基于ACIS的悬索桥工程BIM建模研究

唐清东， 李帅帅， 陈飞宇

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

基于ACIS的悬索桥工程BIM建模研究

唐清东， 李帅帅， 陈飞宇

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

桥梁信息模型不仅要包含桥梁结构的几何信息，还应集成非几何属性信息，以满足在桥梁工程项目全寿命周期中，设计、施工、运维管理等不同专业技术人员对桥梁结构构件的尺寸信息以及结构受力信息、施工控制信息、施工监测信息、施工方案信息等非几何信息的需求。文章阐述基于几何内核ACIS的悬索桥工程BIM建模方法和实施流程，并以正在研发的悬索桥BIM系统建立包含工程所需信息的悬索桥索夹BIM模型的实例说明该方法的可行性和优势。

悬索桥； ACIS； BIM； 参数化； 软件

BIM (Building Information Modeling )，即建筑信息模型，简要概括为一种基于三维数字技术为基础，整合建筑物全寿命周期中各类信息的统一集合体。BIM的核心理念为协同作业、数字表达、资源共享三个层次，它从根本上解决“信息断层”和“信息孤岛”问题，同时实现三维协同设计，减少资源浪费并提高效率[1]。中国铁路总公司和中国交通建设集团开始编制桥梁BIM标准、研发桥梁BIM应用软件、开展BIM工程应用和示范，并且BIM技术已在试点工程中应用于桥梁三维建模、碰撞检查、施工过程模拟、施工进度管理等[2]。可见BIM技术已经成为桥梁工程设计不可或缺的一部分。

目前国内外BIM应用软件品种和数量很多，在国内桥梁工程领域应用较多的有Autodesk公司系列软件如Revit、Inventor等，Dassault公司的CATIA软件以及Bentley系列软件。这些软件都能很好实现BIM模型的建立、信息集成、信息传递和表达的功能，但是要实现专业领域的应用，满足某种特殊需求，比如给桥梁结构批量赋予特定的力学属性信息等，应用现有软件操作起来困难重重或实现不了，即使采用二次开发的形式，也可能达不到满意的结果。以现有的几何内核进行软件开发，如ACIS，虽然工作量大[3]，但是可以根据需要进行私人订制，开发专业需求的BIM软件，是一种不错的选择。

文章研究基于几何造型平台ACIS的悬索桥BIM建模，企图开发集成悬索桥全生命周期中的设计信息、施工信息、运维管理信息于一体的悬索桥工程BIM系统。

1 ACIS结构体系简介

ACIS[4]是美国Spatial公司推出的几何造型引擎，采用C++构造的图形系统开发平台，并封装了丰富的实体造型的API函数，为各种3D造型应用的开发提供了几何造型平台[5]。ACIS因其功能强大、易用性以及拥有售后支持，使得如今众多主流CAD软件以ACIS作为底层造型平台支持，如Autodesk Inventor AutoCAD、Pro/E、Dassault CATIA、Turbo CAD、CADKEY、Solid Modeler、Abaques等[3]。ACIS的最基本的对象是实体类ENTITY，其他ACIS所有几何对象(点类APOINT、曲线类CURVE、表面类SURFACE、样条曲线类PCURVE)和拓扑对象(VERZEX顶点类、EDGE边类、 COEDGE有向边类、WIRE线框类、LOOP环类、FACE面类、SHELL壳类、SHBSHELL子壳类、LHMP块类、BODY体类)都派生自该ENTITY类。这些实体对象相互之间可以进行通信，如图1所示，BODY对象可以访问任意底层对象，某个实体的点也可以通过owner()等函数访问上层对象。此外还可以借助get_xxx(ENTITY*,ENTITY_LIST&...)或api_get_xxx(ENTITY*,ENTITY_LIST&...)函数访问拓扑对象。属性是附加在ACIS模型的对象，它存储了一些关于实体的信息，ACIS的属性类ATTRIB类也是基类ENTITY的派生类，它提供了所有属性类都通用的数据和功能，且每个实体对象都含有一个属性指针，因此从ENTITY类派生出的任何类都可以拥有属性[5-6]。如图1所示，属性可以用ower()函数指向对应的实体，实体可以通过find_attrib()函数查找实体的属性。对于桥梁BIM模型，除了有三维实体模型外，还有其他的一些属性信息，如物理信息、结构分析信息等，通过ACIS的属性机制，可以为实体设置专有属性，而这些属性可以利用属性链表[7]，可以对产品模型的信息进行有效的管理。

