二次开发构建预制T梁高精度BIM模型研究与应用

2021-05-08傅霆，乔科，汪军

公路交通技术 2021年2期

傅霆，乔科，汪军

(四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，成都 610041)

近年来，BIM技术在交通基础设施领域广泛应用，涵盖隧道、桥梁、道路等多个专业，并结合可视化、VR、编码技术和施工管理、运用维护业务平台，呈现出蓬勃发展的势头[1-2]。其中，建模一直处于BIM技术的核心地位，BIM 技术的应用都是基于 BIM 模型展开的，BIM 模型必须满足一定的精度要求，BIM 技术的应用才能开展。BIM 模型是集成、传递和共享具有 BIM 技术特征的信息载体，模型的精细程度往往决定了BIM技术的应用范围[3]。

目前，主流 BIM 核心建模软件[4-5]大多数都是针对建筑工程，针对桥梁领域的 BIM 核心建模软件匮乏，加之桥梁结构复杂、构件曲面变化多样，所以桥梁 BIM 模型构建起来比较困难[6]、模型精度达不到工程设计要求。桥梁BIM的长远目标是要实现BIM模型的三维正向设计，当前有一些应用BIM技术进行桥梁隧道正向设计的尝试[7-8]，但如果模型精度达不到工程设计要求，三维模型就不能呈现真实设计信息，从而难以用于直接指导工程建设，为此必须研究提高模型精度的方法。

1 数据驱动与参数化设计

参数化建模是一个重要的提高建模效率的方法[9]，它是在建立丰富的桥梁 BIM 构件资源库后，通过调整构件参数，建模人员便可像“搭积木”一样进行桥梁 BIM 模型的创建。为了提高参数输入效率，柳龙[10]应用 Dynamo 与 Revit 交互，沙名钦[3]应用Revit二次开发手段，利用数据文档来实现参数数据输入，减少了手动建模的工作量，实现桥梁 BIM 模型的快速、准确创建。上述2种方法都是应用软件开发手段来提高建模的效率和精度，但均需要人工建立参数文档，模型精度受个体行为影响而难以得到保障。

公路工程中，受地形、线型、横坡、纵坡等因素影响，结构参数相同的桥梁构件在不同位置的三维模型变化很大，这是公路工程BIM与建筑业的主要区别和难点[11]。以预制T梁为例，道路设计线一般为曲线，道路的横坡也在变化，真实T梁的长度和端头形状都在不断变化，面对成百上千的T梁，如果需要输入每一片梁的参数，参数化设计也是难以完成的任务。因此，参数化设计难以实现高精度桥梁构件建模，除非参数的计算和输入也是自动完成。为此，提出设计数据驱动的概念来实现真实建模，其构想为：所有设计约束和设计逻辑都由软件完成实现，当输入设计数据后，直接得到桥梁模型，形成“设计数据驱动-程序控制-自动构建模型”的软件开发思路。与数据驱动[12]相比，设计数据驱动的概念更强调要从设计出发，目标是面向设计数据的正向设计。

以下几个因素促使笔者提出上述“设计数据驱动”的建模构想：

1) 如果要达到满足工程实际需要的精度要求，人工的方法实现桥梁构件几乎是不可能的。

2) 主流建模软件都提供了空间几何构造(拉伸、合并、切割)、定位、方向控制等接口，为桥梁构件的二次开发实现提供了必要的工具。

3) 程序实现工程设计约束要素，完成设计逻辑，模型由软件自动完成，必定会提高设计效率，消除人为误差，是设计行业发展的方向。

装配式T型桥梁是桥梁结构中使用最为普遍的结构形式，其优点是制造简单、整体性好[13]。为了编制T梁的BIM模型辅助软件，选用在土木行业应用较广的Bentley 平台[14]，用“设计数据驱动-程序控制-自动构建模型”的构思进行二次开发，实现了自动高效地创建高精度的T梁模型。以下主要介绍二次开发的主要界面、原理和程序模块。

2 数据驱动实现高精度T型桥梁的BIM模型

T梁构建软件基于Bentley MicroStation CE平台，采用Visual Studio 2015和.NET框架，应用托管C++语言[15]进行二次开发，软件采用窗体界面进行数据交互，使用方便。程序设计考虑了T型桥梁的各种约束，包括横坡、桥梁设计线、桥梁中心线与设计中心线的偏距，设计高程参照点与设计中心线高程点的偏差，桥梁各部分立面布置等因素，实现了T型桥梁主要构件的三维模型，包括路基路面、护栏、T梁、湿接板、盖梁、垫石和圆柱墩。

按照桥梁实际形状自动构建BIM模型，是程序设计的主要目标。模型的构建受T梁设计参数的控制，也受项目环境的数据控制，比如横坡。当横坡发生变化后，每一跨T梁随之变化，控制起来更加复杂，但模型精度更准确；T梁的放置完全按照设计需求，由项目环境因素控制，保障模型精确定位；按照设计要求，软件自动对模型精确定位并切割修整，实现高精度T梁模型。

