基于BIM的常规桥梁正向设计辅助系统开发

杨体旺,肖春红,罗吉忠

(四川省交通勘察设计研究院有限公司 BIM研发中心,四川 成都 610000)

0 引 言

桥梁是公路的枢纽，预应力混凝土简支梁因其构造简单、预制化程度高与施工便利在项目桥梁设计长度中占比达90%以上，属于公路上常规桥梁的类型[1].在传统桥梁设计时，设计人员通过综合分析地形、地质、路线等信息，将多个设计方案进行比选，并不断优化设计，存在效率较低、修改方案费时费力等缺陷[2-3].

针对传统设计中存在的问题和BIM软件难以用于正向设计的缺点，本研究基于BIM核心建模软件Revit,结合二次开发技术和微软用户界面框架(WPF)，开发出常规桥梁正向设计辅助系统.本系统充分利用现有信息，如纬地数据、三维地形、地质钻孔等，帮助工程师在三维交互模型下完成常规桥梁的一体化设计[4]，并能通过参数修改不断优化方案，从而提高设计效率和工程质量.

1 系统的研发思路与基本框架

常规桥梁正向设计辅助系统服务于桥梁设计的全过程，主要为辅助工程师完成设计任务.系统需要考虑传统设计人员的设计习惯，充分利用被广泛使用的通用图，使设计人员尽可能少地填写参数就能初步完成可行的桥梁方案设计.整个设计过程实质上就是信息模型建立的过程[5-7]，具体通过界面交互实现信息的提取，编写后台逻辑以实现信息的交互和桥梁数据的生成，调用Revit二次开发接口实现三维模型的创建.

根据常规桥梁的传统设计习惯，系统由项目信息、通用图、GIS数据、路线数据、桥梁信息及BIM三维模型六大模块组成.设计人员首先根据项目信息模块、通用图模块、GIS数据模块和路线数据模块共同完成项目文件的创建，然后创建对应的桥梁基本信息，并生成桥表.根据桥梁基本数据由软件后台的逻辑算法初步计算整个桥梁的所有数据，并以一种格式(JSON文件)储存起来，再根据储存的JSON文件创建出三维的桥梁模型和三维地形模型.设计人员可根据实际情况进行人工修改，得到最终模型，模块组成和数据流转如图1所示.

图1 模块组成和数据流程图

2 系统的模块组成与实现

2.1 工程信息模块

工程信息模块的作用是辅助设计人员通过界面交互的方式输入工程的基本信息和设计原则等，用户交互的功能由新建工程、打开工程和工程配置3个界面配合完成，设计人员可以进行工程的新建、管理、工程信息和设计控制原则的配置等，如下图2所示.

图2 工程信息模块界面示意图

2.2 通用图模块

通用图是广大桥梁设计人员智慧的结晶，是设计经验的总结与提炼，具有较高的可靠度与适用性[6].本研究综合考虑桥梁工程的WBS、EBS分解需求，对通用图进行归纳总结、构件分解、知识提取以及参数表达，形成标准化、参数化的构件族库，使设计人员尽可能少地填写参数便能完成模型创建，并通过参数驱动模型修改，实现方案的不断迭代，优化设计.

通用图模块是通过微软的SQL Server数据库配合前端界面对Revit构件进行组织与管理，实现构件的增、删、改、查等操作.本系统使用的常规桥梁构件如图3所示.

图3 常规桥梁构件示意图

2.3 GIS数据模块

桥梁设计需要考虑地形地貌、地质条件等因素，GIS数据模块是对地理数据的整合，此模块支持三维点云数据和钻孔数据的录入.

Revit软件具有创建地形的功能，通过二次开发调用ReivtAPI中的Topography Surface接口，对三维点云数据进行处理，创建三维地形，如图4所示.根据创建好的三维地形，利用KD Tree算法可以实现任意桩号和偏移距离处的地面高程的计算，配合钻孔资料便可以进行桥梁墩桩形式的选取和墩桩高度设定.

