張勝超 郭新賀 鮑大鑫

(中鐵建工集團(tuán)有限公司建筑工程研究院，北京 100160)

引言

BIM技術(shù)正在全球范圍內(nèi)推動傳統(tǒng)建筑行業(yè)產(chǎn)生重大變革，其可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性、可出圖性等特點得到越來越多設(shè)計及施工技術(shù)人員的認(rèn)可。在房屋建筑、大型公共建筑、市政工程領(lǐng)域，BIM技術(shù)在設(shè)計、施工階段應(yīng)用案例較多，建模軟件與應(yīng)用方案也較為成熟，但在橋梁工程設(shè)計、施工中的應(yīng)用案例和文獻(xiàn)尚少。隨著BIM技術(shù)近年來在公路、鐵路、市政等建設(shè)領(lǐng)域的不斷探索與應(yīng)用，越來越多的BIM技術(shù)工作者投入到參數(shù)化建模技術(shù)的研究中來，研究成果也如雨后春筍般涌現(xiàn)。

國外對基于Dynamo的參數(shù)化建模技術(shù)的研究較早，相關(guān)技術(shù)也較為成熟。如Christian Koch等[1]提出了一種隧道信息建?？蚣埽闪怂膫€相互關(guān)聯(lián)的子域模型和鏈接的項目性能數(shù)據(jù)； Kettil E[2]把參數(shù)化設(shè)計方法應(yīng)用到橋梁的設(shè)計過程中進(jìn)行研究，提出了橋梁參數(shù)模型及其參數(shù)的獲取方法。近幾年國內(nèi)在基于Dynamo的參數(shù)化建模技術(shù)領(lǐng)域的研究也逐漸增多。陳浩翔[3]針對預(yù)應(yīng)力變截面連續(xù)梁橋的特點與參數(shù)化設(shè)計的優(yōu)勢，對預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋的參數(shù)化建模設(shè)計進(jìn)行了相關(guān)研究，提出了完整的參數(shù)化設(shè)計在初步設(shè)計階段的應(yīng)用流程； 田斌華[4]以新彎隧道工程為例，對公路隧道的BIM模型進(jìn)行了參數(shù)化建模研究，提出了一種隧道構(gòu)件參數(shù)化建模算法，實現(xiàn)了隧道構(gòu)件模型快速創(chuàng)建與自動布設(shè)； 程霄等[5]以Dynamo為切入點，對裝配式建筑領(lǐng)域的參數(shù)化建模技術(shù)進(jìn)行了研究，討論了預(yù)制構(gòu)件參數(shù)化設(shè)計的可行性與優(yōu)勢； 吳生海等[6]以運(yùn)城文化藝術(shù)活動中心為例，對非線性曲面建筑進(jìn)行了參數(shù)化建模技術(shù)研究。

國內(nèi)外目前在基于Dynamo的參數(shù)化橋梁BIM模型建模技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)有一定研究，但多集中于現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力箱梁和預(yù)制T梁的參數(shù)化建模技術(shù)，對于預(yù)制箱梁的參數(shù)化建模技術(shù)研究的相關(guān)文獻(xiàn)較少。因此探索一種能快速精確建模且能實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計的預(yù)制箱梁BIM建模方法具有重要意義。

1 Dynamo簡介及參數(shù)化建模優(yōu)勢

1.1 Dynamo簡介

Dynamo是Autodesk公司推出的一款典型的樹狀架構(gòu)的基于可視化編程軟件，其代碼的最小單位為節(jié)點(Node)，用戶在節(jié)點的左邊連線輸入(Input)數(shù)據(jù)，再從節(jié)點的右邊輸出(Output)結(jié)構(gòu)，層層節(jié)點，依次邏輯相連，最終構(gòu)成一個完整的腳本。Dynamo最大的好處是能夠讓用戶調(diào)用Revit的API，從而讓用戶能夠在Revit中實現(xiàn)快速建模、參數(shù)化設(shè)計、能批量處理模型信息等操作。Dynamo與Rhino上的插件Grasshopper類似，與Grasshopper相比其優(yōu)勢在于可以依附于Revit，通過調(diào)用Revit的數(shù)據(jù)來管理模型信息，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)靈活性更佳。另外相對于紙上利用Revit建模，Dynamo在實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計方面有著更大的優(yōu)勢。其缺點在于運(yùn)算速度較慢，節(jié)點較多的時候，每次修改數(shù)據(jù)，整個程序都需要重新運(yùn)行，比較耗費(fèi)資源。

1.2 Dynamo參數(shù)化預(yù)制箱梁模型建模技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢

Dynamo參數(shù)化預(yù)制箱梁模型建模技術(shù)具備以下三方面優(yōu)點：

1)避免了傳統(tǒng)建模方法中大量人工操作的不可控因素，真正實現(xiàn)了橋梁BIM模型的快速精準(zhǔn)建模，減少了建模的工作量，極大地提高建模工作效率；

