傅 霆，喬 科，汪 軍

(四川省公路規(guī)劃勘察設計研究院有限公司，成都 610041)

近年來，BIM技術在交通基礎設施領域廣泛應用，涵蓋隧道、橋梁、道路等多個專業(yè)，并結合可視化、VR、編碼技術和施工管理、運用維護業(yè)務平臺，呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的勢頭[1-2]。其中，建模一直處于BIM技術的核心地位，BIM 技術的應用都是基于 BIM 模型展開的，BIM 模型必須滿足一定的精度要求，BIM 技術的應用才能開展。BIM 模型是集成、傳遞和共享具有 BIM 技術特征的信息載體，模型的精細程度往往決定了BIM技術的應用范圍[3]。

目前，主流 BIM 核心建模軟件[4-5]大多數(shù)都是針對建筑工程，針對橋梁領域的 BIM 核心建模軟件匱乏，加之橋梁結構復雜、構件曲面變化多樣，所以橋梁 BIM 模型構建起來比較困難[6]、模型精度達不到工程設計要求。橋梁BIM的長遠目標是要實現(xiàn)BIM模型的三維正向設計，當前有一些應用BIM技術進行橋梁隧道正向設計的嘗試[7-8]，但如果模型精度達不到工程設計要求，三維模型就不能呈現(xiàn)真實設計信息，從而難以用于直接指導工程建設，為此必須研究提高模型精度的方法。

1 數(shù)據(jù)驅動與參數(shù)化設計

參數(shù)化建模是一個重要的提高建模效率的方法[9]，它是在建立豐富的橋梁 BIM 構件資源庫后，通過調整構件參數(shù)，建模人員便可像“搭積木”一樣進行橋梁 BIM 模型的創(chuàng)建。為了提高參數(shù)輸入效率，柳龍[10]應用 Dynamo 與 Revit 交互，沙名欽[3]應用Revit二次開發(fā)手段，利用數(shù)據(jù)文檔來實現(xiàn)參數(shù)數(shù)據(jù)輸入，減少了手動建模的工作量，實現(xiàn)橋梁 BIM 模型的快速、準確創(chuàng)建。上述2種方法都是應用軟件開發(fā)手段來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，結構參數(shù)相同的橋梁構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[11]。以預制T梁為例，道路設計線一般為曲線，道路的橫坡也在變化，真實T梁的長度和端頭形狀都在不斷變化，面對成百上千的T梁，如果需要輸入每一片梁的參數(shù)，參數(shù)化設計也是難以完成的任務。因此，參數(shù)化設計難以實現(xiàn)高精度橋梁構件建模，除非參數(shù)的計算和輸入也是自動完成。為此，提出設計數(shù)據(jù)驅動的概念來實現(xiàn)真實建模，其構想為：所有設計約束和設計邏輯都由軟件完成實現(xiàn)，當輸入設計數(shù)據(jù)后，直接得到橋梁模型，形成“設計數(shù)據(jù)驅動-程序控制-自動構建模型”的軟件開發(fā)思路。與數(shù)據(jù)驅動[12]相比，設計數(shù)據(jù)驅動的概念更強調要從設計出發(fā)，目標是面向設計數(shù)據(jù)的正向設計。

以下幾個因素促使筆者提出上述“設計數(shù)據(jù)驅動”的建模構想：

1) 如果要達到滿足工程實際需要的精度要求，人工的方法實現(xiàn)橋梁構件幾乎是不可能的。

2) 主流建模軟件都提供了空間幾何構造(拉伸、合并、切割)、定位、方向控制等接口，為橋梁構件的二次開發(fā)實現(xiàn)提供了必要的工具。

3) 程序實現(xiàn)工程設計約束要素，完成設計邏輯，模型由軟件自動完成，必定會提高設計效率，消除人為誤差，是設計行業(yè)發(fā)展的方向。

裝配式T型橋梁是橋梁結構中使用最為普遍的結構形式，其優(yōu)點是制造簡單、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)應用較廣的Bentley 平臺[14]，用“設計數(shù)據(jù)驅動-程序控制-自動構建模型”的構思進行二次開發(fā)，實現(xiàn)了自動高效地創(chuàng)建高精度的T梁模型。以下主要介紹二次開發(fā)的主要界面、原理和程序模塊。

2 數(shù)據(jù)驅動實現(xiàn)高精度T型橋梁的BIM模型

T梁構建軟件基于Bentley MicroStation CE平臺，采用Visual Studio 2015和.NET框架，應用托管C++語言[15]進行二次開發(fā)，軟件采用窗體界面進行數(shù)據(jù)交互，使用方便。程序設計考慮了T型橋梁的各種約束，包括橫坡、橋梁設計線、橋梁中心線與設計中心線的偏距，設計高程參照點與設計中心線高程點的偏差，橋梁各部分立面布置等因素，實現(xiàn)了T型橋梁主要構件的三維模型，包括路基路面、護欄、T梁、濕接板、蓋梁、墊石和圓柱墩。

按照橋梁實際形狀自動構建BIM模型，是程序設計的主要目標。模型的構建受T梁設計參數(shù)的控制，也受項目環(huán)境的數(shù)據(jù)控制，比如橫坡。當橫坡發(fā)生變化后，每一跨T梁隨之變化，控制起來更加復雜，但模型精度更準確；T梁的放置完全按照設計需求，由項目環(huán)境因素控制，保障模型精確定位；按照設計要求，軟件自動對模型精確定位并切割修整，實現(xiàn)高精度T梁模型。

