■ 劉彥明

基于Bentley平臺的鐵路橋梁構(gòu)件參數(shù)化建模研究

■ 劉彥明

Bentley作為BIM平臺軟件提供商之一，雖然在基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域提供了大量軟件產(chǎn)品，但仍難以滿足鐵路橋梁設(shè)計(jì)的實(shí)際需求，需要進(jìn)行二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)基于線路的橋梁參數(shù)化建模?；贐entley PowerCivil的鐵路橋梁構(gòu)件三維參數(shù)化設(shè)計(jì)，以通橋（2009）4301/4201系列圓端形實(shí)體墩自動加載PCL文件為例，創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)圖進(jìn)而建出銀西線實(shí)體橋墩參考圖，合理確定橋墩高度，完成構(gòu)建的參數(shù)化設(shè)計(jì)。Bentley平臺能夠進(jìn)行高效率、高質(zhì)量建模，實(shí)現(xiàn)橋梁三維設(shè)計(jì)軟件參數(shù)化、關(guān)聯(lián)化、標(biāo)準(zhǔn)化。

Bentley；BIM；PCL；鐵路橋梁；二次開發(fā)；構(gòu)件；參數(shù)化；關(guān)聯(lián)化；標(biāo)準(zhǔn)化

0 引言

Bentley是一個國際化的BIM軟件開發(fā)商和平臺服務(wù)商，在建筑工程、地理工程、土木工程（道路、橋梁、場地）、工廠設(shè)計(jì)及機(jī)械制造等行業(yè)提供有效的軟件解決方案，從勘察、設(shè)計(jì)到施工及運(yùn)維的各個階段為基礎(chǔ)設(shè)施全生命周期的可持續(xù)發(fā)展提供支持。目前該公司軟件已在我國的建筑、水利水電、廠房、城市軌道交通得到應(yīng)用［1-4］，在土木工程中也提供較多產(chǎn)品如PowerCivil、 BridgeMaster、ProConcrete等，但是在鐵路橋梁工程進(jìn)行探索應(yīng)用時(shí)仍不能滿足橋梁設(shè)計(jì)的實(shí)際需求［5］，需要進(jìn)行二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)基于線路的橋梁參數(shù)化建模。

1 概述

由于PowerCivil和MicroStation的實(shí)體參數(shù)化功能較弱，為方便實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)物的三維參數(shù)化，在開發(fā)過程中定義了一種描述語言——PCL（Parametric Component Language），并在MicroStation平臺上開發(fā)了相應(yīng)的語言解釋器，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)體的參數(shù)化。該方法將結(jié)構(gòu)體分為3個層次：圖元Element、構(gòu)件Component和組件Assembly，一般用Element定義二維參數(shù)化圖元，Component定義三維參數(shù)化構(gòu)件，Assembly定義三維參數(shù)化組裝體。

參數(shù)化構(gòu)件的原理：首先實(shí)現(xiàn)二維輪廓的參數(shù)化，通過拉伸、掃描二維輪廓等方法形成參數(shù)化構(gòu)件，再由構(gòu)件通過組合、并交差、排列、變換等操作形成復(fù)雜構(gòu)件或組件。由此可知，一個參數(shù)化構(gòu)件的主要參數(shù)是其輪廓幾何參數(shù)、高度參數(shù)、定位參數(shù)等，而由這些參數(shù)組成的構(gòu)件或組件為保證其相互關(guān)系，就必須注意建立其參數(shù)關(guān)系。在PCL里通過參數(shù)傳遞、共用表達(dá)式等方式來建立，建立的PCL文件在PowerCivil啟動時(shí)自動完成加載。

