湯宏偉，譚弘燦，曾凡云

（中國電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長沙 410014）

0 前 言

BIM是建筑信息模型（BuildingInformationModeling）的簡稱，是基于三維模型實(shí)現(xiàn)建設(shè)項(xiàng)目物理特性、功能特性和管理要素的描述［1］，于1999年被Tolman教授正式提出［2］。BIM技術(shù)在我國推廣應(yīng)用時(shí)間較晚，住建部先后頒布《2011—2015年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》《關(guān)于推進(jìn)建筑信息模型應(yīng)用的指導(dǎo)意見》和《2016—2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》，希望借新時(shí)期數(shù)字化浪潮全面提高建筑業(yè)信息化以及BIM 技術(shù)的應(yīng)用水平［3］。近年來，隨著BIM技術(shù)和理念的不斷發(fā)展，大量的基礎(chǔ)設(shè)施類工程都會(huì)配備項(xiàng)目BIM施工運(yùn)維的管控平臺(tái)，用于輔助運(yùn)維管理決策、提升運(yùn)維管理水平，如中開高速數(shù)字化管控平臺(tái)［4］等。這些平臺(tái)的運(yùn)行有效提高了項(xiàng)目精細(xì)化管控水平，降低了工程施工期的成本。提升工程質(zhì)量是項(xiàng)目參與方對(duì)項(xiàng)目全生命期進(jìn)行有效管理的重要工具。

但與此同時(shí)，BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用發(fā)展速度卻一直較為緩慢，這是因?yàn)槿舨豢紤]工程數(shù)據(jù)資產(chǎn)的全生命周期協(xié)同應(yīng)用，而僅從單個(gè)設(shè)計(jì)階段而言，傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)方法已經(jīng)深入人心。對(duì)于設(shè)計(jì)院而言，BIM技術(shù)如果達(dá)不到客戶的滿意程度而強(qiáng)行推廣，不僅影響設(shè)計(jì)進(jìn)度和效率，還會(huì)影響設(shè)計(jì)院的經(jīng)濟(jì)效益［5］。故設(shè)計(jì)人員常通過采用手動(dòng)建模的方式將最終二維設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)換為三維幾何模型（俗稱：翻模），并掛接上對(duì)應(yīng)的材料及其他屬性后導(dǎo)入數(shù)字化運(yùn)維管理平臺(tái)。此過程工作量較大，且當(dāng)設(shè)計(jì)方案頻繁變更時(shí)，其重復(fù)勞動(dòng)的性質(zhì)嚴(yán)重影響了生產(chǎn)人員的積極性。

本文提出了一種基于三維視角下常規(guī)橋梁構(gòu)件設(shè)計(jì)交互與出圖的方式，并利用Bentley平臺(tái)［6］下的軟件OpenRoadsDesigner進(jìn)行了功能二次開發(fā)，輔助用戶在三維視角完成參數(shù)化構(gòu)件的尺寸設(shè)計(jì)并自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)圖紙，在設(shè)計(jì)階段充分發(fā)揮BIM模型清晰直觀的優(yōu)勢(shì)，優(yōu)化了設(shè)計(jì)交互體驗(yàn)，避免了反復(fù)翻模的過程。本方法在S215屏山縣屏山鎮(zhèn)至?xí)鴺擎?zhèn)段新建工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目中的實(shí)踐，驗(yàn)證了其適用性。

1 橋梁設(shè)計(jì)與表達(dá)方式分析

1.1 現(xiàn)有橋梁設(shè)計(jì)方式的缺陷

傳統(tǒng)橋梁二維設(shè)計(jì)主要是基于平立剖圖紙的繪制過程，圖紙是設(shè)計(jì)方案的唯一載體。以橋梁構(gòu)件中常見的樁柱式橋墩平面圖為例（見圖1）：墩柱、樁基以及系梁由于位于蓋梁下方，故其外輪廓線需要使用虛線進(jìn)行表達(dá)，導(dǎo)致圖中線條數(shù)目眾多，且線型為實(shí)線與虛線組合，而高度相關(guān)信息位于立面圖或剖面圖中，進(jìn)一步增大了圖紙的復(fù)雜程度。由此理解圖紙內(nèi)容需具備一定的空間想象能力，不利于施工人員快速理解圖紙所描述的方案。

圖1 樁柱式橋墩平面（單位：mm）

近年來，市場(chǎng)上出現(xiàn)了一些橋梁專業(yè)的三維設(shè)計(jì)軟件，能清晰直觀地顯示設(shè)計(jì)過程中的三維模型，但其設(shè)計(jì)交互常常采用圖2中變量填表的方式［7］。設(shè)計(jì)人員往往難以直觀準(zhǔn)確地判別某變量具體對(duì)應(yīng)于模型中哪一個(gè)物理量，當(dāng)設(shè)計(jì)復(fù)雜的橋梁構(gòu)件時(shí)，變量數(shù)目眾多，此時(shí)設(shè)計(jì)交互的友好度較低。

