張新元

(中交第二航務(wù)工程局有限公司設(shè)計(jì)研究院 武漢 430400)

在高速公路互通立交橋梁結(jié)構(gòu)中，墊石作為承接橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的構(gòu)件，具有重要意義。墊石不僅可以將橋梁上部結(jié)構(gòu)的受力較均勻地傳遞到下部結(jié)構(gòu)，同時(shí)可以通過(guò)調(diào)節(jié)墊石高度來(lái)實(shí)現(xiàn)橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中的安裝精度。

目前，BIM技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于橋梁工程，主流的橋梁BIM建模軟件有Autodesk Revit+Dynamo、Bentley Open Bridge Modeler及Dassautlt Catia。由于Autodesk平臺(tái)具有交通行業(yè)影響力較高，軟件普及率較高，學(xué)習(xí)成本較低等優(yōu)勢(shì)[1]，因此，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者和單位基于Autodesk Revit+Dynamo進(jìn)行橋梁正向設(shè)計(jì)應(yīng)用及快速建模研究，其中聶偉等[2]利用Revit+Dynamo總結(jié)出一套互通橋梁BIM正向設(shè)計(jì)建模方法和流程，包括自動(dòng)創(chuàng)建橋梁中心線，采用Revit建立互通橋梁樁基、承臺(tái)、墩身、蓋梁、支座、墊石、上部結(jié)構(gòu)等族庫(kù)模型，利用Dynamo自動(dòng)完成互通橋梁的創(chuàng)建；李東運(yùn)[3]、佘宇深[4]和朱子翔等[5]研究創(chuàng)建橋梁下部結(jié)構(gòu)模型最小構(gòu)件單元，包括蓋梁擋塊、墊石等，通過(guò)邏輯算法關(guān)聯(lián)支座、擋塊等參數(shù)，將最小單元進(jìn)行組合拼裝成一個(gè)大構(gòu)件，其次，通過(guò)可見(jiàn)性參數(shù)實(shí)現(xiàn)大構(gòu)件在項(xiàng)目中拆分，最后，通過(guò)Dynamo自動(dòng)放置模型，完成橋梁的創(chuàng)建。

以上學(xué)者針對(duì)橋梁BIM技術(shù)的研究均能實(shí)現(xiàn)橋梁的快速模型搭建。然而，對(duì)于墊石的布置方法，其中聶偉等提出的墊石自動(dòng)放置通過(guò)確定一個(gè)墊石坐標(biāo)并根據(jù)墊石間距完成，但是其并未針對(duì)橋梁不同設(shè)計(jì)形式進(jìn)行具體分析；李運(yùn)東和朱子翔等將墊石模型內(nèi)嵌到橋墩模型中，通過(guò)設(shè)置可見(jiàn)性來(lái)關(guān)聯(lián)墊石在項(xiàng)目中的可見(jiàn)與否，這種方法對(duì)BIM人員的建模和邏輯水平要求較高。

本文依托某高速互通橋梁項(xiàng)目，針對(duì)橋梁的3種不同設(shè)計(jì)形式，擬采用Revit+Dynamo對(duì)墊石的自動(dòng)布置方法進(jìn)行研究，探索出墊石自動(dòng)布置方法和流程，以提高橋梁建模效率和準(zhǔn)確性。

1 墊石建模與自動(dòng)布置方法

通過(guò)Revit創(chuàng)建參數(shù)化墊石族模型，利用Dynamo可視化編程，可實(shí)現(xiàn)墊石沿著線路按照實(shí)際位置進(jìn)行自動(dòng)布置，有效地解決構(gòu)件布置問(wèn)題，提高模型的準(zhǔn)確性。

1.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

首先，獲取設(shè)計(jì)線路數(shù)據(jù)。根據(jù)設(shè)計(jì)文件中的橋梁曲線要素?cái)?shù)據(jù)，利用Civil 3D，按照1 m的采樣頻率，輸出橋梁設(shè)計(jì)線點(diǎn)數(shù)據(jù)Excel表(包含樁號(hào)、東距、北距和高程值)，由于線路數(shù)據(jù)獲取的方法比較通用，本文將不在此贅述。

其次，獲取橋梁設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)資料中的橋墩一般構(gòu)造圖，整理得到墊石尺寸信息及位置關(guān)系Excel表(包含墩臺(tái)號(hào)、樁號(hào)、墊石沿線路前進(jìn)方向距離、設(shè)計(jì)線到最外側(cè)墊石距離、墊石總數(shù)、墊石間距、坡度、蓋梁設(shè)計(jì)高程等)。

