傅 霆，喬 科，汪 軍

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

近年來(lái)，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(gè)專(zhuān)業(yè)，并結(jié)合可視化、VR、編碼技術(shù)和施工管理、運(yùn)用維護(hù)業(yè)務(wù)平臺(tái)，呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的勢(shì)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(kāi)的，BIM 模型必須滿(mǎn)足一定的精度要求，BIM 技術(shù)的應(yīng)用才能開(kāi)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(xì)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(duì)建筑工程，針對(duì)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(lái)比較困難[6]、模型精度達(dá)不到工程設(shè)計(jì)要求。橋梁BIM的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)BIM模型的三維正向設(shè)計(jì)，當(dāng)前有一些應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行橋梁隧道正向設(shè)計(jì)的嘗試[7-8]，但如果模型精度達(dá)不到工程設(shè)計(jì)要求，三維模型就不能呈現(xiàn)真實(shí)設(shè)計(jì)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(dòng)與參數(shù)化設(shè)計(jì)

參數(shù)化建模是一個(gè)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(kù)后，通過(guò)調(diào)整構(gòu)件參數(shù)，建模人員便可像“搭積木”一樣進(jìn)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(kāi)發(fā)手段，利用數(shù)據(jù)文檔來(lái)實(shí)現(xiàn)參數(shù)數(shù)據(jù)輸入，減少了手動(dòng)建模的工作量，實(shí)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(kāi)發(fā)手段來(lái)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(gè)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(diǎn)[11]。以預(yù)制T梁為例，道路設(shè)計(jì)線一般為曲線，道路的橫坡也在變化，真實(shí)T梁的長(zhǎng)度和端頭形狀都在不斷變化，面對(duì)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(jì)也是難以完成的任務(wù)。因此，參數(shù)化設(shè)計(jì)難以實(shí)現(xiàn)高精度橋梁構(gòu)件建模，除非參數(shù)的計(jì)算和輸入也是自動(dòng)完成。為此，提出設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的概念來(lái)實(shí)現(xiàn)真實(shí)建模，其構(gòu)想為：所有設(shè)計(jì)約束和設(shè)計(jì)邏輯都由軟件完成實(shí)現(xiàn)，當(dāng)輸入設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)后，直接得到橋梁模型，形成“設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)-程序控制-自動(dòng)構(gòu)建模型”的軟件開(kāi)發(fā)思路。與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)[12]相比，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的概念更強(qiáng)調(diào)要從設(shè)計(jì)出發(fā)，目標(biāo)是面向設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的正向設(shè)計(jì)。

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

1) 如果要達(dá)到滿(mǎn)足工程實(shí)際需要的精度要求，人工的方法實(shí)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(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)提供了必要的工具。

3) 程序?qū)崿F(xiàn)工程設(shè)計(jì)約束要素，完成設(shè)計(jì)邏輯，模型由軟件自動(dòng)完成，必定會(huì)提高設(shè)計(jì)效率，消除人為誤差，是設(shè)計(jì)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(diǎn)是制造簡(jiǎn)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(tái)[14]，用“設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)-程序控制-自動(dòng)構(gòu)建模型”的構(gòu)思進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)高效地創(chuàng)建高精度的T梁模型。以下主要介紹二次開(kāi)發(fā)的主要界面、原理和程序模塊。

2 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)實(shí)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(tái)，采用Visual Studio 2015和.NET框架，應(yīng)用托管C++語(yǔ)言[15]進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，軟件采用窗體界面進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，使用方便。程序設(shè)計(jì)考慮了T型橋梁的各種約束，包括橫坡、橋梁設(shè)計(jì)線、橋梁中心線與設(shè)計(jì)中心線的偏距，設(shè)計(jì)高程參照點(diǎn)與設(shè)計(jì)中心線高程點(diǎn)的偏差，橋梁各部分立面布置等因素，實(shí)現(xiàn)了T型橋梁主要構(gòu)件的三維模型，包括路基路面、護(hù)欄、T梁、濕接板、蓋梁、墊石和圓柱墩。