2)通過參數(shù)化建模，智能化驅(qū)動的構(gòu)建方式，實現(xiàn)了真正意義上的數(shù)字信息模型，使模型信息更具備可控性；

3)Dynamo節(jié)點包具有一定的開放性，數(shù)據(jù)源文件和數(shù)據(jù)運(yùn)行平臺可以根據(jù)不同項目實際情況進(jìn)行更改和調(diào)整，具有較強(qiáng)的適用性和推廣性。

2 預(yù)制箱梁BIM模型參數(shù)化建模解決思路

基于Dynamo的預(yù)制箱梁BIM模型參數(shù)化構(gòu)建體系主要包括三方面內(nèi)容：構(gòu)建預(yù)制箱梁參數(shù)化族、編制基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源文件、搭建數(shù)據(jù)運(yùn)行平臺程序。

2.1 構(gòu)建預(yù)制箱梁參數(shù)化族

通過建立邏輯關(guān)系嚴(yán)謹(jǐn)?shù)念A(yù)制箱梁參數(shù)化族，不僅可以減少族庫中構(gòu)件族的數(shù)量，還可以減少模型建模的工作量，使數(shù)據(jù)與模型之間建立邏輯關(guān)系，最終達(dá)到用數(shù)據(jù)驅(qū)動模型的目的，從而提高建模工作的效率和質(zhì)量。

2.2 編制基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源文件

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源文件的編制，需要將項目設(shè)計的基礎(chǔ)圖形文件、數(shù)據(jù)文件編碼轉(zhuǎn)換為程序能夠識別的數(shù)據(jù)庫形式。該基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫涵蓋的項目設(shè)計信息應(yīng)具有完整性和全面性，如橋梁的線路數(shù)據(jù)、預(yù)制箱梁的尺寸信息、預(yù)制箱梁的變量信息等，以Excel數(shù)據(jù)表為承載形式。另外，該基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建必須遵循統(tǒng)一的規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)運(yùn)行平臺的具體情況進(jìn)行編制，并能夠被后續(xù)數(shù)據(jù)運(yùn)行平臺導(dǎo)入和識別。如：預(yù)制箱梁參數(shù)化族文件中的參數(shù)項應(yīng)與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫Excel表中內(nèi)容遵循統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)接口的兼容。

2.3 搭建數(shù)據(jù)運(yùn)行平臺程序

(1)數(shù)據(jù)運(yùn)行平臺的內(nèi)容

Dynamo數(shù)據(jù)運(yùn)行平臺主要包括三方面內(nèi)容：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源Excel表的讀?。粩?shù)據(jù)運(yùn)算和處理；可視化輸出。

(2)數(shù)據(jù)運(yùn)行平臺搭建的原則

Dynamo數(shù)據(jù)運(yùn)行平臺搭建必須要有嚴(yán)格的邏輯關(guān)系支撐，并根據(jù)項目實際的設(shè)計特點而定。具體在預(yù)制箱梁模型構(gòu)建的過程中，應(yīng)遵循“線路處理—主體拼裝—細(xì)節(jié)把控”的整體思路進(jìn)行搭建。

3 預(yù)制箱梁橋BIM模型參數(shù)化建模實例

3.1 某高速公路工程概況

某高速公路特大橋，設(shè)計雙向六車道，橋?qū)?4.5m，設(shè)計行車速度120km/h。全線橋梁總計27座，橋梁總長為10 244.382m，互通式立交橋梁總計25座、橋梁總長為7 614.74m，特大橋2座，長度2 629.642m。上部結(jié)構(gòu)形式為預(yù)制箱梁、現(xiàn)澆箱梁及鋼混疊合梁。全橋共91聯(lián)316跨，預(yù)制部分占165跨，預(yù)制箱梁共計834片，跨徑包括：30m、29.952m、29.364m、28m、30.5m。箱梁伸縮縫分別采用80型淺埋伸縮縫及160型梳齒型伸縮縫。

3.2 構(gòu)建預(yù)制箱梁參數(shù)化族

預(yù)制箱梁參數(shù)化族的構(gòu)建中，以“自適應(yīng)公制常規(guī)模型”為族樣板，主要考慮到以下五個方面：

1)箱梁的類型，包括左邊梁、中梁、右邊梁；

2)預(yù)制箱梁的橫坡；

3)伸縮縫的類型，包括80型伸縮縫、160型伸縮縫；

4)變寬段、曲線段的梁端角度；

5)細(xì)部構(gòu)造，如滴水槽、泄水孔、堵頭板、濕接縫、橫隔板等。

圖1 預(yù)制箱梁自適應(yīng)參數(shù)族

該預(yù)制箱梁參數(shù)化族由2個空間自適應(yīng)點進(jìn)行控制，其中限制條件參數(shù)2個，用來控制梁體為左邊梁、右邊梁、中梁以及梁段80型伸縮縫、160型伸縮縫的形態(tài)； 結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)39個，其中實例參數(shù)20個，這部分參數(shù)需要根據(jù)每個箱梁實例進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)整，邏輯參數(shù)19個，該部分參數(shù)根據(jù)公式受其它實例參數(shù)驅(qū)動，這39個結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)共同驅(qū)動小箱梁的結(jié)構(gòu)外形尺寸； 材質(zhì)參數(shù)3個，分別用來控制小箱梁主體、堵頭板、堵頭砼的材料性質(zhì)。