圖2 三維設(shè)計(jì)軟件常見交互方式

完成對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)過程后，現(xiàn)有軟件常選擇生成傳統(tǒng)二維圖紙作為交付成果，在方案的表達(dá)方面未能充分利用已生成的三維模型且開發(fā)工作量較大，其出圖效果也難以與積累多年的傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)軟件生成的圖紙相媲美，常需要設(shè)計(jì)人員人工干預(yù)調(diào)整。

1.2 標(biāo)注功能缺陷

無論二維設(shè)計(jì)或三維設(shè)計(jì)，尺寸標(biāo)注都是表達(dá)方案的重要手段。以Bentley平臺(tái)（簡稱：B平臺(tái)）的標(biāo)注元素為例進(jìn)行說明，其原生二維標(biāo)注在用于三維視角的成果表達(dá)時(shí)仍存在一些配置項(xiàng)的缺陷。圖3為墩帽尺寸的兩個(gè)標(biāo)注，3000標(biāo)注項(xiàng)位于平面XOY中，而2000標(biāo)注項(xiàng)位于平面XOZ中。在傳統(tǒng)的二維表達(dá)方法中，所有元素均位于XOY平面中，故無需對(duì)標(biāo)注所在平面進(jìn)行定義。但三維視角下，不同的標(biāo)注項(xiàng)需根據(jù)視角選擇特定的平面，以保證標(biāo)注不被模型遮擋且能清晰表達(dá)［8］，但原生標(biāo)注功能并無法對(duì)其標(biāo)注平面的法向進(jìn)行配置，必須手動(dòng)指定，此缺陷亦存在于角度標(biāo)注與注釋標(biāo)注中。由于橋梁構(gòu)件中標(biāo)準(zhǔn)化程度較高，故根據(jù)需要固化各標(biāo)注所在的平面，抽取配置變量，利用二次開發(fā)的工具從而推進(jìn)整體標(biāo)準(zhǔn)化工作的集成。

圖3 三維視角下的二維標(biāo)注

圖4為利用B平臺(tái)下的原生標(biāo)注工具繪制出的標(biāo)注，假設(shè)實(shí)際標(biāo)注的點(diǎn)位為A、B兩點(diǎn)，尺寸引出線起點(diǎn)為C、D兩點(diǎn)，標(biāo)注箭頭與引出線交點(diǎn)為E、F兩點(diǎn)，利用工作空間可以對(duì)AC與BD的長度（對(duì)應(yīng)圖4中標(biāo)注偏移）、箭頭大小、文字樣式等進(jìn)行配置。對(duì)于AE、BF的長度（對(duì)應(yīng)圖4中標(biāo)注高度），此值直接影響最終標(biāo)注的整齊與美觀，一般設(shè)計(jì)院對(duì)于該值都有明確的規(guī)定，但在B平臺(tái)卻無法利用現(xiàn)有配置變量的功能完成定制，而只能在繪制標(biāo)注的過程中完成指定，不利于各設(shè)計(jì)單位個(gè)性化的定制。

圖4 B平臺(tái)下原生標(biāo)注功能

2 橋梁構(gòu)件設(shè)計(jì)交互與出圖方式的優(yōu)化

2.1 臨時(shí)元素

臨時(shí)元素為利用B平臺(tái)底層的IViewTransient接口生成的元素，其最大的特點(diǎn)在于與模型無關(guān)而與視圖相關(guān)。使用臨時(shí)元素可以在視圖層面進(jìn)行內(nèi)容的繪制但不影響實(shí)際三維模型結(jié)果，也無需擔(dān)心用戶誤操作導(dǎo)致其手動(dòng)被刪除，但可通過掛接一系列的觸發(fā)事件完成重繪，最終實(shí)現(xiàn)“標(biāo)注單元浮于模型之上，卻又能支持自定義交互”的效果，且該元素在視圖的切換、旋轉(zhuǎn)、更新時(shí)可自動(dòng)刷新，保證了視覺效果的美觀與智能。

2.2 外接本地?cái)?shù)據(jù)庫

由于1.2節(jié)提到的原生標(biāo)注功能與配置項(xiàng)的缺陷，利用SQLite對(duì)標(biāo)注高度（DimensionHeight）以及最終的文字旋轉(zhuǎn)方向（TextRotateDirEnum）進(jìn)行了外接本地?cái)?shù)據(jù)庫的配置。其中文字旋轉(zhuǎn)方向以其旋轉(zhuǎn)后所在平面的法向及對(duì)應(yīng)的枚舉值表示，可按順橋向、橫橋向以及豎直方向等為基準(zhǔn)進(jìn)行定義。