按照橋梁實(shí)際形狀自動(dòng)構(gòu)建BIM模型，是程序設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)。模型的構(gòu)建受T梁設(shè)計(jì)參數(shù)的控制，也受項(xiàng)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(lái)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(jì)需求，由項(xiàng)目環(huán)境因素控制，保障模型精確定位；按照設(shè)計(jì)要求，軟件自動(dòng)對(duì)模型精確定位并切割修整，實(shí)現(xiàn)高精度T梁模型。

T梁參數(shù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)都可存儲(chǔ)，以便下次應(yīng)用。程序是通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的描述來(lái)存儲(chǔ)或調(diào)用專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，相對(duì)于利用文件名稱(chēng)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(jì)，操作方便。

2.1.1 橋梁項(xiàng)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(jì)線、橋梁與設(shè)計(jì)線的相對(duì)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(tái)、立柱等構(gòu)件在設(shè)計(jì)線上的位置和立面布置信息。

圖1 橋梁項(xiàng)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(chǔ)

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)?！癟梁參數(shù)描述”列表中顯示已有的設(shè)計(jì)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(jì)樣式的存儲(chǔ)和刪除操作，實(shí)現(xiàn)T梁設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的編輯和管理功能。

T梁縱坡列表中有3類(lèi)參數(shù)： T梁縱坡、支座位置蓋梁縱坡、T梁端頭伸縮縫類(lèi)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(gè)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?；驹砣鐖D3(a)所示，以0點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，按照T梁的輸入?yún)?shù)和橫坡值依次計(jì)算14個(gè)節(jié)點(diǎn)位置，按照倒角要求修改點(diǎn)4、點(diǎn)7、點(diǎn)8、點(diǎn)11，并插入倒角點(diǎn)，然后將這些節(jié)點(diǎn)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(jì)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(jì)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(jì)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(zhǎng)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(shí)都做一定的延長(zhǎng)，邊梁的翼緣板也做一定的加寬，以便后期切割加工得到滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的T梁。

2.2.2 T梁放置模塊

為保證設(shè)計(jì)精度，布設(shè)梁時(shí)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求布置，梁長(zhǎng)變化采用調(diào)整橫隔板至梁端的長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)，保證梁端至支座中心線的距離不變。根據(jù)這個(gè)條件，T梁放置的位置和方向按如下過(guò)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(gè)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(gè)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(jì)規(guī)定執(zhí)行，保證加工出來(lái)的T梁尺寸符合設(shè)計(jì)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(jì)基點(diǎn)位置按照伸縮縫類(lèi)型進(jìn)行切割，切割的方向和角度由設(shè)計(jì)基點(diǎn)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(jìn)行切割，以滿(mǎn)足曲線橋?qū)吘壍囊蟆?/p>

2.3 其他

整套軟件可自動(dòng)加工T型橋梁的所有主要構(gòu)件，包括蓋梁、橋臺(tái)、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(xì)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(cè)試

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)包括項(xiàng)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(jì)的橫斷面、縱斷面合成，然后放到項(xiàng)目環(huán)境中，完全按照設(shè)計(jì)參數(shù)、路線變化和橫坡要求，由程序進(jìn)行切割修正，其精度必定是符合設(shè)計(jì)要求的。因此，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)在于模型完全由項(xiàng)目數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)構(gòu)建，消除人為誤差，模型精確且自動(dòng)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(gè)基點(diǎn)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(dòng)，顯示軟件實(shí)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(dá)到設(shè)計(jì)要求；圖5(d)和圖5(e)展示曲線橋布置是T梁端頭長(zhǎng)和梁長(zhǎng)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(jì)要求；圖5(g)顯示連續(xù)曲線橋的T梁布置展示。

模型測(cè)試顯示，T梁模型的制作過(guò)程高度智能，適應(yīng)數(shù)據(jù)的能力強(qiáng)，模型準(zhǔn)確，細(xì)節(jié)部分與設(shè)計(jì)吻合，實(shí)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(jì)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)-程序控制-自動(dòng)構(gòu)建模型”構(gòu)思的Bentley平臺(tái)二次開(kāi)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(shí)現(xiàn)了高精度T梁的自動(dòng)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(yàn)。

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