基于BIM的桥梁异形构件参数化设计研究

刘 秀，余文成，夏诗画

(1.桂林理工大学 土木与建筑工程学院，广西 桂林 541004；2.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067)

随着交通建设领域BIM应用的兴起，参数化建模思想在桥梁工程中被广泛应用[1-7]。国内相关学者对Dynamo在桥梁工程中的应用做了相关研究。何树凯[8]在重庆双碑嘉陵江大桥工程中利用BIM技术对大桥施工设计进行精细化处理，合理安排施工进度，有效避免了人为因素造成的失误，保证了工期进度。董耀文等[9]结合参数化建模的实例，减少了BIM建模的工作量，降低了BIM建模的复杂程度，实现了信息的完整、精确和无缝的传递。邱珂[10]将BIM技术应用到高跨立体有轨专用桥梁的设计中，对高跨立体有轨电车专用桥梁的设计有一定指导作用。吴樊等[11]利用Dynamo参数化的建模思想实现了钢板桩和结构钻孔桩快速、高效放置，并提出基于Dynamo自行编写Python节点扩充到节点库，有效提高了Dynamo建模效率。李庶安等[12]将Revit平台的Dynamo插件应用到桥梁缓和曲线段建模过程中，解决了缓和曲线段建模过程中以直代曲产生的误差，提高了建模的精度，并就Dynamo的可视化编程语言的灵活性、代码的开源性提出Dynamo发展的无限可能性[13-15]。

本文以重庆曾家岩嘉陵江大桥工程为背景，针对工程中主桥桥墩为空间曲面结构，提出利用参数化建模思想完成模型创建的方法，以解决桥梁复杂异形构件设计难、精度低的问题，同时利用参数动态控制设计尺寸，快速完成设计，实现实时修改造型的目的。

1 工程概况

重庆曾家岩嘉陵江大桥位于重庆市主城区中心地带，桥型为钢性悬索加劲连续钢桁架梁桥，全长566.09 m，由跨江大桥及南桥头明挖框架2部分组成，跨径布置为(135+270+135)m=540 m。大桥为公轨两用桥，上层为双向6车道城市道路，下层为双线轨道交通，曾家岩大桥立面布置如图1所示。

单位：cm

P1(北)、P2(南)是大桥的2个主桥墩，墩身均为变截面空心薄壁箱型结构。桥墩墩身高41.0 m，顺桥向墩身宽9.0 m，顺桥向墩顶15.0 m高度范围内采用外弧造型修饰，圆弧半径5.141 m；桥墩横桥向外侧为圆弧造型，墩顶宽34.8 m，墩底宽29.0 m，距墩底19.0 m高度处墩身宽27.4 m。桥墩内部采用椭圆形挖空，椭圆长轴半径为16.0 m，短轴半径为7.0 m。

主墩墩身为带圆端的矩形空心截面，圆端半径为4.764 m，墩身顺桥向及横桥向壁厚均为1.0 m，墩底3.0 m高度范围内采用空心截面；沿墩身高设置2道横隔板，横隔板厚度为0.5 m，为方便施工，在横隔板中心留有人孔。桥墩各截面构造如图2所示。

(a)顺桥向

2 构件的参数化设计

根据设计构想，桥墩墩身各结构面为空间曲面，墩身设计线条简洁、流畅，空间定位精度要求很高，二维表达及施工难度大，一般BIM建模软件很难精确设计墩身各曲面。针对曲面、复杂结构在设计和表达上的工程设计难点，借助Dynamo软件通过参数化的建模思想对曾家岩主桥桥墩进行模型的搭建，通过参数调整结构外型达到最佳状态。完成模型的搭建后，再按照几何控制系统确定的定位原则整合至Revit平台，既降低了Revit建模的复杂度，又提高了模型的精确度和质量。

2.1 参数化建模思路

Dynamo参数化建模的思路如下：

1)根据项目需要对异形结构进行拆分，通过边界条件对边缘进行约束；

2)定位曲面空间关键点的坐标、原点等；

3)对构件的尺寸赋予参数，通过节点将参数化的尺寸写入Dynamo；

4)在Dynamo中利用参数确定点，并生成对应的曲线；

5)通过节点List、Poly Surface.By Loft Guides将生成的曲线创建出多段闭合的曲线，并由闭合的曲线创建曲面；

6)通过节点Solid.By Joined Surfaces将各个曲面形成的一组面的列表创建模型；

7)根据项目需要通过改变参数自动调整模型；

8)输出到专业软件进行后续工作。

在Dynamo构建桥墩模型前，要先在Revit中新建相应的族文件。在本项目中可选择的族有公制常规模型，也可选择公制结构柱，这2种族类型都适合墩柱结构。由于公制常规模型可智能适应截面变化，这可为后期空间曲面进行网格划分做准备，因此在族类型的选择上优先选择公制常规模型。

