基于Dynamo 的變截面連續(xù)梁橋BIM 建模方法研究

王 欣， 田石柱

（蘇州科技大學 土木工程學院， 江蘇 蘇州215011）

橋梁工程是土木工程項目開發(fā)中的基礎(chǔ)設(shè)施，在建筑領(lǐng)域中占據(jù)重要地位[1]，越來越多地出現(xiàn)在我國城市橋梁建設(shè)中。 箱梁結(jié)構(gòu)經(jīng)濟適用、受力性能好，外觀線型流暢、美觀，從而實際工程中多采用連續(xù)箱梁橋。當下，智能城市的呼聲越來越高，通過BIM 技術(shù)，建立可靠的變截面連續(xù)梁橋模型[2]，不僅能夠提高橋梁設(shè)計的效率及質(zhì)量，也能節(jié)約工程資金、保障施工周期，有助于實現(xiàn)橋梁工程的創(chuàng)新性及進步性[3]，同時日新月異的技術(shù)也推動了BIM 在橋梁行業(yè)中各工程階段的價值實現(xiàn)[4]。 本文主要針對變截面連續(xù)箱梁橋建模過程中存在的問題進行研究。

現(xiàn)有的橋梁BIM 建模主要采用手動方式逐一拼接梁塊構(gòu)成橋梁模型的方法，這種建模方法主要適用于小跨徑或是一些簡單構(gòu)造的等截面連續(xù)梁橋。 將該方法用于大跨徑變截面連續(xù)箱梁橋設(shè)計則實用性降低，考慮到所建橋梁沿著道路中心線呈空間曲線[5]，需要逐一在梁塊兩端設(shè)置不同的梁高做成該曲線；通過手動修改每一個梁塊兩端截面參數(shù)用以反應細部構(gòu)造差異，再依據(jù)標高軸網(wǎng)拼接下部結(jié)構(gòu)，只是通過手動逐一添加的方式，在橋梁橋跨長度大、空間線形變化復雜[6]的情況下工作過于繁瑣。 此外，足夠數(shù)量的參數(shù)化橋梁族構(gòu)件是建立BIM 模型的重要前提，對此各企業(yè)均投入大量精力建立個體族庫，但是企業(yè)間缺乏交流、共享，容易導致行業(yè)族標準不統(tǒng)一，不同專業(yè)族構(gòu)件拼接困難，不利于橋梁BIM 技術(shù)推廣與發(fā)展。

本文以蘇州木瀆鎮(zhèn)核心區(qū)姑蘇大橋項目為例，采用拓撲原理參數(shù)化控制梁截面輪廓族點圖元位置，進行連續(xù)梁截面的平面圖形繪制，并基于繪制的箱梁輪廓族在Dynamo 中建立變截面連續(xù)箱梁橋BIM 模型。

1 Revit 與Dynamo 的BIM 應用

1.1 Revit 的BIM 應用

在BIM 設(shè)計軟件中,與CAD 同屬于歐特克公司的Revit 具有龐大的用戶數(shù)量，其整合旗下產(chǎn)品線,讓各個軟件能夠優(yōu)勢互補、各展所長，支持完整的設(shè)計生命周期，幫助用戶高效地完成設(shè)計，并最終達到雙贏[7]。

Revit 軟件主要面向的是房屋建筑工程，提供了三種族構(gòu)件模板：一是標準構(gòu)件族庫，為內(nèi)置模板，包含了門窗柱梁墻等；二是自定義模板；三為面向復雜形體的概念體量模板。 對于橋梁工程，Revit 缺乏內(nèi)置標準族，需要用戶自定義參數(shù)化族構(gòu)件，用以項目重復使用。 參數(shù)化族的優(yōu)點是在建立橋梁BIM 項目時，可以直接從族庫中調(diào)用參數(shù)化構(gòu)件，根據(jù)設(shè)計思路，受力需要調(diào)整族參數(shù)及族構(gòu)件位置，通過這種方式大大減少建模的時間，提高建模的準確度，并且以統(tǒng)一標準建立的族庫，部門之間協(xié)調(diào)性也大大增強。 參數(shù)化族的另一優(yōu)點在于便于修改，將統(tǒng)一類別的族構(gòu)件存入族庫，在遇到族庫中沒有但卻是相似的族構(gòu)件時，只需將它稍加修改即可，很大程度地降低了重復操作的工作量。

