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    嵌入路线算法的公路桥梁BIM自动化建模研究

    时间：2023-03-23 09:00:06来源：百花范文网本文已影响人

    林旭 陈海涛 徐斌 徐晨辉

    (1.南昌市公路事业发展中心，江西 南昌 330006；
    2.江西慧航工程咨询有限公司，江西 南昌 330063；
    3.南昌公路桥梁工程有限公司，江西 南昌 330077)

    建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)是信息化技术在建设行业的直接应用，其以三维几何模型为数据载体，集成建筑的物理信息和过程信息，并通过开放的数据标准实现各参与方信息共享，促进工程项目管理水平与生产效率的提高，是基础建设领域极有前瞻性的发展方向之一[1]。近年来，BIM技术发展迅速，尤其是在建筑行业中的发展日趋成熟。袁荣丽等[2]基于BIM技术开展了建筑工程算量研究。Chen等[3]基于武汉国际博览中心项目探索并分析了基于4D BIM在施工阶段质量控制中的应用。尚超宏等[4]对重庆万达城展示中心项目全面应用BIM技术进行了探讨。然而，上述研究成果应用于实际桥梁项目存在诸多障碍。

    公路桥梁规模大，受路线平、竖曲线的影响，普遍存在曲线异型的上部结构，建模难度大、成本高，极大地限制了BIM技术的深入应用[5]。为此，张为和[6]基于CATIA软件创建了桥梁BIM模型，CATIA具有很强的参数化与曲面建模能力，但主要应用在制造领域，不支持建筑通用数据标准——IFC标准(建筑工程数据交换标准)，与建筑类软件数据的兼容性差。胡旭[7]基于Revit搭建钢箱梁斜拉桥各构件标准族，实现斜拉桥BIM建模效率，但未考虑道路曲线影响，无法适用于公路桥梁。李泽宇等[8]基于Revit参数化建模，结合Civil 3D曲线建模能力，提出一体化BIM建模方法。该方法数据支持IFC标准，但建模跨平台，操作不便，且传递信息易丢失。赵伟兰等[9]提出基于Revit独立平台通过参数化变截面放样方法实现曲面模型创建，适用于直线变截面桥梁，但未考虑路线线性，不同曲线位置桥梁建模，变截面的参数数据需重新设置，操作效率低、成本高。Dynamo是Revit软件内置的可视化编程插件，具有强大的参数化建模能力，可实现曲面模型创建与模型批量放置。宋福春、王奇等[10-11]借助Dynamo进行复杂桥梁参数化建模，但该方法仅支持直线桥梁，未对桥梁设计曲线进行分析，适用性不强。

    本文基于BIM应用程度较高的Revit建模平台，支持IFC格式，与其他建筑类软件数据的兼容性较好。通过对路线线形算法进行解析，并嵌入Dynamo可视化程序节点，实现曲线桥梁构件快速、准确参数化建模。该方法适用于任意路线线形桥梁，具有极强的适用性与较高的应用价值。

    路线线形是确定路线平面线形、纵断面线形及二者相结合三维空间线形的总称。桥梁的整体线形取决于其路线线形。因此，将路线线形算法嵌入桥梁BIM模型创建过程，将极大地提高BIM模型创建的效率和准确性。

    1.1 平面线形计算

    平面曲线根据线形计算方法分为交点法与线元法两种。交点法适用于标准曲线的计算，标准曲线是由直线段、入缓和曲线段、圆曲线段、出缓和曲线段、直线段5段曲线顺序组合而成的曲线，因此不适用于S形、卵形等曲线的计算，具有一定的应用限制。而线元法是将道路曲线分为直线、圆曲线、缓和曲线与不完整缓曲线4类曲线基本线型，由这4种曲线任意组合，可构成S形、卵形曲线等任意设计曲线，具有较强的通用性。因此，本文采用线元法计算曲线。平曲线计算示意图如图1所示。

    1.1.1 直线

    已知直线起点A(x0，y0)及方位角α0，直线上任意点P至起点A的距离为l，参见图1a。P点坐标x、y以及切线方位角α的计算见式(1)

    (1)

    1.1.2 圆曲线计算公式

    已知圆曲线起点A(x0，y0)及方位角α0，圆心O，半径为R，圆曲线上任意点P至起点A的距离为l，参见图1b。则P点坐标x、y以及切线方位角α的计算见式(2)

    (2)

    式中，±：右偏为+，左偏为-。

    1.1.3 缓和曲线计算

    已知缓和曲线起点A(x0，y0)及方位角α0，缓和曲线长l0，终点半径R，曲线上任意点P至起点A的距离为l，如图1c所示。则P点坐标(x，y)及切线方位角α计算见式(3)