图4 三维地形创建示意图

2.4 路线数据模块

路线数据是桥梁设计的基础，纬地软件是目前国内道路设计的主流软件，本模块的作用主要是解析、编译纬地数据并转化为桥梁设计所需要的结构化数据.路线数据模块的界面如图5所示，设计人员可以通过桩号查询并调整路线信息的平曲线、纵断面、桥面宽度、超高以及横坡等数据.

图5 路线数据模块界面示意图

2.5 桥梁信息模块

桥梁信息模块的作用主要是方便设计人员填写桥梁的基本设计参数和上下部结构类型，界面如图6所示，此界面支持同时管理多个桥梁信息，并可生成桥表.

图6 桥梁信息模块界面示意图

2.6 BIM三维模型模块

在所有与桥梁设计有关的基本资料和参数准备完毕后，系统采用C#语言编写后台逻辑和采用相应算法开展几何计算，获取建模所需要的信息.通过桥梁起终点桩号和跨径组合，解析纬地数据计算每跨跨径线处路线定位点、横坡、路面宽度和方向向量等.利用路面宽度和上部结构类型进行布梁，得到每跨每片梁的首尾夹角、梁长和悬臂宽度.通过梁片定位推导盖梁定位点，配合GIS模块数据确定下部结构尺寸、桩基定位.

系统采用JSON格式储存所有的计算结果.JSON(JavaScript Object Notation)是一种被广泛应用于数据交换和传输的轻量级文本语言，以键值对的方式储存数据，易于读写和计算机解析与生成.JSON文件设计如图7所示，具体由节点群和关系群两大模块组成.节点群包含桥梁所有构件的信息，关系群存储了桥梁的结构关系.

图7 JSON文件设计结构图

BIM三维模型的创建是调用构件库中的模板执行批量实例化装配成全桥总体模型的过程.解析上述模块中生成的JSON文件，将相应信息作为模板创建的输入条件，通过二次开发调用RevitAPI中的NewFamilyInstance方法生成全桥模型，并通过WPF的TreeView控件创建模型的树形结构，与模型构件一一映射.设计人员可以通过预览模型，检查桥型布置、桩基定位和构件参数等信息，做到实时修改、实时查看，为方案优化提供便利.

3 验 证

本研究依托G4216线宁南至攀枝花段高速公路项目，选取K411+090大龙村2#右线大桥作为案例进行系统可行性验证.

根据操作向导将纬地数据、三维地形、钻孔数据、桥梁信息(如起终点桩号、跨径组合)等作为输入项，通过系统逻辑智能计算出相应参数并快速创建三维模型，其模型图如图8所示.

图8 具有树状结构的三维模型展示图

将系统设计成果与原设计图纸相比较，其上部结构梁片布置、计算梁长、首尾夹角和悬臂长度基本一致(误差不超过1 mm)；下部结构中，墩台选型、系梁数量、构造尺寸一致，墩桩长度因地形差异有微小出入(原设计采用的是纬地绘制的横断面、系统采用点云数据)，高低墩的设计也因设计人员的主观判断产生差异.结果表明，本系统具有较强的适用性和工程可行性.

4 结 语

本研究依据常规桥梁的设计流程，基于BIM技术，结合WPF框架和Revit二次开发技术，对常规桥梁的正向设计辅助系统进行研发.通过对通用图的知识提取、参数表达，形成了完整的企业级标准构件库.通过对GIS数据和路线数据的解析与编译，打通了不同专业间的数据壁垒，实现了数据的无损交互.通过对Revit的二次开发应用，实现了模型的快速创建与模型树创建.

本研究系统开发了项目信息、通用图、GIS数据、路线数据、桥梁信息以及BIM三维模型等6大模块，以内置梁片布置、墩台布置等桥梁正向设计原则和KD Tree等算法作为程序的内在逻辑层，辅助设计人员通过参数驱动完成桥梁设计，并提供三维模型与地形的实现展示，同时提供实时更新功能以便设计人员修改方案、完成优化.

常规桥梁正向设计辅助系统的开发弥补了常规设计软件和BIM软件的不足，实现了不同专业数据的融合，有利于推动桥梁二维设计到三维设计的转变，对其他桥梁设计软件有一定的借鉴意义.