,11”。

4.3 BIM模型結構

如例4-1及例4-2所示，JSON格式數據為高度規則化的BIM模型數據，計算機可根據數據標準較好地識別數據的內容和含義，但這種數據在工程應用時可讀性較差，非程序人員識別難度較大。為便于BIM模型創建系統使用人員對數據的核驗和管理，研究基于Revit軟件的二次開發，在軟件界面中實現例4-1節點信息及例4-2所示節點層級關系數據的可視化呈現,橋梁BIM模型結構樹如圖6所示，BIM模型結構樹中每個層級對應一個橋梁節點，并與BIM幾何模型建立了一一對應的關聯關系。

圖6 橋梁BIM模型結構樹Fig.6 Bridge BIM model structure tree

5 結論

本研究提出的常規橋梁BIM模型分解及結構化組織方法，將幾何模型與屬性分離，利用模型id實現模型與屬性的一一對應，并通過設置配置表來調整構件層級關系，具有以下優勢：

(1)可適用于不同的BIM軟件平臺，并利于不同平臺間BIM模型的融合。

(2)可滿足不同的橋梁建設應用需求，適應不同的BIM標準，通用性較強。

(3)幾何模型與屬性分離后，在幾何模型不變的情況下便于模型信息的擴展，并可實現無幾何模型情況下BIM的應用(均抽象為虛擬節點)，極大地簡化了BIM應用生產流程，提升其應用效率。

(4)實現了BIM模型結構樹的可視化呈現和面向對象的管理，對橋梁BIM設計過程中模型的組織及關聯屬性修改起到關鍵作用。

(5)BIM模型的結構化存儲有利于計算機對BIM數據的識別和處理，實現WBS結構樹的自動創建。

(6)實現模型層級關系的調整及模型信息的擴展，可適應橋梁建設各階段BIM的應用需求。

但本研究所述的BIM模型分解及結構化組織方法是基于常規橋梁提出的，并不完全適用于特殊橋梁結構，需要針對不同的橋梁結構開展更多的研究和應用實踐。