3.3 編制基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源文件Excel表

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源文件Excel表的編制是Dynamo參數(shù)化預(yù)制箱梁建模中最基礎(chǔ)的部分，同時也是最關(guān)鍵的部分。預(yù)制箱梁數(shù)據(jù)源文件Excel表的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)由Civil3D軟件根據(jù)實際線路導(dǎo)出，后由BIM工程師依據(jù)項目圖紙設(shè)計信息進(jìn)行補(bǔ)充完善。預(yù)制箱梁數(shù)據(jù)源文件Excel表分為橋梁左線和橋梁右線，每條線的數(shù)據(jù)內(nèi)容包括：序號、樁號、三維點坐標(biāo)值等參數(shù)。

圖2 對Civil 3D中導(dǎo)出點文件進(jìn)行整理

3.4 搭建預(yù)制箱梁BIM模型數(shù)據(jù)運(yùn)行平臺

數(shù)據(jù)運(yùn)行平臺的搭建是預(yù)制箱梁BIM模型參數(shù)化建模中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。Dynamo參數(shù)化的建模方法要求建模過程中的每個步驟都要有嚴(yán)格的邏輯關(guān)系支撐。預(yù)制箱梁BIM模型主體結(jié)構(gòu)部分?jǐn)?shù)據(jù)運(yùn)行平臺的搭建，主要包括以下四部分內(nèi)容：

1)讀取路線Excel數(shù)據(jù)源文件生成三維路線曲線，完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和分組；

2)讀取預(yù)制箱梁參數(shù)化族數(shù)據(jù)文件，實現(xiàn)族文件精準(zhǔn)定位與分組；

3)處理數(shù)據(jù)文件，生成橋梁整體模型；

4)填補(bǔ)橫隔板、濕接縫等現(xiàn)澆構(gòu)件，完成橋梁主體結(jié)構(gòu)拼裝。

圖3 運(yùn)用Dynamo讀取表格數(shù)據(jù)創(chuàng)建精確的平曲線、三維中心線

圖4 Dynamo預(yù)制箱梁參數(shù)化族數(shù)據(jù)驅(qū)動

圖5 運(yùn)用Dynamo讀取參數(shù)化族數(shù)據(jù)生成橋梁模型

3.5 關(guān)鍵技術(shù)方案-Revit二次開發(fā)編程

Dynamo中的節(jié)點是通過緊密的邏輯關(guān)系保持聯(lián)系的，但對于相對復(fù)雜的邏輯關(guān)系如條件、函數(shù)、循環(huán)等，直接用節(jié)點來表達(dá)比較困難且容易出現(xiàn)錯誤，因此采用Python Script節(jié)點進(jìn)行二次開發(fā)編程非常重要。Python Script節(jié)點提供了編輯Python腳本的功能，通過書寫Python代碼可以直接解決復(fù)雜的邏輯關(guān)系，做到事半功倍的效果。

在基于Dynamo的預(yù)制箱梁BIM模型的實踐中，筆者編寫并總結(jié)了一套基于Python的參數(shù)化預(yù)制箱梁自動排梁節(jié)點包，使得預(yù)制箱梁BIM模型可以通過基本設(shè)計參數(shù)的輸入和該節(jié)點包的應(yīng)用得以快速精準(zhǔn)完成。該P(yáng)ython節(jié)點包內(nèi)容包括：讀取Excel數(shù)據(jù)去編排空間坐標(biāo)，在空間坐標(biāo)系中創(chuàng)建點元素(見圖6)； 獲取表格數(shù)據(jù)，按規(guī)則生成族實例名稱，再以名稱及名稱的列表維度生成族實例，將族實例以一定規(guī)則放置在空間中(見圖7)； 通過“預(yù)埋件”思維，拾取參數(shù)化族中的“線”，進(jìn)一步創(chuàng)建空間相對位置的濕接縫、橫隔板(見圖8)。

圖6 采用Python編程將Excel數(shù)據(jù)編排為空間坐標(biāo)

圖7 采用Python編程將族實例以一定規(guī)則放置在空間中

圖8 采用Python編程對小箱梁族實例進(jìn)行參數(shù)修改并拾取小箱梁“預(yù)埋件”

4 總結(jié)

本文對基于Dynamo插件的預(yù)制箱梁BIM模型建模技術(shù)進(jìn)行了初步的探索和應(yīng)用，編寫了一套完整的基于Revit+Dynamo平臺的可調(diào)節(jié)、易操作、高精度、標(biāo)準(zhǔn)化的預(yù)制箱梁BIM模型搭建方法。該方法擴(kuò)大了Revit可用的建模范圍，為BIM模型的研究，提供了一種新的方向。Dynamo可視化編程語言的靈活性、代碼的開源性，也為BIM技術(shù)的發(fā)展提供了無限可能性。但是目前該方法只是在預(yù)制箱梁主體結(jié)構(gòu)BIM模型層面上的建模應(yīng)用，包含其他附屬構(gòu)造的橋梁建模方法仍然需要進(jìn)一步的探索和完善。