2.2 参数化设计建模过程

2.2.1 节点数据处理

将圆端半径、墩底宽、顺桥向墩身宽、距墩底高度处墩身宽、桥墩墩身高、墩顶宽等基础控制数据作为输入端Number，控制墩身尺寸参数并赋予初始尺寸参数值，对尺寸进行参数化赋值。主桥的2个桥墩P1、P2完全相同，且每一个桥墩都是对称结构，设定坐标原点，根据几何关系分别给各点赋予参数化的逻辑关系，并将这些数据关系在Code Block中表示出来，如图3所示。

图3 节点数据处理及参数赋值

2.2.2 建模过程

由前文可知，桥墩墩身是空间异形曲面的实体，而实体的生成由点到线再到面，最后成体。基于成体思想，对组成桥墩的各个曲面分别由点到线最后生成墩身曲面。在创建曲面前，先定义曲面上的关键点，墩底底面有A～F 六个关键点，墩顶顶面有10个关键点，侧曲面上有6个关键点，并将墩底底面设定坐标原点A，向上为Z轴，根据右手螺旋定则，中指指向为Y轴正方向。曲面上各点的定义如图4所示。

1)第一曲面—墩底底面建模

建模前，定义基准特征,如图4所示。墩身底面是由2个半圆和一个长方形组成。通过节点Point.By Coordinates得到墩底底面A～F 六个关键点，其中A、F、E三点和B、C、D三点通过节点Arc.By Three Points创建圆弧，A、B点和D、E点通过节点Line.By Start Point End Point得到2条直线，共4条曲线，如图5(a)所示。对生成的4条曲线利用节点List Create创建包含4条曲线的一组列表，再通过Poly Curve.By Joined Curves将4条曲线生成一个闭合的多线段，最后将闭合的多段线通过节点Surface.By Patch生成曲面，即墩底底面，如图5(b)所示。

(a)墩底底面

(a)曲线创建过程

2)第二曲面—墩顶顶面建模

第二曲面的创建是以第一曲面为基础。第一个曲面的6个关键点通过节点Geometry.Translate沿着Z轴进行平移，平移距离为墩身的高度，得到墩顶对应的6个关键点A′～F′；利用节点Curve.Point At Parameter分别获取线段A′B′和D′E′的中点G和H，再通过节点Geometry.Translate分别向Y轴的负、正方向平移200个单位，得到点G′和点H′。由此共得到8个墩顶关键点A′～H′。与第一曲面不同的是8个关键点所生成的曲线都是弧线，只需要利用节点Arc.By Three Points生成弧线即可。最后依次通过节点List Create、Poly Curve.By Joined Curves和Surface.By Patch生成第二曲面，即墩顶顶面，如图6所示。

图6 第二曲面—墩顶顶面的生成

同理，余下几个面都是以桥墩墩身上下2个面为基础，通过已确定的点、曲线等关系，利用相应的节点创建组列表并生成对应的曲面，进而完成对整个墩身各个曲面的创建，如图7所示。

图7 桥墩墩身立面

2.2.3 建模中的脚本编写

Dynamo可视化编程软件参数化建模也可通过Design Script脚本进行模型创建。Design Script是一个简洁可读的语言，而Code Block是Design Script在Dynamo中的运行窗口，可动态链接到一个可视化编程环境与基于文本的环境。在Code Block可直接编写Design Script代码，通过编写Design Script脚本可实现节点与文本之间的相互转换，进而验证通过节点创建模型结果的可行性。下面是利用脚本具体创建模型的过程，其编写脚本的建模流程如下。

1)参数化赋值

根据桥墩墩身的结构设计特点，由几何关系对墩身尺寸赋予参数，对节点数据进行处理并赋予参数化的值，将其写入Code Block中，如图3所示，其参数化的几何尺寸数据如下：

l1_1;

l1_2=l1_1-640;

l1_3;

h2;

l2_1;

l2_2=l2_1-640;

l2_3=l1_3;

h3;

l3_1;

l3_2=l3_1-640;

l3_3=l1_3;

l3_4=l3_3+400;

h4=h3-500。

2)编写代码创建模型

第一曲面—墩底底面通过编写脚本创建的过程如下，新创建一个Code Block节点用于编写代码创建模型,其流程如图5所示。

p1_1=Point.ByCoordinates(-l1_2/2,-l1_3/2,0);

p1_2=Point.ByCoordinates(l1_2/2,-l1_3/2,0);

p1_3=Point.ByCoordinates(l1_1/2,0,0);

