劉新華，呂?？?，張栢瑞

(1.石家莊鐵道大學 交通運輸學院，河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學 河北省交通安全與控制重點實驗室，河北 石家莊 050043)

0 引言

目前，BIM技術在鐵路橋梁建模主要以手工建模方式為主，但對于橋梁結構復雜和需要反復修改設計時，手工建模存在的建模效率和建模精度低的弊端越來越明顯。因此，尋找一種能夠實現建模速度快、建模精度高，適應復雜結構和反復修改完善的橋梁建模方法就顯得尤為重要，其中參數化建模方法成為眾多研究人員的主要研究方向之一。李沅璋等[1]研究了鐵路橋梁BIM的參數化設計思路和設計流程，并采用CATIA平臺，建立了橋梁結構BIM模型；劉彥明[2]基于Bentley Power Civil平臺實現了橋梁參數化建模；王華等[3]采用VC 2008語言開發(fā)3ds Max插件，提出了一種面向組件的橋梁半自動建模方法；張建軍等[4]總結了Revit軟件進行橋梁BIM參數化設計操作中一些要點和注意事項；胡方健[5]、趙偉蘭[6]、邱波[7]、陳秋竹[8]采用Revit平臺研究了橋梁構建BIM參數化信息模型架構和建模方法；Lee et al[9]提出了基于行業(yè)基礎類(IFC)的鐵路橋梁信息建模和管理方法，用于既有鐵路運維管理;Qi Chenglong[10]針對傳統橋梁BIM建模方法效率低的問題，以Excel為數據傳遞媒介，使用CATIA二次開發(fā)方法實現了橋梁自動建模;Wang Ziru et al[11]根據斜拉橋的構件類型，采用Revit二次開發(fā)技術，在Revit視圖中構造參數化模型，生成斜拉橋各部分的結構構件模型;Hu Hanjin et al[12]提出了一種基于可擴展標記語言的橋梁參數幾何數據交換方法，以方便橋梁BIM建模。上述研究主要考慮單個橋梁的參數化建模方法，缺少對橋梁在整條線路上的裝配、模型的批量化生成、參數修改和精準定位等研究，也不滿足鐵路線路多座橋梁自動建模和反復修改、完善和設計的需要。目前針對橋梁整條線路的參數化建模研究中，沙名欽[13]、王欣[14]、王鵬波[15]圍繞橋梁BIM信息模型的構建方法，結合橋梁工程特點，選用Revit作為核心建模軟件，創(chuàng)建出自動定位構件位置，從而實現數據驅動橋梁自動建模的方法，并通過橋梁工程實例驗證了建模方法的可行性,然而卻缺少對地形信息的考慮以及橋梁模型多樣化以及實時編輯功能，在 BIM模型的精度及地形信息集成的廣度隨著工程的應用需求仍有待深化。因此，綜合實際地形信息和整條線路多樣化橋梁設計的要求，建立一種自動化、參數化和批量化的鐵路橋梁BIM模型建模方法，開發(fā)鐵路橋梁建模系統，實現創(chuàng)建快速、拼裝方便、參數可修改、樣式可調整和定位精確的橋梁建模方法顯得尤為重要。

1 橋梁結構及參數分析

1.1 橋梁結構分解

根據橋梁結構特點，將橋梁分解為上部結構和下部結構，并對上、下部結構細分為多個可參數化的獨立部件，采用數據庫存儲和管理各部件的參數信息和屬性信息，實現模型的快速創(chuàng)建和參數的批量修改，方便模型調整、修改和裝配。為使研究具有代表性，以我國鐵路最常用的簡支箱梁為例進行研究。橋梁上、下部結構細分組成如圖1和圖2所示。

圖1 橋梁上部結構細分組成

圖2 橋梁下部結構細分組成

1.2 橋梁數據庫管理實現

根據橋梁部件分解，采用C#和Access數據庫開發(fā)了橋梁數據庫部件管理系統，如圖3所示。根據上部和下部各細分結構的參數生成的重力式橋墩和重力式橋臺如圖4所示。

圖3 橋梁部件數據庫管理系統

圖4 重力式橋墩和橋臺

2 橋梁模型自動創(chuàng)建與拼接

利用BIM API的二次開發(fā)技術，以線路三維空間曲線為定位中心線，實現橋梁模型自動創(chuàng)建、快速拼裝和精準定位。

2.1 梁模型創(chuàng)建

以箱型簡支梁為例，將梁截面分為內外2個輪廓，根據截面幾何信息，采用放樣融合方法繪制用于放樣的模型線，通過梁的內外輪廓族生成實體模型，創(chuàng)建符合要求的三維模型，創(chuàng)建流程如圖5所示。梁模型創(chuàng)建效果如圖6所示。

圖5 橋梁模型創(chuàng)建流程

圖6 梁模型創(chuàng)建效果

2.2 橋梁模型放樣中心線獲取方法

鐵路線路中心線(圖7)為橋梁放樣的中心線，也是橋梁的空間定位依據。放樣中心線可通過程序讀取線路中心線三維坐標點數據(表1為示例數據)生成Revit模型線，也可讀取CAD文件中的三維曲線轉換成Revit模型線。

圖7 鐵路線路中心線示例

表1 線路中心線三維坐標示例

以第一種方式為例，實現算法如圖8所示。

圖8 橋梁模型放樣中心線獲取算法

2.3 橋墩高度計算

由于每個橋墩的高度不完全相同，因此，放置完成后需要計算每個橋墩的位置點到橋墩正下方地表面的距離h，h值即為該處的橋墩高度，然后根據距離h調整墩臺參數。以重力式橋墩為例，根據橋梁空間幾何信息，計算出橋墩二級承臺最大和最小x，y坐標(minx，miny,maxx,maxy)。