T梁参数设计数据都可存储，以便下次应用。程序是通过对设计数据的描述来存储或调用专业设计数据，相对于利用文件名称调用，这种调用方法参照的有效信息更多，应用更加方便。

2.1 数据输入

数据输入的界面都是按照窗体风格设计，操作方便。

2.1.1 桥梁项目数据输入与控制

在如图1所示的窗体界面上，输入桥梁设计线、桥梁与设计线的相对位置、墩间距、盖梁纵坡、桥梁在立面布置信息等。确定桥墩、T梁、桥台、立柱等构件在设计线上的位置和立面布置信息。

图1 桥梁项目数据输入界面

2.1.2 T梁数据输入、控制与存储

在如图2所示的窗体界面上，在“T梁参数列表”和 “横隔板位置列表”处分别输入T梁横断面、纵断面、横隔板宽度以及整跨相关的参数。“T梁参数描述”列表中显示已有的设计样式，“添加新数据”和“删除当前数据”按钮，用于T梁设计样式的存储和删除操作，实现T梁设计数据的编辑和管理功能。

T梁纵坡列表中有3类参数： T梁纵坡、支座位置盖梁纵坡、T梁端头伸缩缝类型(80型和160型)。

图2 T梁数据输入与控制界面

2.2 T梁构建的流程和方法

T梁构建主要包括T梁构建模块、T梁放置模块、T梁切割模块3个部分。

2.2.1 T梁构建模块

T梁构建是软件编制的主要工作之一，主要原理和流程介绍如下：

1) 构建T梁端头和中段的横断面。基本原理如图3(a)所示，以0点为坐标原点，按照T梁的输入参数和横坡值依次计算14个节点位置，按照倒角要求修改点4、点7、点8、点11，并插入倒角点，然后将这些节点构成线串，从而创建出横断面的形状。

2) 构建T梁模型。按照设计数据，将端部和中段的T梁横断面依次放样，然后合成T梁模型，如图3(b)中T梁透视图。

3) 按设计数据，构建T梁横隔板，并合并到T梁模型中，得到完整的T梁。

4) 按照设计数据，构建湿接板的单侧纵断面，并保持纵断面的位置在T梁的边缘，如图3(b)中湿接板透视图。

由于T梁的梁长和端头形状受到布设位置影响而变化，为了适应这种情况，T梁和湿接板构建时都做一定的延长，边梁的翼缘板也做一定的加宽，以便后期切割加工得到满足设计要求的T梁。

2.2.2 T梁放置模块

为保证设计精度，布设梁时严格按照设计要求布置，梁长变化采用调整横隔板至梁端的长度实现，保证梁端至支座中心线的距离不变。根据这个条件，T梁放置的位置和方向按如下过程确定：

同样的方式放置T梁关联的湿接板纵断面，再利用2个相邻的纵断面合成湿接板模型。

2.2.3 T梁切割处理

T梁切割处理主要有2个工作：切割出伸缩缝和切割边梁的翼缘板。切割的方向和角度都要严格按照设计规定执行，保证加工出来的T梁尺寸符合设计精度。

1) 切割出伸缩缝，得到T梁和湿接板端头的样式。在设计基点位置按照伸缩缝类型进行切割，切割的方向和角度由设计基点的法线方向和梁布置线的垂直方向决定。80型和160型2种伸缩缝形式，分别指的是保持T梁到桥墩中心线间距为3 cm和6 cm，160型的T梁顶板端头位置切割前需加厚。

2) 边梁的翼缘板，按照道路边线形状进行切割，以满足曲线桥对边缘的要求。

2.3 其他

整套软件可自动加工T型桥梁的所有主要构件，包括盖梁、桥台、垫石、圆形墩、系梁等，但未能涵盖这些构件的所有样式，本文不再详细介绍，软件构建出完整的T梁桥梁模型如图4所示。

3 预制T梁三维模型测试

数据驱动的数据包括项目数据和T梁构件的横断面、纵断面数据。不同于参数化建模，桥梁构件按照设计的横断面、纵断面合成，然后放到项目环境中，完全按照设计参数、路线变化和横坡要求，由程序进行切割修正，其精度必定是符合设计要求的。因此，数据驱动的特点和优势在于模型完全由项目数据和设计参数进行自动构建，消除人为误差，模型精确且自动化程度高。

图4 完整T梁桥梁BIM模型

T梁模型仿真的结果如图5所示。其中图5(a)显示了横坡为2.5%的T梁布设在两端横坡为 -7%和12%的2个基点上，在这种极端条件下，湿接板和T梁连接出现严重波动，显示软件实现T梁的布置精确，适应极端数据要求；图5(b)和图5(c)显示80型和160型2种伸缩缝，显示出T梁模型的伸缩缝完全达到设计要求；图5(d)和图5(e)展示曲线桥布置是T梁端头长和梁长在曲线位置的变化，显示出曲线桥边梁翼缘板的形状，均完全适应设计要求；图5(g)显示连续曲线桥的T梁布置展示。

模型测试显示，T梁模型的制作过程高度智能，适应数据的能力强，模型准确，细节部分与设计吻合，实现了预制T梁高精度BIM模型的快速制作。