陳 旺 戴建國

(上海市政工程設(shè)計研究總院(集團(tuán))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(yīng)用下，BIM技術(shù)取得了一定的發(fā)展[1-5]。然而，現(xiàn)階段的BIM模型大多是利用設(shè)計人員繪制的二維圖紙成果進(jìn)行逆向三維建模所得。在工程的設(shè)計階段，BIM技術(shù)只是起到輔助作用，并沒有真正的融入到工程設(shè)計流程中，成為廣大設(shè)計人員的設(shè)計工具。利用BIM進(jìn)行工程的正向設(shè)計是BIM技術(shù)的發(fā)展瓶頸，也是急需突破的一個重點(diǎn)和難點(diǎn)。

因此，本文選取上海某橋梁匝道項目，以橋梁專業(yè)的設(shè)計流程為核心，依托BIM軟件平臺CATIA，對橋梁工程的BIM正向設(shè)計進(jìn)行研究。如圖1所示，該項目主要結(jié)構(gòu)為預(yù)制預(yù)應(yīng)力后張剛接空心板梁，蓋梁與立柱也采用預(yù)制裝配結(jié)構(gòu)。通過本次研究深化BIM技術(shù)在橋梁工程設(shè)計階段的應(yīng)用，推動橋梁工程三維設(shè)計的發(fā)展。

圖1 工程結(jié)構(gòu)形式

1 總體技術(shù)路線

利用BIM進(jìn)行橋梁工程正向設(shè)計的目的是借助BIM技術(shù)的優(yōu)勢進(jìn)一步提高設(shè)計的質(zhì)量和效率，其落腳點(diǎn)仍然是設(shè)計。而設(shè)計的重點(diǎn)主要包括以下兩部分內(nèi)容：一是確定工程構(gòu)件在項目中的位置； 二是確定工程構(gòu)件的型式和構(gòu)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(shè)計的內(nèi)容基本吻合。其中，骨架主要是指三維空間中創(chuàng)建的點(diǎn)、線、面、坐標(biāo)系等幾何元素。它為模板的實(shí)例化提供了關(guān)鍵的參考條件，模板隨著骨架的變化而改變，兩者之間是驅(qū)動與被驅(qū)動的關(guān)系。

圖2 總體技術(shù)路線

如圖2所示，結(jié)合設(shè)計流程與軟件的建模思路，制定本次研究的總體技術(shù)路線。技術(shù)路線可以分為道路線形創(chuàng)建、橋梁構(gòu)件定位、構(gòu)件結(jié)構(gòu)選型與參數(shù)賦值、BIM模型創(chuàng)建等四部分，其中線形創(chuàng)建和構(gòu)件定位解決的是橋梁構(gòu)件的位置問題。對上述的四部分內(nèi)容進(jìn)行研究，開發(fā)相關(guān)程序，實(shí)現(xiàn)BIM軟件平臺與設(shè)計流程的結(jié)合。

2 道路線形與定位元素創(chuàng)建

2.1 道路線形創(chuàng)建

橋梁專業(yè)設(shè)計的基礎(chǔ)是道路專業(yè)交接的道路設(shè)計成果數(shù)據(jù)。但是，直接利用CATIA現(xiàn)有的功能并不能快速、準(zhǔn)確地創(chuàng)建道路線形，尤其是復(fù)雜的道路平曲線。對此，通過對CATIA二次開發(fā)的研究以及道路線形設(shè)計數(shù)據(jù)的分析，可以利用二次開發(fā)的方式進(jìn)行專業(yè)間數(shù)據(jù)的快速、準(zhǔn)確交接。

2.1.1 軟件二次開發(fā)研究

作為一款強(qiáng)大的工程軟件，CATIA提供了兩種二次開發(fā)的方式：進(jìn)程內(nèi)應(yīng)用程序方式和進(jìn)程外應(yīng)用程序方式[9-10]。由于本次開發(fā)涉及到與外部數(shù)據(jù)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(fā)方式，即進(jìn)程外應(yīng)用程序方式。針對進(jìn)程外應(yīng)用程序的開發(fā)方式，CATIA提供了組件應(yīng)用架構(gòu)(CAA)的開發(fā)方式。這種開發(fā)方式功能強(qiáng)大，但是十分復(fù)雜，需要進(jìn)行專業(yè)的培訓(xùn)學(xué)習(xí)。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(jìn)行開發(fā)。綜上，本次以Visual Studio 2010為平臺，以C#為編程語言進(jìn)行CATIA軟件的二次開發(fā)。通過引用CATIA軟件提供的二次開發(fā)接口組件文件，編寫窗體程序，調(diào)用相關(guān)的接口函數(shù)，利用道路線形設(shè)計的數(shù)據(jù)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(fā)