T梁參數(shù)設計數(shù)據(jù)都可存儲，以便下次應用。程序是通過對設計數(shù)據(jù)的描述來存儲或調用專業(yè)設計數(shù)據(jù)，相對于利用文件名稱調用，這種調用方法參照的有效信息更多，應用更加方便。

2.1 數(shù)據(jù)輸入

數(shù)據(jù)輸入的界面都是按照窗體風格設計，操作方便。

2.1.1 橋梁項目數(shù)據(jù)輸入與控制

在如圖1所示的窗體界面上，輸入橋梁設計線、橋梁與設計線的相對位置、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、立柱等構件在設計線上的位置和立面布置信息。

圖1 橋梁項目數(shù)據(jù)輸入界面

2.1.2 T梁數(shù)據(jù)輸入、控制與存儲

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的參數(shù)?！癟梁參數(shù)描述”列表中顯示已有的設計樣式，“添加新數(shù)據(jù)”和“刪除當前數(shù)據(jù)”按鈕，用于T梁設計樣式的存儲和刪除操作，實現(xiàn)T梁設計數(shù)據(jù)的編輯和管理功能。

T梁縱坡列表中有3類參數(shù)： T梁縱坡、支座位置蓋梁縱坡、T梁端頭伸縮縫類型(80型和160型)。

圖2 T梁數(shù)據(jù)輸入與控制界面

2.2 T梁構建的流程和方法

T梁構建主要包括T梁構建模塊、T梁放置模塊、T梁切割模塊3個部分。

2.2.1 T梁構建模塊

T梁構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) 構建T梁端頭和中段的橫斷面?；驹砣鐖D3(a)所示，以0點為坐標原點，按照T梁的輸入?yún)?shù)和橫坡值依次計算14個節(jié)點位置，按照倒角要求修改點4、點7、點8、點11，并插入倒角點，然后將這些節(jié)點構成線串，從而創(chuàng)建出橫斷面的形狀。

2) 構建T梁模型。按照設計數(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) 按設計數(shù)據(jù)，構建T梁橫隔板，并合并到T梁模型中，得到完整的T梁。

4) 按照設計數(shù)據(jù)，構建濕接板的單側縱斷面，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梁的梁長和端頭形狀受到布設位置影響而變化，為了適應這種情況，T梁和濕接板構建時都做一定的延長，邊梁的翼緣板也做一定的加寬，以便后期切割加工得到滿足設計要求的T梁。

2.2.2 T梁放置模塊

為保證設計精度，布設梁時嚴格按照設計要求布置，梁長變化采用調整橫隔板至梁端的長度實現(xiàn)，保證梁端至支座中心線的距離不變。根據(jù)這個條件，T梁放置的位置和方向按如下過程確定：

同樣的方式放置T梁關聯(lián)的濕接板縱斷面，再利用2個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格按照設計規(guī)定執(zhí)行，保證加工出來的T梁尺寸符合設計精度。

1) 切割出伸縮縫，得到T梁和濕接板端頭的樣式。在設計基點位置按照伸縮縫類型進行切割，切割的方向和角度由設計基點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行切割，以滿足曲線橋對邊緣的要求。

2.3 其他

整套軟件可自動加工T型橋梁的所有主要構件，包括蓋梁、橋臺、墊石、圓形墩、系梁等，但未能涵蓋這些構件的所有樣式，本文不再詳細介紹，軟件構建出完整的T梁橋梁模型如圖4所示。

3 預制T梁三維模型測試

數(shù)據(jù)驅動的數(shù)據(jù)包括項目數(shù)據(jù)和T梁構件的橫斷面、縱斷面數(shù)據(jù)。不同于參數(shù)化建模，橋梁構件按照設計的橫斷面、縱斷面合成，然后放到項目環(huán)境中，完全按照設計參數(shù)、路線變化和橫坡要求，由程序進行切割修正，其精度必定是符合設計要求的。因此，數(shù)據(jù)驅動的特點和優(yōu)勢在于模型完全由項目數(shù)據(jù)和設計參數(shù)進行自動構建，消除人為誤差，模型精確且自動化程度高。

圖4 完整T梁橋梁BIM模型

T梁模型仿真的結果如圖5所示。其中圖5(a)顯示了橫坡為2.5%的T梁布設在兩端橫坡為 -7%和12%的2個基點上，在這種極端條件下，濕接板和T梁連接出現(xiàn)嚴重波動，顯示軟件實現(xiàn)T梁的布置精確，適應極端數(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到設計要求；圖5(d)和圖5(e)展示曲線橋布置是T梁端頭長和梁長在曲線位置的變化，顯示出曲線橋邊梁翼緣板的形狀，均完全適應設計要求；圖5(g)顯示連續(xù)曲線橋的T梁布置展示。

模型測試顯示，T梁模型的制作過程高度智能，適應數(shù)據(jù)的能力強，模型準確，細節(jié)部分與設計吻合，實現(xiàn)了預制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 結論

基于“設計數(shù)據(jù)驅動-程序控制-自動構建模型”構思的Bentley平臺二次開發(fā)預制T梁輔助建模軟件，采用窗體界面，界面清晰，應用方便，實現(xiàn)了高精度T梁的自動化建模，為探索橋梁高精度模型構建的方法和流程積累了經(jīng)驗。

橋梁工程BIM構件要走向三維正向設計，須使得三維模型精度達到設計精度要求，預制T梁BIM模型的實現(xiàn)只是其中很小的一步，但“設計數(shù)據(jù)驅動-程序控制-自動構建模型”思路必定是走向橋梁BIM正向設計的正確道路。