1.2 Dynamo 的BIM 應用

Dynamo 是參數(shù)化建筑設(shè)計軟件中的一種高效的計算機輔助設(shè)計工具，起初是基于Autodesk Revit 信息管理平臺的開源式插件[8]，現(xiàn)階段已正式納入Revit 版本自帶的工具模塊。 它提供了可視化的編程平臺，支持數(shù)據(jù)計算及圖元建模，具有門檻低、調(diào)試方便、直觀便捷的特點。 Dynamo 具有良好的空間點、線捕捉能力，對于復雜橋梁結(jié)構(gòu)體系，可以根據(jù)處理后的點線幾何信息，驅(qū)動可視化編程程序，對Revit 導入的族構(gòu)件參數(shù)賦值修改，并在相應的空間位置上生成橋梁BIM 模型。

2 變截面連續(xù)箱梁橋的Dynamo 建模設(shè)計方法

2.1 建立點圖元梁截面輪廓族

拓撲關(guān)系（Topological Relation），是圖形學中的常用概念，本質(zhì)上是把各種圖形抽象簡化為各個點之間的關(guān)系。 比如正方形、梯形、四邊形、菱形等等，盡管在形狀上有很多不同，但是在拓撲視角上來看，這些圖形都滿足依次使點連接成環(huán)的關(guān)系，屬于拓撲等價。

因為同一座橋梁的梁截面具有可復制性， 看似差異巨大的不同截面可以轉(zhuǎn)化為拓撲等價的點圖元輪廓。 根據(jù)截面類型確定截面控制點圖元數(shù)量，依次放置點圖元，通過不同參照平面關(guān)聯(lián)尺寸標簽約束點圖元位置。如圖1 所示，在建立尺寸約束時選取一個平行于基準X 軸的參照平面，將每一個點到參照平面的豎直距離設(shè)置為參數(shù)h，結(jié)合參數(shù)標簽約束相鄰圖元橫向距離，由參數(shù)i 用來設(shè)置橫坡。 用參照線依次連接這些點，作為每一條線段的起點與終點。 這里每一個點只需要考慮其上一個點的位置與下一個相連點的位置，在這種方式下，達成可參數(shù)化控制的梁截面輪廓族的創(chuàng)建。

2.2 Dynamo 建模節(jié)點原理及架構(gòu)

（1）整理數(shù)據(jù)表格。 如圖2 所示，采用Civil 3D 軟件導出道路中心線數(shù)據(jù)，同時根據(jù)設(shè)計信息，將橋梁模型按照設(shè)計圖紙精度劃分為有限個梁段，將梁截面尺寸數(shù)據(jù)在EXCEL 中整理成表。

（2）擬合橋梁道路中心線。 采用“Data.ImportExcel”節(jié)點，導入數(shù)據(jù)表格中的道路中心線數(shù)據(jù)， “Point.ByCoordinates”生成中心線上所有坐標點（x，y，z）坐標，“NurbsCurve.ByPoints”節(jié)點將坐標點連接成樣條曲線。

（3）創(chuàng)建各截面坐標系。 截面輪廓由兩條初始的參照平面定位族的基準位置，在導入Dynamo 中之后，兩條參照平面作轉(zhuǎn)化為局部坐標系的X 軸與Y 軸，因此在每一個梁截面位置應建立局部坐標系。 方法是采用Curve.ParameterAtPoint、 Curve.TangentAtParameter 節(jié)點，得出沿橋路線中心線上對應位置切向量，采用Plane.ByOriginNormalXAxis、Plane.ToCoordinateSystem、CoordinateSystem.Rotate 節(jié)點創(chuàng)建定向平面坐標系。