對(duì)于不同設(shè)計(jì)單位，只需由本單位的管理員對(duì)配置文件做相應(yīng)的定制化操作，即可滿足本單位的制圖標(biāo)準(zhǔn)，如圖5所示；結(jié)合B平臺(tái)中原生的工作空間Dgnlib相關(guān)功能可形成一套完整的配置文件。通過二次開發(fā)可在程序運(yùn)行過程中實(shí)現(xiàn)對(duì)外接數(shù)據(jù)庫配置數(shù)據(jù)的讀取。

圖5 外接配置數(shù)據(jù)庫

2.3 設(shè)計(jì)交互與出圖流程

為了避免設(shè)計(jì)人員交互過程中變量填表式的用戶體驗(yàn)，基于B平臺(tái)提供的二次開發(fā)接口，繪制了一系列臨時(shí)標(biāo)注元素，包括尺寸標(biāo)注、角度標(biāo)注以及標(biāo)高標(biāo)注等。由于這些標(biāo)注僅為用戶交互調(diào)整的中間產(chǎn)物，故對(duì)圖形做了簡化處理，如不包含尺寸標(biāo)注箭頭、標(biāo)注高度采取默認(rèn)值，但這并不影響設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)過程。

開發(fā)程序中內(nèi)置了大量的參數(shù)化構(gòu)件。以樁柱式橋墩為例，設(shè)計(jì)人員可以在三維視角上清晰地看到每一個(gè)標(biāo)注具體的數(shù)值及其代表的物理含義，如圖6（a）所示，圖中標(biāo)注了蓋梁所對(duì)應(yīng)的長、寬、高數(shù)值。陰影區(qū)域的標(biāo)注具備交互即時(shí)調(diào)整的功能，即掛接了點(diǎn)擊修改的觸發(fā)事件，如圖6（b）所示蓋梁蓋度。當(dāng)用戶希望調(diào)整該值時(shí)，直接單擊對(duì)應(yīng)的標(biāo)注文字，程序自動(dòng)彈出交互式對(duì)話框，用戶將變更數(shù)值填入對(duì)話框后，模型與標(biāo)注隨即完成對(duì)應(yīng)刷新，如圖6（c）所示，十分清晰便捷。

圖6 參數(shù)化構(gòu)件交互調(diào)整（單位：mm）

當(dāng)用戶選擇最終出圖時(shí)，利用內(nèi)存中存儲(chǔ)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與原生Dgnlib文件，同時(shí)讀取SQLite外接數(shù)據(jù)庫中標(biāo)注的高度，完成原生標(biāo)注的繪制，并利用配置的文字旋轉(zhuǎn)方向（TextRotateDirEnum）構(gòu)造標(biāo)注文字的旋轉(zhuǎn)矩陣，調(diào)整文字朝向，最終達(dá)到良好的視覺效果。整體設(shè)計(jì)交互與出圖流程如圖7所示。

圖7 改進(jìn)后設(shè)計(jì)交互與出圖流程

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

以S215屏山縣屏山鎮(zhèn)至?xí)鴺擎?zhèn)段新建工程為例，路線起點(diǎn)K0＋000m位于G353與屏山縣金沙江大道交叉口處，路線終點(diǎn)K23＋872.313m位于書樓鎮(zhèn)，與省道S311形成T型交叉。通過在K13＋400m處設(shè)置鴨池至鴨池互通連接線，將本項(xiàng)目與宜攀高速鴨池互通連接，連接線終點(diǎn)為ZK3＋472.295m。本項(xiàng)目公路等級(jí)為二級(jí)公路，路線全長27.346km，其中屏山至鴨池段長13.400km，設(shè)計(jì)速度采用60km／h；鴨池至?xí)鴺嵌伍L10.473km，設(shè)計(jì)速度采用40km／h；鴨池至鴨池互通連接線長3.473km，設(shè)計(jì)速度采用60km／h。

3.2 設(shè)計(jì)應(yīng)用

對(duì)本項(xiàng)目主線推薦線的4座常規(guī)預(yù)制橋梁下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維設(shè)計(jì)正向設(shè)計(jì)及出圖（一般構(gòu)造圖），4座橋梁分別為：K0＋464m團(tuán)燈子一號(hào)大橋（6×40m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁），橋長248.08m；K0＋857m團(tuán)燈子二號(hào)大橋（7×40m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁），橋長288.08m；K5＋913m李家壩中橋（3×30m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁），橋長105.08m；K9＋390m趙家咀大橋（7×40m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁），橋長288.08m。