2 PCL中對象的標(biāo)準(zhǔn)格式

下面以定義支承墊石為例進(jìn)行說明，在PCL文件中使用“#”，“#”后面的內(nèi)容全部為注釋內(nèi)容。

［Component］ # 開始一個對象定義，可以是Element，Component，Assembly

ID=_pcPadStone # 該對象標(biāo)識，ID是關(guān)鍵字，_pcTwoPadStone是定義的該對象

# 的標(biāo)識字串，可任意定義，但不能和其他對象相同。在其他對

# 象要引用該對象時(shí)，也必須通過該ID來調(diào)用。

Name=單排支承墊石 # 該對象的名稱，可與其他對象同名

Type=PointPositioning # 該對象的生成方法，主要方法如下：# PointPositioning—定位組合

# SolidByExtrusion—拉伸體

# LoftSolid—放樣體

# Subtract—實(shí)體相減

# UniteSubtract—實(shí)體相加后相減

# ArcCone—圓弧過渡體

Unit=m # 變量單位

Variable=L（2.2）；W（2.2）；H1（0.3）；H2（0.32）；dx（5）

# 指定該對象需要的參數(shù)及初始值

Pivot=P0（0.0，0.0，0.0） # 該對象的定位點(diǎn)，可以有多個，實(shí)際是相對插入點(diǎn)的偏移值

# 可以由變量或變量表達(dá)式組成，但變量必須是Variable中定義

# 的變量。

Part1=_pcBlock（P0（P0）；L（L）；W（W）；H（-H1）；@Tx（-dx/2））

Part2=_pcBlock（P0（P0）；L（L）；W（W）；H（-H2）；@Tx（dx/2））

# 該對象的構(gòu)件組成，關(guān)鍵字必須是Element或Part作為前綴，

# “=”后面的是調(diào)用的對象名稱及其參數(shù)，參數(shù)的順序可任意，

# 但參數(shù)應(yīng)該是定位點(diǎn)如P0，P1或調(diào)用對象所需要的參數(shù)。該例

# 中L，W，H是調(diào)用對象_pcBlock所需要的參數(shù)（即_pcBlock中

# Variable定義的參數(shù)），“（）”里是傳入?yún)?shù)值，此處的參數(shù)值可

# 以是具體的數(shù)值（即代替被調(diào)用對象的變量初值），也可以是此對

# 象要傳入給被調(diào)用對象（_pcBlock）的變量參數(shù)或變量表達(dá)式，如此

# 處L（L）意思是：_pcBlock的L變量等于本對象定義的L變量，

# H（-H1）意思是：_pcBlock的H變量等于本對象的-H1。

# 以“@”開頭為系統(tǒng)變量，主要的系統(tǒng)變量如下：

# @Tx：對象生成后沿X軸移動@Tx指定的值

# @Ty：對象生成后沿Y軸移動@Ty指定的值

# @Tz：對象生成后沿Z軸移動@Tz指定的值

# @Rx：對象生成后饒X軸旋轉(zhuǎn)@Rx指定的值，單位為度

# @Ry：對象生成后饒Y軸旋轉(zhuǎn)@Ry指定的值，單位為度

# @Rz：對象生成后饒Z軸旋轉(zhuǎn)@Rz指定的值，單位為度

3 通橋（2009）4301/4201系列圓端形實(shí)體墩參數(shù)化

利用已定義的對象：_pePolygon、_pcBlock、_ pePolyline、_peHalfRoundProfile、_ peHalfRoundProfileWithGap、_peTrapezoidProfile、_ pcCylinder，等定義通橋（2009）4301/4201系列圓端形實(shí)體墩（見圖1）。

圖1 通橋（2009）4301/4201系列圓端形實(shí)體墩

#雙支承墊石

［Component］

ID=_pcTwoPadStone_yinxi

Name=雙支承墊石

Type=PointPositioning

Unit=m

Kind=1201

Variable=L（1.2）；W（2.4）；H（0.35）；dx（4.5）

Pivot=P0（0.0，0.0，0.0）；P1（0.0，0.0，-H）

Part1=_pcBlock（P0（P0）；L（L）；W（W）；H（H）；@Tx（-dx/2））

Part2=_pcBlock（P0（P0）；L（L）；W（W）；H（H）；@Tx（dx/2））

#圓端形帶檢查孔頂帽

［Component］

ID=_pcHalfRoundCone_yinxi

Name=圓端形臺體

Type=LoftSolid

Unit=m

Variable=H（0.5）； UP_L（4.8）； UP_W（3.4）；DW_ L（4.8）；DW_W（3.4）

Pivot=P0（0.0， 0.0， 0.0）； P1（0.0， 0.0， -H）

Element0= _peHalfRoundProfile（L（UP_L）；W（UP_W））

Element1= _peHalfRoundProfile（L（DW_L）；W（DW_ W））

［Component］

ID=_pcHalfRoundConeWithGap_yinxi

Name=帶泄水管圓端形臺體

Type=LoftSolid

Unit=m

Variable=H（0.5）； UP_L（4.8）； UP_W（3.4）；DW_ L（4.8）；DW_W（3.4）

Pivot=P0（0.0， 0.0， 0.0）； P1（0.0， 0.0， -H）

Element0= _peHalfRoundProfileWithGap（L（UP_ L）；W（UP_W））

Element1= _peHalfRoundProfileWithGap（L（DW_ L）；W（DW_W））

［Component］

ID=_pcArcCone_yinxi

Name=帶泄水管弧形圓端形臺體

Type=ArcCone

Unit=m

Variable=H（2.75）；UP_L（4.8）； UP_W（3.0）；DW_ L（3.7）；DW_W（2.3）；R1（4.651）；R2（10.979）；d（0.2）