    (3)

    式中，±：右偏为+，左偏为-。

    (Δx，Δy)是以A为原点，切线方向为方向轴的独立坐标系中P点的坐标，其计算见式(4)

    (4)

    1.1.4 不完整缓和曲线

    图1 平曲线计算示意图

    (5)

    其中，Δx、Δy、Δl、x′0、y′0、α′0的计算公式见式(6)

    (6)

    式中，±：右偏为+，左偏为-；
    ∓，右偏为-，左偏为+。

    1.2 纵断面曲线及计算公式

    纵断面设计确定路线中心的竖向高程与纵向坡度，由直线和竖曲线所组成，如图2所示，起点A(K1，h1)、终点B(K2，h2)，变坡点Z(KZ，hZ)，中间竖曲线半径为R，前坡度为i1，后坡度为i2。

    图2 竖曲线计算示意图

    曲线上任意一点P，里程Kp，则P点高程h计算见式(7)

    (7)

    式中，±：凸曲线为+，凹曲线为-。

    i1、i2、T的计算见式(8)

    (8)

    桥梁受复杂的横向、纵向复杂曲线影响，建模难度大。为简化桥梁BIM建模工作，本文根据曲面复杂程度分为标准构件与曲面构件。本文提出的嵌入曲线设计的Dynamo曲线桥梁建模方法包含三个步骤：首先，创建桥梁各构件族标准模型；
    其次，在Dynamo程序中嵌入路线曲线解析算法，计算曲线，并依据输出曲线数据创建曲线构件组模型；
    最后，曲线计算快速计算标准构件族与曲面构件族的放置数据，通过Dynamo实现模型快速、批量、精确放置，完成曲线桥梁BIM模型的自动创建。本文方法适用于高速公路、一级公路主线或互通的标准化桥梁建模。

    2.1 标准构件模型创建与放置

    标准构件是指直线构造或仅单向曲线构造，桥梁中心曲线不影响其形状，包括桩基、承台、墩柱、台帽、盖梁、预制梁等。其中，结构简单的构件可通过Revit常规建模方法创建实现；
    结构较为复杂的构件，如斜交预制梁，可通过设置自适应点灵活驱动模型形状实现几何建模。在模型创建过程中，为提高模型灵活性，减少模型创建工作量，应进行充分设置参数化驱动，添加尺寸、材质、放置点等参数。

    标准构件创建后，需放置在桥梁总体模型中，手动放置工作量大、成本高，本文采用Dynamo实现批量放置，其过程为可依据设计图样与嵌入曲线计算式的Dynamo曲线计算程序批量计算放置信息，并通过Dynamo放置节点进行批量放置，详细过程参加曲面构件模型创建与放置部分。

    2.2 曲面构件模型创建

    曲面构件特点为双向曲线构造，桥梁中心曲线直接影响其形状位置，包括连续梁、曲线桥梁铺装等。如通过放样的方式创建模型，由于Revit无法精确绘制缓和曲线与双曲线，放样路径精度较低，难以绘制精准模型。Dynamo参数化节点具有极强的参数化模型创建功能，但直接通过Dynamo创建模型为体量模型，具备几何信息，但属性信息程度较低，无法支撑深入的BIM应用。首先，对曲面构件按路形曲线划分，以离散密集的点模拟复杂曲线，相邻两点横截面间模型为构件段，划分足够越密，则该构件段近似为标准构件；
    其次，通过Dynamo实现曲线计算，输出各构件段的放置位置与高程等数据；
    最后，通过Dynamo进行批量的放置。

    2.2.1 构件段模型创建

    构件段模型通过绘制前后截面轮廓，通过放样融合创建而成.为提高构件段的精度，避免相邻构件段模型冲突，可考虑基于“公制结构框架-梁”或“基于线公制常规模型”族样板进行族模型创建。模型应设置截面轮廓相应参数，提高族的通用性，减少族创建工作量。族模型放置时应根据对应位置设置梁端角度，确保相邻构件段模型吻合。

    2.2.2 Dynamo曲线计算程序设计

    在曲线上放置构件段十分困难，而基于Dynamo计算可实现自动创建。Dynamo是与Revit配合使用的可视化编程工具。Dynamo提供了丰富的Revit API与运算节点工具，可实现公式编辑和计算，读取和写入Excel文件。基于Dynamo节点进行曲线计算设计框架如图3所示。