p1_4=Point.ByCoordinates(l1_2/2,l1_3/2,0);

p1_5=Point.ByCoordinates(-l1_2/2,l1_3/2,0);

p1_6=Point.ByCoordinates(-l1_1/2,0,0);

c1_1=Line.ByStartPointEndPoint(p1_1,p1_2);

c1_2=Arc.ByThreePoints(p1_2,p1_3,p1_4);

c1_3=Line.ByStartPointEndPoint(p1_4,p1_5);

c1_4=Arc.ByThreePoints(p1_5,p1_6,p1_1);

list1_1=[c1_1,c1_2,c1_3,c1_4];

polycurve1_1=PolyCurve.ByJoinedCurves(list1_1);

surf1_1=Surface.ByPatch(polycurve1_1)。

脚本中P1_1～P1_6表示墩底底面的6个关键点A～F,C1_1和C1_3表示直线AB和DE，C1_2和C1_4表示弧线AFE和BCD。通过List将2条直线和2条曲线创建一组列表，即list1_1=[c1_1,c1_2,c1_3,c1_4]；利用Poly Curve创建多段闭合曲线，即poly curve1_1=Poly Curve.By Joined Curves(list1_1);最后通过surf1_1=Surface.By Patch(poly curve1_1)创建墩底底面，并利用Watch3D进行查看验证，如图8(a)所示。

其余曲面的形成均可用Design Script脚本表示出来，原理同可视化编程节点，最后将所有的Surfaces进行整合，即[surf1_1,surf3_1,surfv_1_1,surfv_1_2,surfv_2_1,surfv_2_2,surfv_3_1,surfv_3_2,surfv_4_1,surfv_4_2]，初步得到桥墩模型，如图6、图7所示，并用Watch3D查看，如图8(b)所示。

(a)墩底底面

由于桥墩内部采用椭圆形挖空，在Dynamo中对其进行参数化赋值，通过节点Ellipse.By Origin Vectors创建椭圆，节点Surface.By Patch形成闭合曲线，并通过节点Surface.Thicken对椭圆进行加厚得到椭圆实体。最后将椭圆实体与初步得到的墩身模型通过节点Solid.Difference进行剪切，将两实体切割分开，通过Export To SAT导出所需的实体模型到文件路径中。对于创建完成的桥墩墩身模型，可通过Revit查看模型的三维视图和各个立面图等是否满足设计要求，若不满足要求可通过调整相应参数修改模型，参数调整输入与模型联动，通过设置滑条或其他类型输入窗口进行大范围参数输入，所变即所见，大大提升工作效率。

2.3 建模成果分析

对于异形构件桥墩，基于Dynamo平台采用参数化的建模思想完成了模型的创建。

1)基于Dynamo参数化建模，设置构件参数，通过连接相应的节点完成模型的创建，并通过修改构件参数修改模型，完成设计要求。建模过程直观、易懂且逻辑性强，适用于编程基础较弱的工程设计人员。

2)基于Dynamo可视化编程节点，对构件尺寸进行数据处理，通过对节点进行脚本的编写完成对模型的创建，体现出Dynamo通过编写程序创建模型的优点。

3)基于Dynamo平台创建结构模型，最终以.dyn 文件格式保存，后期对模型的修改，只需要打开相应的.dyn文件，修改对应参数，或在结构视图中设置参数输入方式进行联动微调，Dynamo可快速更新修改设计，并驱动Revit生成新的模型，无需重复建模或对模型进行较大的改动，即可达到对模型修改的设计效果，对模型在设计方案阶段不断调整更新非常适用。

3 结论与建议

本文以曾家岩嘉陵江大桥工程为依托，基于桥梁工程中异形构件建模难的问题，提出了参数化的建模思想，实现了异形构件模型的创建，提高了模型的精度和深度，为设计阶段利用BIM技术深化施工图设计奠定基础，主要认识如下：

1)以桥墩墩身设计尺寸为基础，根据几何关联关系分别对各点具体赋予参数信息，并通过Code lock将这些参数作为输入端控制各个曲面的形成，最终根据项目需求通过修改输入端的相关参数调整模型，直到符合工程设计要求即可，不需重复建模，可通过少量的工作量制作出复杂空间曲面模型，极大丰富了造型设计能力，设计控制精度得到较大提升，节省了人力和时间，提升了工作效率。

2)基于Dynamo参数化创建桥墩三维模型可满足初步设计的要求，但对后期施工设计阶段的精细化设计仍存在较大的差距，如桥墩钢筋精细化设计，需要根据专业需求进一步进行归纳和总结，找出其中的参数关联关系，通过不停的探索和实践，最终实现异形构件参数化高精度设计。