上述數(shù)據(jù)作為墊石自動(dòng)布置的基礎(chǔ)，通過(guò)Dynamo讀取相關(guān)數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)在Revit中自動(dòng)生成墊石模型。

1.2 墊石參數(shù)化建模

墊石參數(shù)化模型采用“公制常規(guī)模型”族樣板進(jìn)行創(chuàng)建，項(xiàng)目單位的坡度采用“%”，長(zhǎng)度單位采用“mm”。墊石以底部中心為建?；鶞?zhǔn)點(diǎn)，通過(guò)設(shè)置參照平面尺寸約束，將墊石外輪廓與參照平面進(jìn)行對(duì)齊并鎖定，利用“拉伸”命令，實(shí)現(xiàn)墊石參數(shù)化模型制作。墊石主要控制參數(shù)包含長(zhǎng)度，寬度、高度及坡度i，墊石參數(shù)化族的主要參數(shù)見(jiàn)圖1。

圖1 墊石參數(shù)化族(單位：mm)

2 墊石自動(dòng)布置原理

墊石自動(dòng)布置的關(guān)鍵點(diǎn)在于需在Dynamo程序中計(jì)算出每個(gè)墊石在蓋梁上的相對(duì)平面位置坐標(biāo)值和豎向位置上的高程值。其中墊石的平面位置坐標(biāo)值可根據(jù)橋墩在特定樁號(hào)下的法向方向偏距和切線方向偏距來(lái)共同確定，墊石的豎向位置可根據(jù)蓋梁的設(shè)計(jì)高程、墊石間的水平間距、蓋梁橫坡等參數(shù)計(jì)算得到。當(dāng)墊石點(diǎn)位坐標(biāo)確定后，再利用Family Instance.By Point節(jié)點(diǎn)自動(dòng)完成墊石參數(shù)化模型按坐標(biāo)點(diǎn)的放置，墊石自動(dòng)布置原理圖見(jiàn)圖2。

下面將針對(duì)互通橋梁3種不同設(shè)計(jì)情形的墊石自動(dòng)布置方法進(jìn)行描述。

2.1 整體式橋梁

整體式橋梁是互通橋梁的主要形式，一般情況下，設(shè)計(jì)線與脊線分界點(diǎn)重合。然而，在互通橋梁分流處，也存在設(shè)計(jì)線與脊線分界點(diǎn)不重合的情況。下面針對(duì)整體式橋梁這2種情形的墊石自動(dòng)布置進(jìn)行描述。

2.1.1設(shè)計(jì)線與脊線分界點(diǎn)重合

在設(shè)計(jì)線與脊線分界點(diǎn)重合情況下，整體式橋梁蓋梁布置圖見(jiàn)圖3。

L-蓋梁長(zhǎng)度，cm;Lr-蓋梁最右側(cè)到設(shè)計(jì)線距離，cm；dk2-最右側(cè)墊石中心到蓋梁邊的距離，cm；n2-前排墊石個(gè)數(shù);d-前排墊石間距，cm；w2-前排墊石到蓋梁設(shè)計(jì)線的法向間距，cm。

蓋梁上的各墊石坐標(biāo)值，可在Dynamo中通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算方法求出，方法如下。

首先，利用Dynamo讀取線路數(shù)據(jù)生成設(shè)計(jì)線路；然后，根據(jù)橋墩所在的里程樁號(hào)和線路起始樁號(hào)，通過(guò)Curve.PlaneAtSegmentLength和Geometry.IntersectAll 2個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)自動(dòng)獲取該樁號(hào)下的O點(diǎn)坐標(biāo)值(X、Y、高程)，其中O點(diǎn)坐標(biāo)系以該樁號(hào)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，法向方向?yàn)閄軸，切向方向?yàn)閅軸，Z軸向上。其次，通過(guò)該樁號(hào)沿設(shè)計(jì)線路方向的法向向量Plane.Normal和Vector.ZAxis進(jìn)行叉積Vector.Cross，可以得到樁號(hào)對(duì)應(yīng)的切向向量；再次，分別計(jì)算出右下側(cè)墊石和左下側(cè)墊石平面位置坐標(biāo)，然后通過(guò)Line.ByStartPointEndPoint和Curve.PointAtParameter 2個(gè)節(jié)點(diǎn)，自動(dòng)得到每個(gè)墊石平面位置坐標(biāo)值；最后，采用Python script程序分別算出各個(gè)墊石的高程值。計(jì)算過(guò)程中長(zhǎng)度單位均應(yīng)換算以m計(jì)。