Pivot=P0（0.0， 0.0， 0.0）； P1（0.0， 0.0， -H）

Element0= _peHalfRoundProfileWithGap（L（UP_ L）；W（UP_W）；d（d））

Element1= _peHalfRoundProfileWithGap（L（DW_ L）；W（DW_W）；d（d））

#檢查凹槽

［Component］

ID=_pcTrapezoidSlot_yinxi

Name=梯形槽體

Type=SolidByExtrusion

Unit=m

Variable=L（1.5）；W（3.4）；H（0.5）

Pivot=P0（0.0， 0.0， 0.0）； P1（0，0，-W）

Element= _peTrapezoidProfile（L（L）；H（H））

［Component］

ID=_pcArcTop_yinxi

Name=帶凹槽的圓端形托盤頂帽

Type=UniteSubtract

Pivot=P0（0.， 0.， 0.）；P1（0.，0.，-djw）；P2（0.，0.，djw）；P3（0.，0.，zhi_H）

Variable=zhi_L（1.2）；zhi_W（2.4）；zhi_D（4.5）；zhi_ H（0.35）；ding_D（3）；ding_B（4.8）；ding_H（0.15）；ding_ kd（0.2）；jing_D（2.3）；jing_B（3.7）；jing_H（2.75）；dun_ HR（4.651）；dun_ZR（10.979）；djw（0.05）；cao_L（1.5）；cao_H（0.5）

Part1=_pcHalfRoundCone_yinxi（P0（P1）；H（ding_ H）；UP_L（ding_B）；UP_W（ding_D）；DW_L（ding_B）；DW_ W（ding_D） #頂帽

Part2=_pcHalfRoundCone_yinxi（P0（P2）；H（djw）；UP_ L（zhi_L+zhi_D）；UP_W（0.001）；DW_L（Part1.UP_L）；DW_ W（Part1.UP_W-2*djw） #排水坡

Part3=_pcHalfRoundCone_yinxi（P0（P0）；H（djw）；UP_ L（Part2.DW_L）；UP_W（Part2.DW_W）；DW_L（Part1.UP_ L）；DW_W（Part1.UP_W） #倒角

Part4=_pcTwoPadStone_yinxi（P0（P3）；L（zhi_ L）；W（zhi_W）；H（zhi_H）；dx（zhi_D） #支承墊石

Part5=_pcArcCone_yinxi（P0（Part1.P1）；H（jing_H）；UP_ L（ding_B）；UP_W（ding_D）；DW_L（jing_B）；DW_W（jing_ D）；R1（dun_HR）；R2（dun_ZR）；d（ding_kd） #圓弧托盤

Part6=_pcTrapezoidSlot_yinxi（P0（P2）；L（cao_ L）；W（ding_D+0.5）；H（cao_H+0.5）；@Rx（90）；@Ty（-Part1. UP_W/2）；@Tz（0.5） #凹槽

#群樁基礎(chǔ)

［Component］

ID=_pcGroupPile_yinxi

Name=群樁

Unit=m

Type=MatrixDistributing

Variable=D（1.25）；L（20.0）；dx（3.3）；dy（4.0）；nx（4）；ny（2）

Pivot=P0（0.0，0.0，0.0）；P1（0.0，0.0，-L）

Element=_pcCylinder（P0（P0）；R（D/2）；H（L））

#圓端形實(shí)體橋墩-圓弧過渡

［Assembly］

ID=_paArcPier_yinxidun

Name=圓端形實(shí)體橋墩（托盤圓弧過渡）-銀西

Kind=500

Descripition=銀西客專預(yù)制梁實(shí)體墩

Type=PointPositioning

Pivot=P0（0.0， 0.0， 0.0）；P1（0.0，0.0，-ding_H-jing_ H-0.05）

Variable=dsH（20）；zhi_L（1.2）；zhi_W（2.4）；zhi_ D（4.5）；zhi_H（0.35）；ding_D（3）；ding_B（4.8）；ding_ H（0.15）；ding_kd（0.2）；jing_D（2.3）；jing_B（3.7）；jing_ H（2.75）；dun_HR（4.651）；dun_ZR（10.979）；dun_PL（45）；ctai_ L（12.0）；ctai_W（6.3）；ctai_H（2.5）；pile_D（1.25）；pile_ L（30）；pile_DX（3.125）；pile_DY（3.75）；pile_nx（4）；pile_ny（2）