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

(2)獲取數(shù)據(jù)創(chuàng)建位置：CATIA軟件利用結(jié)構(gòu)樹的形式來組織項目的數(shù)據(jù)。因此，在創(chuàng)建道路線形前也要先在樹結(jié)構(gòu)上選定具體的位置，然后運(yùn)行程序獲取樹結(jié)構(gòu)的位置。這樣，程序后續(xù)運(yùn)行產(chǎn)生的數(shù)據(jù)便會出現(xiàn)在指定位置。

(3)線形數(shù)據(jù)的讀?。旱缆穼I(yè)交接的數(shù)據(jù)文件有其專業(yè)的數(shù)據(jù)組織方式和格式，在程序開發(fā)前要充分理解這些數(shù)據(jù)的所代表的專業(yè)意義。然后，在程序中分別按照文件的格式讀取線形數(shù)據(jù)，在如圖3所示的程序界面上展示，用于下一步的線形創(chuàng)建。

圖3 道路平曲線數(shù)據(jù)讀取

(4)創(chuàng)建道路線形：讀取文件的數(shù)據(jù)之后就是要按照這些數(shù)據(jù)的幾何本質(zhì)來進(jìn)行線形的創(chuàng)建。分析線形的幾何本質(zhì)，結(jié)合CATIA的功能制定出程序的邏輯流程，調(diào)用相關(guān)的函數(shù)創(chuàng)建道路線形。

圖4 道路平曲線創(chuàng)建

2.2 定位元素創(chuàng)建

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

首先是項目的上部結(jié)構(gòu)剛接空心板梁的劃板定位。在設(shè)計過程中，通過劃板的操作來確定板梁的片數(shù)、位置、寬度等布置信息。通過對劃板流程和規(guī)則的研究分析，將其轉(zhuǎn)化為可以用程序表達(dá)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(jìn)行劃板操作，具體的程序流程如圖5所示。運(yùn)行程序，經(jīng)過循環(huán)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(shù)據(jù)。

圖5 CATIA劃板流程示意圖

對于項目的橋墩定位，根據(jù)定位規(guī)則編寫腳本程序。運(yùn)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(jié)合設(shè)計參數(shù)和規(guī)則計算在程序中計算出蓋梁、立柱、承臺等的位置數(shù)據(jù)； 最后，調(diào)用函數(shù)批量創(chuàng)建如圖7所示的定位坐標(biāo)系。

知識是由圍繞著關(guān)鍵概念的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)所組成，它包括事實(shí)、概念、概括化以及有關(guān)的價值、意向、過程知識、條件知識等，學(xué)習(xí)可以從網(wǎng)絡(luò)的任何部分進(jìn)入或開始。傳統(tǒng)的教學(xué)活動往往有嚴(yán)格的直線型層級。

圖6 CATIA劃板示意圖

圖7 橋墩定位坐標(biāo)系

3 構(gòu)件結(jié)構(gòu)選型與參數(shù)賦值

直接利用BIM軟件即可以進(jìn)行橋梁工程構(gòu)件的結(jié)構(gòu)選型與參數(shù)賦值。但是需要設(shè)計人員學(xué)習(xí)掌握BIM軟件，而且操作的過程比較繁瑣，容易出錯，進(jìn)而導(dǎo)致工作質(zhì)量和效率的下降。因此，本次研究以參數(shù)化的工程模板為基礎(chǔ)，以橋梁工程設(shè)計流程為核心進(jìn)行構(gòu)件結(jié)構(gòu)選型與參數(shù)賦值程序的開發(fā)。程序是設(shè)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(shè)計流程進(jìn)行操作。不但可以免去設(shè)計人員學(xué)習(xí)BIM軟件的復(fù)雜過程，又可以利用程序流程對操作的規(guī)范性進(jìn)行約束，提高工作的效率和質(zhì)量。如圖8所示，構(gòu)件選型與參數(shù)賦值程序根據(jù)功能需要開發(fā)了四項功能。

圖8 程序功能開發(fā)

3.1 工程模板維護(hù)

模板庫需要根據(jù)工程需求進(jìn)行更新和維護(hù)。因此，開發(fā)工程模板維護(hù)功能，由模板庫維護(hù)人員使用，進(jìn)行工程模板的增加、修改、刪除等操作。

圖9 模板維護(hù)程序主界面

如圖9所示為程序主界面，可以分為四塊區(qū)域：

(1)模板庫組織結(jié)構(gòu)：依據(jù)橋梁工程專業(yè)的分類，將模板以結(jié)構(gòu)樹的方式進(jìn)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(gòu)件的種類和個數(shù)信息，并不包含具體的構(gòu)件型式和參數(shù)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(gòu)件的個數(shù)信息，至于橋墩具體的型式和構(gòu)造參數(shù)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(dá)。