右下側(cè)墊石平面位置坐標(biāo)值計(jì)算方法如下。

X右下=O.X-Vector法向.X*w2/100+Vector切向.X*(Lr-dk2)/100

Y右下=O.Y-Vector法向.Y*w2/100+Vector切向.Y*(Lr-dk2)/100

左下側(cè)墊石平面位置坐標(biāo)值計(jì)算方法如下。

X左下= X右下+ Vector切向.X*n2*d/100

Y左下= Y右下+ Vector切向.Y*n2*d/100

得到墊石最右側(cè)和最左側(cè)2個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)點(diǎn)后，再根據(jù)Line.ByStartPointEndPoint和Curve.PointAtParameter，可自動(dòng)獲取直線上的n2個(gè)等分點(diǎn)坐標(biāo)。

各個(gè)墊石對(duì)應(yīng)的高程可按照左側(cè)和右側(cè)分別計(jì)算得到，方法如下。

最右側(cè)墊石個(gè)數(shù)=math.ceiling((Lr-dk2)/d)

最左側(cè)墊石個(gè)數(shù)=n2+1-最右側(cè)墊石個(gè)數(shù)

通過(guò)Python script計(jì)算出高程值。其中程序輸入端參數(shù)為5個(gè)，分別為墊石個(gè)數(shù)num、橫坡slope、蓋梁基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)計(jì)高程值ele、墊石間距jianju，以及最外側(cè)墊石到設(shè)計(jì)線距離len；輸出結(jié)果為各個(gè)墊石對(duì)應(yīng)的高程值el，程序計(jì)算方法如下。

for i in range(int(num)):

str=(len-i*jianju)

ele1=str*slope/100

el=ele±ele1(左側(cè)為負(fù)，右側(cè)為正)

listout.append(el)

因此，根據(jù)上述計(jì)算，利用Dynamo自動(dòng)算出每排各個(gè)墊石的點(diǎn)位坐標(biāo)，再利用FamilyInstance.ByPoint和FamilyInstance.SetRotation節(jié)點(diǎn)完成墊石模型的自動(dòng)布置。

2.1.2設(shè)計(jì)線與脊線分界點(diǎn)不重合

在設(shè)計(jì)線與脊線分界點(diǎn)不重合情況下，整體式橋梁蓋梁布置圖見(jiàn)圖4。

圖4 整體式橋梁蓋梁布置圖2(尺寸單位：dm)

對(duì)于此種情況，可按脊線分界點(diǎn)將墊石劃分為在脊線左側(cè)和在脊線右側(cè)2種情況，利用上述橋梁墊石計(jì)算方法分別按脊線左、右側(cè)運(yùn)行2次，完成墊石自動(dòng)布置。此情況下，左側(cè)墊石總數(shù)為脊線分界點(diǎn)左側(cè)墊石個(gè)數(shù)，設(shè)計(jì)高程為設(shè)計(jì)線與蓋梁交點(diǎn)處高程；右側(cè)墊石總數(shù)為脊線分界點(diǎn)右側(cè)墊石個(gè)數(shù)，設(shè)計(jì)高程為脊線與蓋梁交點(diǎn)處高程。

2.2 分離式橋梁

對(duì)于分離式橋梁，墊石位于設(shè)計(jì)線一側(cè)，墊石的坐標(biāo)計(jì)算方法與整體式橋梁的計(jì)算方法略有區(qū)別，下面將針對(duì)左幅和右幅橋梁分別進(jìn)行描述。

2.2.1左幅橋梁

左幅橋梁蓋梁布置圖見(jiàn)圖5。

L-蓋梁長(zhǎng)度，cm;Lr-蓋梁最右側(cè)到設(shè)計(jì)線距離，cm；dk2-最右側(cè)墊石中心到蓋梁邊的距離，cm；n2-前排墊石個(gè)數(shù);d-前排墊石間距，cm；w2-前排墊石到蓋梁設(shè)計(jì)線的法向間距，cm;D-蓋梁最右側(cè)到設(shè)計(jì)線距離，cm。

蓋梁上各墊石坐標(biāo)值可在Dynamo中通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算方法求出，方法如下。