    图3 Dynamo编程设计框架

    (1)Dynamo数据输入。数据输入包括曲线要素输入与计算数据输入。桥梁项目曲线要素输入是一次性的，可根据设计图样获取曲线要素，按照一定标准格式输入至Excel表格。计算数据输入的目的是输出构件段的放置数据，需输入计算数据有里程与偏距等数据，根据图样及截面划分获取，同样按照一定标准格式输入至Excel表格，通过Dynamo中的Data.ImportExcel节点读取表格数据，如图4所示。

    图4 Dynamo读取Excel节点

    (2)Dynamo曲线计算。依据输入曲线要素数据与计算数据中的里程，可确定计算点所属的曲线段。通过该段要素数据特征判断曲线类型，选择对应的曲线计算式，计算式可通过Dynamo中Formula节点输入公式，计算出计算点的坐标、高程与方位角等信息。Dynamo曲线计算节点如图5所示。

    图5 Dynamo曲线计算节点

    (3)Dynamo数据输出。输出数据为构件段的放置数据，放置数据包括起点与终点的坐标、高程与方位角等，可通过上述曲线计算节点输出，并通过Data.ExportExcel节点，按照设置的行、列写入的表格文件，将输出数据加以保存以便放置时调用。

    2.2.3 Dynamo构件放置程序设计

    通过Dynamo可视化编程工具中的节点Excel.ReadFromFile获取表格内的数据，选择List库中的节点对数据进行批量处理，获取构件段放置信息。数据结构形式为二维数组，可选择List库中的节点进行数据的筛选与提取。通过Revit库中Family Types获取需要放置的梁段族，通过FamilyInstance.ByPoint与FamilyInstance. SetRotation自动按照坐标与角度进行放置，从而实现曲线模型的快速准确建模。如变截面构件，可对构件段截面设置尺寸参数，通过Element. SetParameterByName节点按名称查找对应参数，并批量输入截面尺寸数据，实现变截面模型创建。Dynamo模型放置示意图如图6所示。

    图6 Dynamo模型放置示意图

    图6 Dynamo模型放置示意图(续)

    3.1 项目概况

    某市政高架桥第41～46联，孔号127～146，里程BK5+602.5～BK6+380.5，全长778m。上部构造跨径最大80m、最小30m，其中跨径小于45m时采用等高预应力混凝土箱梁，跨径大于45m时采用变高预应力混凝土箱梁。下部构造采用花瓶双柱桥墩、墙式桥墩+承台+桩基的形式。平面位于半径为R=1000的曲线与缓和曲线上，纵断面位于两段段竖曲线上。

    图7 案例桥梁图样

    3.2 桥梁BIM创建构件模型

    桥梁构件模型包括桩基、承台、墩柱、支座垫石、梁段模型等。通过简单的模型创建命令即可完成上述模型的创建，线模型应添加放置自适应点。将上述模型组成嵌套族可提高效率，但需设置好族参数与参照，确保模型使用正确。BIM构件模型如图8所示。

    图8 BIM构件模型

    3.3 曲线要素输入

    依据图样整理平曲线要素信息，见表1。

    表1 平曲线要素输入表

    起点里程5 503.5，高程228.536，终点里程6 380.5，高程227.384。通过Dynamo节点输入，竖曲线信息输入见表2。

    表2 竖曲线要素输入表

    3.4 曲线梁模型创建

    因道路曲线影响，梁、铺装与护墙都是曲面异性的结构，通过嵌入路线曲线解析算法公式的Dynamo程序快速计算，并批量放置模型，下部构造模型创建，依据里程快速计算桩基承台墩柱等。

    3.5 构件批量放置

    根据构件类型，批量计算构件放置的坐标、高程等，输入至Dynamo放置节点中，选择对应的构件类型，批量快速生成BIM模型。BU41联-变高混凝土箱梁模型如图9所示，全桥BIM模型图如图10所示。

    图9 BU41联-变高混凝土箱梁模型

    图10 全桥BIM模型图

    本文基于Revit+Dynamo平台，通过嵌入路线曲线解析算法，实现了公路曲面桥梁BIM模型的自动、准确生成，极大地提高了建模效率。

    (1)本文内嵌的基于线元法的路线曲线算法适用于任意曲线计算，并基于Dynamo实现了路线算法；
    引入曲线桥梁建模方法，使得此方法适用于普通公路、匝道等不同类型的桥梁建模，适用性更加广泛、全面。

    (2)利用Dynamo可视化编程工具实现桥梁建模，灵活运用路线设计数据，有效解决了曲线模型的问题，并极大地提高了建模效率。

    本文针对曲线桥梁提出BIM建模方法是在该领域的进一步探索，在实践应用中仍需深入研究，如可进行二次开发进一步提高桥梁建模的稳定性和效率、继续完善桥梁建模标准等。

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