2 基于ACIS的悬索桥BIM建模

2.1 ACIS实体造型过程

常用的几何实体造型方法包括体素拼合法(Constructive Solid Geometry ,简称CSG法)、边界表示法(Boundary Representation, 简称B-Rep法)。其中CSG法是一种用简单几何体元素构造复杂实体的造型方法，其特点是数据结构简单，能清楚地表达高层次的特征信息与拓扑信息，但是不能表达诸如面、边、点的信息。而B-Rep法是用实体的有界边界表面来定义和描述几何实体的方法，图1描述的就是B-Rep数据结构中个层次对象关系，因其能给实体以完整、显示的边界描述，而受到青睐。ACIS是一个先进的混合造型系统，提供给用户的是CSG模型似的实体构造和精确的参数输入修改方式，以B-Rep模型作为系统内部保存数据信息的模型便于存储形体更详细的信息[8]。

图1 ACIS中几何体、拓扑对象、属性对象及其之间的关系

ACIS是功能强大的几何造型，虽然其自身有渲染功能，但是相对于专业的显示引擎显得有些不足，但是通过ACIS/HOOPS的交互为3D软件的开发提供了完美的解决方法。基于ACIS和HOOPS[9]平台构造几何造型实例流程如图2所示，ACIS造型的基本步骤大致为：许可证验证→造型器和相关组件的初始化→利用ACIS的API造型函数构造几何体→ACIS/HOOPS的交互，数据转换→HOOPS渲染显示→终止造型。

图2 基于ACIS/HOOPS平台构造几何造型实例流程

2.2 BIM模型几何参数数据接口设计

ACIS虽然提供丰富的用于构造几何实体造型的底层API函数，但是在实现如散索鞍、主索鞍、索夹等，这样复杂模型的参数化建模，需要做到两个方面的准备工作：一方面是设计相应的模型参数数据接口，另一方面，根据悬索桥模型的特征结构建立类库，提高程序的建模效率。

由于各个几何对象都具有一些共同的属性和操作，故可以为程序定义一个CEntity的基类，该类描述的几何对象的ID号、颜色、类型、创建时间、创建人等基本属性和基本功能操作或接口，后面所有缆索系统构件类(如索夹类)都派生自CEntity类，并根据构件的特性，自定义成员变量和属性操作。成员变量可以分为三类：构件结构尺寸类、结构全桥布局变量、其他类型变量(主要是属性数据、结构分析、监测等数据)。为了方便结构参数数据的接收和管理，程序为每个构件定义有一个描述结构尺寸的数据结构体，里面包含该构件建立3D模型所需的尺寸参数变量，并以成员变量的形式定义在相应的类中。数据接口中类的层次设计如图3所示，限于篇幅，图中只列出了基类的成员变量(表1)。

图3 数据接口中类的层次设计(缆索系统部分示例)

实体属性/实体操作数据类型说明m_ID字符串(CString)实体编号m_Name字符串(CString)实体名称m_Type整型(int)实体类型m_CreateTime字符串(CString)创建时间m_Designer字符串(CString)创建者m_CompanyName字符串(CString)单位名称m_version字符串(CString)版本m_bModified布尔(BOOL)是否修改m_color字符串(CString)实体颜色m_bVisible布尔(BOOL)是否可见SetXXX(Cstringxxx)无返回值(Void)给变量赋值GetXXX()有返回值(CString)获取变量的值

由于悬索桥构件复杂，在进行参数化建模是涉及到大量的几何计算，需要编写支持所有API造型函数的几何工具库类(GeomTool)函数库作为辅助类，并提高程序代码的利用率和建模效率，主要包括自定义的常用计算函数，比如几何变换、倒角、错误检查等操作，表2列出了部分经常用到的辅助函数。

几何工具库类(GeomTool)函数库实质上是对ACIS的API函数的扩展或具体化，提高程序的灵活性和可读性。

2.3 BIM模型非几何信息的集成

信息模型的核心是“信息”，其中信息包括几何信息和非几何信息，所有的工作都是以相关信息为线索开展的。在工程项目的规划设计、施工、运营管养阶段，会产生新的、变化各异的信息，BIM技术是使各种信息集成于3D信息模型，使信息依附于模型载体进行传递和表达的过程。桥梁工程信息空间(BrIM)与建筑工程信息空间(BIM)具有一定关联，但也存在差异，具体体现在桥梁工程更关注结构性能信息[10-11]，故对于悬索桥工程BIM模型，非几何信息的集成除包含物理信息、材料信息等外，还应该注重结构力学信息，桥梁信息模型构件信息如图4所示。同时，悬索桥工程是复杂工程，信息贯穿于工程项目全生命周期，信息在生命周期的流动工程中，其损失应该降低到最少。

表2 常用辅助功能函数

基于ACIS的BIM建模的非几何信息的集成可以基于其属性机制进行存储[6]，也可以将实体的ID标注为唯一标识符存在于BIM信息模型中，将非几何信息存储于BIM数据库中。考虑到悬索桥缆索系统工程数据种类繁多、数据量大，采用第二种方式，即数据库存储是一种不错的选择。