（4）布置放樣輪廓族。使用Family Types、FamilyInstance.ByPoint 節(jié)點，將Revit 項目文件中輪廓族文件載入Dynamo，并布置于各樁號位置處坐標系上。 使用List.GetItemAtIndex 節(jié)點獲取梁截面數(shù)據(jù)，再由Element.SetParameterByName 實現(xiàn)參數(shù)修改。 不同項目中，需要修改的參數(shù)名稱數(shù)目各不相同，因此本文調(diào)用Python Script 節(jié)點二次開發(fā)，目標代碼可以遍歷參數(shù)表格，自動獲取對應構(gòu)件尺寸數(shù)據(jù)，批量賦值族參數(shù)。 節(jié)點代碼如下：

import clr

clr.AddReference("ProtoGeometry")

from Autodesk.DesignScript.Geometry import *

圖1 點圖元梁輪廓族（單位：mm）

圖2 參數(shù)化建模數(shù)據(jù)表格圖

clr.AddReference("RevitAPI")

clr.AddReference("RevitAPIUI")

import Autodesk

from Autodesk.Revit.DB import *

from Autodesk.Revit.UI import *

clr.AddReference("RevitNodes")

import Revit

from Revit.Elements import *

clr.AddReference("DSCoreNodes")

import DSCore

from DSCore import *

# 該節(jié)點的輸入內(nèi)容將存儲為IN 變量中的一個列表。

dataEnteringNode = IN

# 將代碼放在該行下面

ls_m=IN[0]

ls_c=IN[1]

ls_f=IN[2]

ls_o=list()

for m in ls_m:

for f in ls_f:

lsfindex=ls_f.index(f)

lsmindex=ls_m.index(m)

value=ls_c[lsmindex][lsfindex]

lsff=Element.SetParameterByName(f,m,value)

ls_o.append(lsff)

# 將輸出內(nèi)容指定給OUT 變量。

OUT = ls_o

調(diào)用Function.Compose 節(jié)點功能復合Element.Curves、PolyCurve.ByJoinedCurves、Geometry.Transform 三個函數(shù)，將導入Dynamo 中的梁截面輪廓曲線轉(zhuǎn)化為Geometry 圖元，用以支持Dynamo 對圖元計算處理。

（5）實體化Dynamo 圖元。由于Dynamo 僅支持單一閉合曲線之間的放樣，因此需要將內(nèi)外輪廓族分組生成實體。 外輪廓可用直接使用Solid.ByLoft 節(jié)點放樣，內(nèi)輪廓由于變化復雜需要先調(diào)用List.sublists、List.chop節(jié)點完成輪廓分組，然后使用Solid.ByLoft 節(jié)點，完成相鄰輪廓間的放樣。 放樣完成后調(diào)用Solid.DifferenceAll節(jié)點計算內(nèi)外輪廓放樣結(jié)果的布爾差集，實現(xiàn)箱體內(nèi)空心部分建立。 調(diào)用Spring.FamilyInstance.ByGeometry將Dynamo 中的模型導入Revit 生成實例文件。

（6）布置主橋墩。 調(diào)用Curve.PlaneAtSegmentLength、Plane.Normal、Vector.AngleAboutAxis 三個節(jié)點，計算各墩臺對應位置轉(zhuǎn)角，并沿橋梁樁號線方向按照坐標點位置自動化放置橋臺橋墩。

（7）封裝節(jié)點。如圖3 所示，將建模過程中使用的眾多節(jié)點封裝為單個自定義節(jié)點，設(shè)置對應的輸入端與輸出端。 該方法可以提供可視化窗口，增強建模設(shè)計界面條理性，另一優(yōu)點在于可以提供給不懂內(nèi)部代碼的人員使用，有助于BIM 在橋梁工程領(lǐng)域推廣應用。

圖3 Dynamo 變截面連續(xù)梁橋建模節(jié)點

3 工程實例

3.1 項目背景

本文將變截面連續(xù)梁建模方法應用到蘇州木瀆鎮(zhèn)核心區(qū)姑蘇大橋拆除重建工程中， 選擇主橋段 （55+90+55）m 三跨混凝土變截面連續(xù)箱梁段進行建模。 主橋位于直線上，橋面設(shè)計橫坡為單向2%，最大縱坡為3.5%，縱面位于半徑為R=900 m 的凸曲線上，橫斷面為單箱雙室結(jié)構(gòu)，箱梁共兩幅，每幅由單箱雙室箱形截面組成，箱梁根部梁高5.2 m，跨中梁高2.4 m，箱梁頂板寬16.8 m，底板寬11.8 m，翼緣板懸臂長為2.5 m，箱梁梁高及底板厚度從距跨中1 m 處至距主墩中心1.5 m 處按2.0 次拋物線變化。 主橋主墩采用鋼筋混凝土圓端型橋墩，矩形承臺，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。 主墩墩身厚3.5 m，橋墩高度3.5 m，主墩承臺厚3.0 m，平面尺寸為14.0 m×10.0 m，單個承臺樁基為12 根φ1.5 m 的鉆孔灌注樁，樁長70 m。