首先，利用Dynamo讀取線路數(shù)據(jù)生成設(shè)計(jì)線路；然后，根據(jù)橋墩所在的里程樁號(hào)和線路起始樁號(hào)，通過(guò)Curve.PlaneAtSegmentLength和Geometry.IntersectAll 2個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)自動(dòng)獲取該樁號(hào)下的O點(diǎn)坐標(biāo)值(X、Y、高程)，同時(shí)，需要用到Geometry.Translate節(jié)點(diǎn)，使O點(diǎn)沿切向方向做平移運(yùn)算，將坐標(biāo)O換算到蓋梁設(shè)計(jì)線O’點(diǎn)處，平移距離為L(zhǎng)r+D。其中O’點(diǎn)坐標(biāo)系以該樁號(hào)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，法向方向?yàn)閄軸，切向方向?yàn)閅軸，Z軸向上。其次，通過(guò)該樁號(hào)沿設(shè)計(jì)線路方向的法向向量Plane.Normal和Vector.ZAxis進(jìn)行叉積Vector.Cross，可以得到樁號(hào)對(duì)應(yīng)的切向向量；再次，分別算出右下側(cè)墊石和左下側(cè)墊石平面位置坐標(biāo)，然后通過(guò)Line.ByStartPointEndPoint和Curve.PointAtParameter 2個(gè)節(jié)點(diǎn)，可以自動(dòng)得到每個(gè)墊石平面位置坐標(biāo)值；最后，采用Python script程序分別算出各個(gè)墊石的高程值。計(jì)算過(guò)程中長(zhǎng)度單位均應(yīng)換算以m計(jì)。

右下側(cè)墊石平面位置坐標(biāo)值計(jì)算方法如下。

X右下=O’.X-Vector法向.X*w2/100+Vector切向.X*(Lr-dk4)/100

Y右下=O’.Y-Vector法向.Y*w2/100+Vector切向.Y*(Lr-dk4)/100

左下側(cè)墊石平面位置坐標(biāo)值計(jì)算方法如下。

X左下=X右下+ Vector切向.X*n2*d/100

Y左下=Y右下+ Vector切向.Y*n2*d/100

確定最右側(cè)和最左側(cè)2個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)點(diǎn)，再根據(jù)Line.ByStartPointEndPoint和Curve.PointAtParameter自動(dòng)獲取直線上的等分點(diǎn)坐標(biāo)。

墊石對(duì)應(yīng)的高程按照左側(cè)和右側(cè)分別計(jì)算，方法同整體式橋梁。

2.2.2右幅橋梁

右幅橋梁蓋梁布置圖見(jiàn)圖6。

圖6 右幅橋梁蓋梁布置圖

蓋梁上的墊石的水平位置坐標(biāo)值和高程值計(jì)算方法與左幅橋梁墊石計(jì)算方法相同，其中各里程樁號(hào)下的O點(diǎn)坐標(biāo)值(X、Y、高程)需要用到Geometry.Translate節(jié)點(diǎn)，使O點(diǎn)沿切向方向做平移運(yùn)算，將坐標(biāo)O換算到蓋梁設(shè)計(jì)線O’點(diǎn)處，平移距離為L(zhǎng)-Lr+D。

至此，針對(duì)互通橋梁的不同設(shè)計(jì)情況，采用Dynamo編程來(lái)實(shí)現(xiàn)墊石點(diǎn)位自動(dòng)計(jì)算和自動(dòng)放置，達(dá)到了墊石快速準(zhǔn)確生成的目的。

3 橋梁墊石自動(dòng)布置應(yīng)用

3.1 工程簡(jiǎn)介

某互通橋梁由1座左線橋，1座右線橋和13個(gè)匝道橋組成。本文以左線橋、右線橋，以及A匝道橋?yàn)槔?，進(jìn)行墊石自動(dòng)布置具體描述。某互通橋梁BIM模型見(jiàn)圖7。

圖7 某互通橋梁BIM模型

3.1.1A匝道

A匝道為整體式橋梁，起止里程為AK0+180.238-AK0+756.784，全長(zhǎng)576.546 m。本文以A匝道前2聯(lián)為例，上部結(jié)構(gòu)采用3×26 m+2×25 m預(yù)應(yīng)力混凝土先簡(jiǎn)支后連續(xù)T梁，下部結(jié)構(gòu)采用樁柱式墩+系梁+蓋梁。A匝道墊石參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 A匝道墊石參數(shù)表

通過(guò)Dynamo讀取表1數(shù)據(jù)和線路數(shù)據(jù)，可自動(dòng)布置A匝道墊石，A匝道墊石自動(dòng)布置見(jiàn)圖8。