图4 桥梁信息模型构件信息

3 基于ACIS的悬索桥BIM建模实例

基于ACIS的BIM建模的总体流程如图5所示。以索夹的参数建模为例，说明基于ACIS的悬索桥构件BIM建模具体过程，效果如图6所示。

图5 基于ACIS的BIM建模的总体流程

图6 基于ACIS的悬索桥BIM建模应用实例

在这个索夹构件BIM建模实例中，首先对悬索桥索夹结构进行分析，悬索桥索夹按照类型分有销铰式和骑跨式，按照有无吊索分为有吊索索夹和无吊索索夹。根据索夹的构造提取出构建模型所需的参数数据集，并在SQL Sever2008中建立相应的数据表。此外对悬索桥索夹的非几何信息进行需求分析，此实例中主要围绕力学方面，非几何信息包括：设计信息——材料、基本属性(ID号、构件名称、颜色等)等；施工控制信息——螺杆紧固力等；力学信息——结构安全系数等。将这个信息进行归类整理，并存储在数据库中。基本信息准备好后，利用API函数构建三维实体模型，同时根据实体的GUDI(全局标识符)进行索引，添加非几何信息，最后在主视图中进行显示，生成的模型以Sat或HSF格式保存。

如图6所示，程序采用界面友好的Ribbion界面，并设置结构模型树视图，属性视图、输出视图。此外，实例中只生成了一个索夹对象，为了能够快速建模，可以设置以读取文本的形式批量读取参数索引，批量生成模型。其总体思路是和现有三维软件CATIA的模板—骨架建模方式相同，即先建立总体结构模型的骨架和构件模板，然后模板根据骨架的定位批量实例化。

4 展望

BIM技术在桥梁工程等交通领域的越来越受到关注，国家相关部门也在大力宣传和推广，桥梁工程的BIM应用是必然趋势。文章对基于ACIS的悬索桥BIM建模开展研究工作，阐述基于ACIS的悬索桥工程BIM建模方法和实施流程，并实现了以几何造型内核ACIS作为系统程序开发平台的悬索桥BIM建模系统的初步开发，同时以几何信息和非几何信息集成的索夹构件BIM的创建，说明此方法的可行性，具有一定的参考价值。然而基于ACIS进行悬索桥BIM建模与应用的研发依托于大量工作，悬索桥构件族库的建立以及族库 信息的不断完善、标准化和扩展是一个持续的过程，需要继续投入工作以及大量的专业人员的共同努力，以期研发出一个集设计、施工、运维管理于一体的悬索桥全寿命信息管理的BIM应用系统。

[1] 李红学, 郭红领, 高岩, 等. 基于BIM的桥梁工程设计与施工优化研究[J]. 工程管理学报, 2012(6): 48-52.

[2] 张喜刚， 刘高， 马军海， 等. 中国桥梁技术的现状与展望[J]. 科学通报. 2016(4): 415-425.

[3] 迟小羽，郑国勤，王琳，等. BIM及建筑CAD软件中几何造型内核的评估及应用研究[J]. 土木建筑工程信息技术. 2014(3): 1-8.

[4] ACIS Online Help. http://www.spatial.com/services/support/[OL].

[5] 詹海生，李广鑫，马志欣. 基于ACIS的几何造型技术与系统开发[M]. 北京: 清华大学出版社, 2002.

[6] 李丽. 一种新型产品信息模型及其软件实现技术研究[D]. 湖南大学, 2008.

[7] 刘子建，韩瑞静，李丽，等. 多层多体信息模型结构设计与实现技术研究[J]. 湖南大学学报： 自然科学版, 2009(9): 31-36.

[8] 葛怀峰. 跨平台模具CAD系统研究与应用[D]. 上海交通大学, 2012.

[9] America tech soft. The HOOPS 3D Product Suite V20.0. http://docs.techsoft3d.com/visualize/3df/latest/build/tech_overview/3dgs_technical_overview.html[Z]. 2017.

[10] 何畏, 陈莎莎, 朱殷桥. 面向结构性能的桥梁BIM信息管理研究[C]//中国图学学会BIM专业委员会. 第二届全国BIM学术会议论文集. 北京: 中国建筑工业出版社, 2016.

[11] 石雪飞，黄睿，阮欣. 期待桥梁建设的BIM时代[J]. 中国公路. 2015(13): 82-85.

U448.25

A

[定稿日期]2017-04-26

广东省交通运输厅科技项目(编号：2016003)

唐清东(1990～)，男，在读硕士研究生， 主要从事现代桥式及桥梁结构设计理论、BIM技术研究。