設W=maxx-minx，H=maxy-miny，以該矩形面從橋墩位置點向地面作矩形包圍盒，包圍盒高度可初始取較大值，如圖9所示。

圖9 橋墩高度計算示意圖

設橋墩位置點P0坐標為P0(x0,y0,z0)。

(1)確定位于矩形面內所有地形數據點Pi(xi,yi,zi),xi∈[minx,maxx],yi∈[miny,maxy]。

(2)在所有Pi點中，尋找高程z坐標最小數據點P0′=(x0′,y0′,z0′)。

(3)h=|z0′-z0|；h′=h+dh，dh為保證橋墩緊接地面的附加值，取值范圍dh∈(0,1)，h′即為求得該處橋墩的實際高度。

3 橋梁三維建模系統實現

鐵路中心線為一條三維空間曲線，單純依靠手工建模方式難以快速和精確實現橋梁模型的創(chuàng)建和拼接。利用BIM API二次開發(fā)技術，以連續(xù)梁為例，開發(fā)建模系統，實現橋梁三維模型的快速創(chuàng)建、拼裝、修改和精確定位。

3.1 連續(xù)梁模型創(chuàng)建

連續(xù)梁的創(chuàng)建關鍵在于基于三維空間曲線輪廓的定位和旋轉，流程如下：(1)讀取梁的截面數據和截面的所有參數；(2)加載建立的梁內、外輪廓；(3)根據梁截面的坐標點數據將內、外輪廓放置到相應位置；(4)利用CurveByPoints函數，將梁截面所有三維坐標點連成一條空間曲線；(5)計算截面位置點的X軸與該點切線的夾角，旋轉至與線路垂直(對于坐標軸的規(guī)定，設定它的Z軸方向就是高程方向，而X、Y平面內，采用地理化的指北方向作為平面內的Y方向);(6)運用NewLoftForm方法創(chuàng)建三維模型。連續(xù)梁創(chuàng)建界面如圖10所示，運行結果如圖11所示。

圖10 連續(xù)梁創(chuàng)建界面

圖11 連續(xù)箱型梁運行結果

3.2 鐵路橋梁結構裝配

鐵路橋梁結構裝配的主要步驟為：

(1)讀取橋梁的線路中線，根據數據表中輸入的跨徑值，從起點開始利用Curve.Evaluate方法找到每一個跨的起終點坐標，也就是梁截面和墩臺的位置點坐標。

(2)加載數據表中的墩臺和梁截面類型，根據計算的位置點，按照數據表中順序逐一放置墩臺和梁截面。

(3)調用族旋轉的函數，分別將墩臺和梁截面旋轉至與線路方向垂直。

(4)調用NewSweptBlendForm函數方法，將箱型梁的內外截面分別進行空心和實心的創(chuàng)建，最終完成橋梁模型裝配。具體的程序界面如圖12所示，創(chuàng)建完成的模型如圖13所示。

圖12 橋梁布置界面

圖13 橋梁布置結果

3.3 模型參數及樣式調整

橋梁模型拼裝完成后，為適應對模型及方案反復修改，利用BIM API開發(fā)了批量模式修改的程序模塊，實現對橋梁模型樣式、構件參數(如橋墩墩身的長寬高參數)和族類型的修改。應用時選擇所要修改的構件(梁、橋墩、橋臺等)，可修改參數和更換族類型，對修改前的構件編號等屬性信息進行替換，并重新定位模型。以修改橋墩為例，其程序界面如圖14所示，批量替換橋墩類型為圓端形如圖15所示。

圖14 批量修改界面

圖15 橋墩類型批量替換結果

4 結論

依托BIM、數據庫技術和BIM二次開發(fā)技術，研發(fā)基于BIM的鐵路橋梁三維快速建模系統，實現了自動化、參數化和批量化的鐵路橋梁BIM模型快速創(chuàng)建、拼裝、修改、樣式調整和精確定位。通過研究，得出以下結論：

(1)鐵路橋梁樣式多變，結構復雜，參數多，單純依靠建模軟件手工建模已不能很好滿足鐵路橋梁結構復雜、反復修改和多樣化的要求。合理的橋梁結構分解、參數分析以及數據結構設計是高效建模的基礎，采用數據庫存儲和管理鐵路橋梁復雜參數是一種有效的數據管理方法。

(2)鐵路線路的三維空間曲線更適合橋梁模型的定位中心線，但需要轉換化為BIM模型線，為更方便空間定位控制，通過程序直接讀取線路中心線數據庫或數據文件方式比讀取CAD線生成模型線更適合程序精確控制的定位需要。

(3)橋墩與地形相關，每個橋墩高度不盡相同，快速計算每個橋墩高度并方便調整是橋墩建模重點考慮的問題。在各橋墩高度計算和建模上，采用橋墩范圍內的數模和矩形包圍盒相結合方法，能夠快速計算每座橋墩模型高度，通過調整墩臺參數實現適應地形的橋梁每座橋墩模型自動建模。

(4)采用BIM API的二次開發(fā)技術，以線路三維空間曲線為定位中心線，開發(fā)了鐵路橋梁模型快速建模系統。通過將橋梁基本特征參數信息輸入到程序模塊，快速準確地完成了橋梁自動化三維建模工作，實現了自動化和批量化的橋梁模型創(chuàng)建、拼裝、模型參數修改、橋梁樣式調整和精準定位，有效地提高了建模效率。研究方法具有較好的適應性，為BIM在鐵路橋梁快速建模提供了新思路。

(5)在既有橋梁模型基礎上，后續(xù)需要進一步研究鋼筋分布以及預應力鋼筋在橋梁模型中的布置，通過鋼筋與鋼筋之間以及鋼筋與混凝土之間的碰撞檢查，實現橋梁結構的優(yōu)化設計。