以K0＋464m團(tuán)燈子一號(hào)大橋1號(hào)橋墩三維視角一般構(gòu)造圖進(jìn)行說明，由于標(biāo)注元素?cái)?shù)量較多，為避免表達(dá)不清及與模型的相互遮擋，對(duì)其進(jìn)行了分類，在不同的視角下展現(xiàn)不同的標(biāo)注。由于交互調(diào)整的視圖與最終出圖效果共用一套模型以及標(biāo)注點(diǎn)位的數(shù)據(jù)，僅存在臨時(shí)元素標(biāo)注與原生標(biāo)注的區(qū)別，本文僅顯示最終出圖效果（見圖8）。動(dòng)態(tài)交互的效果可參考2.3節(jié)。

圖8 S215團(tuán)燈子一號(hào)大橋1號(hào)橋墩三維構(gòu)造

三維視角出圖由于對(duì)實(shí)體的渲染，實(shí)心、空心等一目了然，不需再借助復(fù)雜的虛線反映未剖切到的構(gòu)造輪廓線，經(jīng)設(shè)計(jì)人員反饋，設(shè)計(jì)交互式體驗(yàn)友好，調(diào)整機(jī)制較為靈活，出圖效果良好，但存在配置參數(shù)較為復(fù)雜的問題，建議優(yōu)先確定標(biāo)準(zhǔn)化程度較高構(gòu)件的三維標(biāo)準(zhǔn)圖及配置參數(shù)，再進(jìn)一步推廣。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)公路BIM設(shè)計(jì)中的常規(guī)橋梁構(gòu)件進(jìn)行研究，提出了一種基于三維視角下構(gòu)件設(shè)計(jì)交互與出圖的方式，并利用Bentley平臺(tái)下的軟件Open-RoadsDesigner進(jìn)行了功能二次開發(fā)。通過本方法在實(shí)際工程項(xiàng)目中的實(shí)踐，驗(yàn)證了適應(yīng)性，其主要特性列舉如下：

（1）設(shè)計(jì)交互采用三維視角下直接點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)標(biāo)注進(jìn)行修改的方法，模型即時(shí)聯(lián)動(dòng)刷新，避免了變量填表的設(shè)計(jì)體驗(yàn)，清晰、直觀、便捷。

（2）選取不同視角進(jìn)行三維出圖，避免復(fù)雜的傳統(tǒng)二維表達(dá)方式，降低了原有圖紙的讀圖難度，可便于施工人員快速掌握設(shè)計(jì)成果的幾何特性。

（3）整個(gè)設(shè)計(jì)交互出圖流程完全擺脫傳統(tǒng)的二維表達(dá)方式，且都基于一套穩(wěn)定的模型數(shù)據(jù)，不存在三維到二維，或二維到三維轉(zhuǎn)化而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失、冗余開發(fā)或相關(guān)翻模工作，為公路BIM三維正向設(shè)計(jì)奠定重要基礎(chǔ)，且相關(guān)模型可進(jìn)一步導(dǎo)入數(shù)字化平臺(tái)進(jìn)行施工運(yùn)維的全生命周期管理。

但本方法仍存在以下技術(shù)問題，有待進(jìn)一步探索：

（1）由于三維標(biāo)注在空間中容易被模型或其他三維標(biāo)注遮擋，故往往需要通過偏移操作避免此類情況，而偏移會(huì)帶來一定的空間視覺誤差，影響視覺效果。故單一視角下標(biāo)注尺寸不宜過多，對(duì)于特殊形式的下部結(jié)構(gòu)（如重力式橋臺(tái)或薄壁式橋臺(tái)），其構(gòu)件尺寸復(fù)雜，最終出圖時(shí)需選擇較多視角組合表達(dá)，相關(guān)配置或視角選擇較為繁瑣。

（2）在傳統(tǒng)二維表達(dá)方式中可對(duì)樁基等較長的構(gòu)件進(jìn)行截?cái)嗪喕磉_(dá)以節(jié)省圖幅，本文出圖技術(shù)路線基于真實(shí)三維模型，并未對(duì)模型進(jìn)行特殊簡化處理，對(duì)于較長的樁基會(huì)占用較多圖幅空間，由于此時(shí)模型橫橋向十分緊湊，為避免遮擋問題將進(jìn)一步增加配置難度。

（3）此方法適用于標(biāo)準(zhǔn)化程度較高的橋梁構(gòu)件，且主要針對(duì)一般構(gòu)造圖這類以長寬高等標(biāo)注為主的圖紙。對(duì)于鋼束、鋼筋構(gòu)造圖，其模型十分密集且復(fù)雜，目前暫不適用于本文所述三維視角下進(jìn)行設(shè)計(jì)交互出圖的方式，相關(guān)三維表達(dá)有待進(jìn)一步研究。