圖8 A匝道墊石自動(dòng)布置

3.1.2左線橋梁

左線為分離式左幅橋梁，起止里程為K5+419.244-K7+910，全長(zhǎng)2 490.756 m。本文以左線第一聯(lián)為例，上部結(jié)構(gòu)采用3×31.7 m預(yù)應(yīng)力混凝土(后張)簡(jiǎn)支連續(xù)T梁，下部結(jié)構(gòu)采用樁柱式墩+蓋梁，左線墊石參數(shù)見(jiàn)表2。通過(guò)Dynamo讀取表2數(shù)據(jù)和線路數(shù)據(jù)，可自動(dòng)布置左線墊石，左線墊石自動(dòng)布置圖見(jiàn)圖9。

表2 左線墊石參數(shù)表

圖9 左線墊石自動(dòng)布置圖

3.1.3右線橋梁

右線為分離式右幅橋梁，起止里程為K5+403-K6+335，全長(zhǎng)932 m。本文以右線第一聯(lián)為例，上部結(jié)構(gòu)采用5×30 m預(yù)應(yīng)力混凝土(后張)簡(jiǎn)支變連續(xù)T梁，下部結(jié)構(gòu)采用樁柱式墩+蓋梁，右線墊石參數(shù)見(jiàn)表3。通過(guò)Dynamo讀取表3數(shù)據(jù)和線路數(shù)據(jù)，可自動(dòng)布置右線墊石，右線墊石自動(dòng)布置圖見(jiàn)圖10。

表3 右線墊石參數(shù)表

圖10 右線墊石自動(dòng)布置圖

3.2 拓展應(yīng)用

3.2.1支座自動(dòng)生成

支座采用“公制常規(guī)模型”族創(chuàng)建，建模基準(zhǔn)點(diǎn)為支座底面中心。通常，支座布置在墊石頂面，通過(guò)Dynamo程序計(jì)算出墊石的坐標(biāo)，支座的坐標(biāo)確定只需將墊石的高度值加上即可算出支座的坐標(biāo)。通過(guò)應(yīng)用同一套墊石程序，即可實(shí)現(xiàn)墊石和支座的自動(dòng)布置。

3.2.2T梁自動(dòng)布置

T梁采用“結(jié)構(gòu)框架-梁和支撐”族創(chuàng)建，單跨T梁的首尾定位點(diǎn)為相鄰前后一跨墊石的坐標(biāo)點(diǎn)，可考慮將前一跨墊石坐標(biāo)和后一跨墊石坐標(biāo)進(jìn)行兩兩分組，再通過(guò)Line.ByStartPointEndPoint和StructuralFraming.BeamByCurve節(jié)點(diǎn)完成T梁的自動(dòng)布置，T梁自動(dòng)布置圖見(jiàn)圖11。

圖11 T梁自動(dòng)布置圖

4 結(jié)論

互通橋梁墊石自動(dòng)布置，需要根據(jù)設(shè)計(jì)路線、橋梁的具體設(shè)計(jì)形式和墊石參數(shù)化模型，應(yīng)用Dynamo程序，按照設(shè)計(jì)意圖，快速實(shí)現(xiàn)墊石自動(dòng)布置。通過(guò)研究得出以下結(jié)論。

1)基于Dynamo可適應(yīng)不同橋梁互通設(shè)計(jì)形式，完成墊石坐標(biāo)自動(dòng)計(jì)算，通過(guò)參數(shù)驅(qū)動(dòng)并快速完成墊石自動(dòng)布置，該方法可有效提升模型精度和效率。

2)基于Dynamo的墊石自動(dòng)布置，可以衍生到支座和梁板的自動(dòng)生成和布置，實(shí)現(xiàn)一套程序多構(gòu)件使用，提高了其應(yīng)用價(jià)值。

3)相較于墊石的傳統(tǒng)下部結(jié)構(gòu)建模和布置方法，該方法只需要建立單個(gè)構(gòu)件模型即可，大大降低建模人員對(duì)下部結(jié)構(gòu)族模型的嵌套搭建要求。

本文根據(jù)3種互通橋梁設(shè)計(jì)形式，完成了墊石的自動(dòng)布置。然而，對(duì)于主線橋和匝道橋連接處的斜交情況，本文暫未考慮，后續(xù)將針對(duì)斜交工況進(jìn)行改進(jìn)，以滿足實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用。