(2)模板參數(shù)信息：在模板庫樹結(jié)構(gòu)上選擇一種模板，便會在界面區(qū)域2的列表中展示該模板的參數(shù)信息，主要包括參數(shù)名稱、參數(shù)類型(長度、角度、字符串等)、默認(rèn)參數(shù)值等。

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

(4)模板操作：該區(qū)域主要是模板的增加、編輯、刪除、導(dǎo)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(shù)信息。

圖10 模板庫組織結(jié)構(gòu)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(shè)計人員使用，程序界面如圖12所示，可以進(jìn)行項目的增加、編輯、刪除等。同時，此界面也是設(shè)計人員進(jìn)行項目構(gòu)件選型和參數(shù)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(jìn)入結(jié)構(gòu)選型與參數(shù)賦值程序進(jìn)行操作。

圖12 項目管理界面

3.3 結(jié)構(gòu)選型與參數(shù)賦值功能

通過對橋梁工程結(jié)構(gòu)設(shè)計流程的分析研究，使用整體框架和組件的邏輯流程進(jìn)行程序的開發(fā)。按照該程序的操作流程，設(shè)計人員可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)的構(gòu)件選型和參數(shù)賦值。以橋墩結(jié)構(gòu)為例，使用該程序時，將橋墩結(jié)構(gòu)看作整體框架，蓋梁、立柱、承臺、樁基等結(jié)構(gòu)構(gòu)件看作是構(gòu)成整體框架的各個組件。如圖13所示，為該部分程序的運(yùn)行流程圖。設(shè)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(jié)構(gòu)中包含的蓋梁、立柱等各類工程組件的個數(shù)。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(jù)模板的參數(shù)信息賦予合適的參數(shù)。操作完成后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到CATIA中作為建模的模板類型參數(shù)表。

圖13 程序運(yùn)行流程圖

如圖14所示，為下部結(jié)構(gòu)選型與參數(shù)賦值程序界面。進(jìn)入該界面后程序會首先加載模板庫中橋墩結(jié)構(gòu)的工程模板，以便設(shè)計人員進(jìn)行項目構(gòu)件模板的選擇。

圖14 結(jié)構(gòu)選型與參數(shù)賦值程序界面

(1)橋墩框架數(shù)據(jù)：如圖15所示，為程序界面中的橋墩框架數(shù)據(jù)部分。初始的橋墩框架數(shù)據(jù)包括墩號、樁號、跨徑等基本信息。設(shè)計人員可以通過批量導(dǎo)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(shù)據(jù)

(2)橋墩組件數(shù)據(jù)：如圖16所示，為程序界面中的橋墩組件數(shù)據(jù)部分。初始的橋墩組件數(shù)據(jù)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(lián)動狀態(tài)，不能人為進(jìn)行修改調(diào)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(shù)自動創(chuàng)建組件的基本數(shù)據(jù)。后續(xù)如果框架數(shù)據(jù)發(fā)生了變更修改，組件數(shù)據(jù)也會進(jìn)行相應(yīng)的聯(lián)動更新。對于列表中的蓋梁、立柱等組件數(shù)據(jù)，根據(jù)項目實(shí)際需要選擇組件模板，然后進(jìn)行參數(shù)賦值。

圖16 橋墩組件數(shù)據(jù)

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

4 工程BIM模型創(chuàng)建

BIM模型創(chuàng)建是一個調(diào)用模板構(gòu)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(gòu)件的位置、類型和構(gòu)造，工作的成果數(shù)據(jù)也將作為模型創(chuàng)建的輸入數(shù)據(jù)。構(gòu)件模板是基礎(chǔ)，定位元素骨架和模板類型參數(shù)表為驅(qū)動，在CATIA中編寫程序腳本將三者結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)批量、快速的模型創(chuàng)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(jié)

本次研究針對實(shí)際的工程項目，依托BIM軟件平臺CATIA，圍繞項目設(shè)計過程中的線形創(chuàng)建、構(gòu)件定位、結(jié)構(gòu)選型與參數(shù)賦值等進(jìn)行分析研究。開發(fā)相關(guān)程序，解決了研究過程中的一些難點(diǎn)、重點(diǎn)問題，提高工作的質(zhì)量和效率，實(shí)現(xiàn)了BIM軟件平臺與設(shè)計流程的結(jié)合。本次研究深化了BIM技術(shù)在橋梁工程設(shè)計階段的應(yīng)用，形成了橋梁工程BIM正向設(shè)計的方法體系，有利于推動橋梁工程三維設(shè)計的發(fā)展。