#帶凹槽的圓端形托盤頂帽

Part1=_pcArcTop_yinxi（P0（P0）；zhi_L（zhi_L）；zhi_ W（zhi_W）；zhi_D（zhi_D）；zhi_H（zhi_H）；ding_D（ding_ D）；ding_B（ding_B）；ding_H（ding_H）；ding_kd（ding_kd）；jing_ D（jing_D）；jing_B（jing_B）；jing_H（jing_H）；dun_HR（dun_ HR）；dun_ZR（dun_ZR））

#墩身

Part2=_pcHalfRoundConeWithGap（P0（P1）；H（dsH）；UP_L（jing_B）；UP_W（jing_D）；DW_L（jing_D+2*dsH/dun_ PL）；DW_W（jing_B）；d（ding_kd））

#承臺

Part3=_pcBlock（P0（Part2.P1）；L（ctai_L）；W（ctai_ W）；H（ctai_H）

#樁基礎(chǔ)

Part4=_pcGroupPile_yinxi（P0（Part3.P1）；D（pile_ D）；L（pile_L）；dx（pile_DX）；dy（pile_DY）；nx（pile_nx）；ny（pile_ ny））

4 客專實(shí)體墩模型參考圖

在啟動PowerCivil時(shí)，自動加載定義的PCL文件，選擇一個三維視圖，執(zhí)行［調(diào)用參數(shù)化構(gòu)件］—將在組件頁面中顯示所定義的實(shí)體橋墩—“圓端形實(shí)體橋墩（托盤圓弧過渡）—銀西”（見圖2）。右側(cè)顯示出所定義的主控參數(shù)，在三維視圖中點(diǎn)擊頁面中［調(diào)用］按鈕，實(shí)體墩的參數(shù)化的模型將顯示在視圖中（見圖3）。

圖2 調(diào)用參數(shù)化構(gòu)件圖

選擇三維視圖中的實(shí)體橋墩模型，點(diǎn)擊右鍵—修改標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件參數(shù)頁面，修改主控參數(shù)后（見圖4），執(zhí)行頁面中［修改］按鈕，驅(qū)動實(shí)體模型的修改。

利用所定義的實(shí)體橋墩模型，可以創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)圖（見圖5），利用標(biāo)準(zhǔn)圖創(chuàng)建出銀西線實(shí)體橋墩參考圖，在基于線路創(chuàng)建橋梁模型時(shí)，直接選擇銀西線實(shí)體橋墩參考圖，則能根據(jù)線路高程與地形圖相對關(guān)系自動確定合理橋墩高度，調(diào)用參考圖完成橋墩參數(shù)實(shí)例化。

圖3 定義的實(shí)體橋墩模型

圖4 修改標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件參數(shù)

圖5 創(chuàng)建實(shí)體橋墩標(biāo)準(zhǔn)圖

5 結(jié)束語

高效率高質(zhì)量建模是BIM技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，構(gòu)件的參數(shù)化設(shè)計(jì)是二次開發(fā)中需要首要解決的問題。通過對圖元Element、構(gòu)件Component和組件Assembly等PCL格式定義可以建立構(gòu)件模型的標(biāo)準(zhǔn)庫，利用模型庫能夠快速創(chuàng)建出鐵路橋梁模型，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)鐵路橋梁構(gòu)件的參數(shù)化、關(guān)聯(lián)化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。

［1］ 蔣慧. Bentley三維軟件在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］. 工程設(shè)計(jì)與研究，2014（137）：19-23.

［2］ 高博. 三維協(xié)同設(shè)計(jì)在水利設(shè)計(jì)院中的應(yīng)用［J］. 水科學(xué)與工程技術(shù)，2013（5）：94-96.

［3］ 莊葉凱. Bentley三維工廠軟件在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.有色冶金設(shè)計(jì)與研究，2009（6）：108-109.

［4］ 劉奧. 武漢地鐵2號線常青花園車輛段BIM設(shè)計(jì)［J］. 鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2015（3）：81-84.

［5］ 劉彥明. BIM技術(shù)在鐵路設(shè)計(jì)中的推廣應(yīng)用［J］. 鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2015（3）：51-54.

劉彥明：中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，教授級高級工程師，陜西 西安，710043

責(zé)任編輯 李葳

U442.5+4；TP311

A

1672-061X（2016）03-0036-05