3.2 采用Revit 建立橋梁構(gòu)件族

（1）箱梁截面輪廓族。本橋中箱梁結(jié)構(gòu)形式為單箱雙室，箱梁橫橋向底板保持水平，控制箱梁中心梁高為設(shè)計梁高，頂板橫坡按道路相關(guān)數(shù)據(jù)調(diào)整，相應調(diào)整兩側(cè)腹板高度。 圖4 為參照主橋箱梁構(gòu)造圖對應得到的箱梁BIM 輪廓族，圖中五種截面輪廓均由一個箱梁輪廓族修改參數(shù)建成。

（2）橋墩基礎(chǔ)族。 采用公制常規(guī)模型族構(gòu)件，選定工作平面繪制二維圖形輪廓，使用拉伸命令構(gòu)建橋墩、承臺、樁基礎(chǔ)族，并嵌套為一個主墩基礎(chǔ)族，圖5 所示為橋墩二維構(gòu)造圖及橋墩BIM 模型族。

圖4 參數(shù)化箱梁輪廓族

圖5 主墩圖紙及BIM 族（單位：mm）

3.3 完成整體橋梁模型

生成橋體模型見圖6。 橋梁上部結(jié)構(gòu)由高精度梁截面輪廓族分組放樣構(gòu)成，快速準確地反應工程參數(shù)。

3.4 模型細部構(gòu)造

采用Dynamo 建立變截面連續(xù)梁橋模型，可以用更高的精度進行設(shè)計，設(shè)計出的橋梁模型能在一定層面上反應細部構(gòu)造，可以直接導出施工圖紙，進行施工模擬等。 如圖7 所示為橋梁BIM 模型三維視圖，圖中頂部良好地反應了箱梁內(nèi)部構(gòu)造。采用Dynamo 建立的全橋雙幅BIM 模型精度較高，其模型體積能較好地吻合設(shè)計圖紙工程量統(tǒng)計（單幅7 376.4×2=14 752.8 m3），如圖8 所示。

圖6 姑蘇大橋主橋段BIM 模型

圖7 姑蘇大橋模型三維視圖

圖8 材料統(tǒng)計圖紙與BIM 模型屬性

3.5 箱梁鋼筋模型

箱梁鋼筋主要分為兩種，一是用于增強箱梁整體性，承受橫向彎矩的橫向預應力束，可以在梁截面用Revit 自帶鋼筋族布置；二是存在于箱梁縱向的不同功能要求的預應力鋼筋，這一類預應力鋼筋由于數(shù)量多，構(gòu)造復雜，故布置這類鋼筋存在較大難度。 目前主要有兩種解決辦法：其一是分梁塊布置預應力鋼筋，需要處理好相鄰梁塊鋼筋接頭位置；其二在連續(xù)梁每一個控制截面處用參照平面線確定鋼筋布置點，并制作自適應預應力鋼束族，自適應預應力鋼束族的自適應點的數(shù)量等同計算截面的數(shù)量，最后在梁體模型中依據(jù)自適應點載入預應力鋼束族。 鋼筋模型如圖9 所示。

3.6 模型明細表

采用高精度的BIM 設(shè)計模型，可以對工程量實現(xiàn)更加精準的預算。如圖10 所示，通過Revit 明細表功能，可以統(tǒng)計出橋墩混凝土材料用量及箱梁鋼筋用量。在大跨徑橋梁中，由于更多的計算由計算機完成，便于校核直接生成項目成本，為業(yè)主控制成本提供了方便[9]。

圖9 箱梁鋼筋模型

圖10 明細表材料統(tǒng)計

4 結(jié)論

本文研究了變截面連續(xù)箱梁橋BIM 建模設(shè)計方法， 采用Dynamo 驅(qū)動Revit 點圖元構(gòu)建而成的箱梁截面輪廓族，結(jié)合參數(shù)修改、分組、放樣、空心剪切等功能，建立變截面連續(xù)箱梁橋BIM 模型。 以姑蘇大橋項目為例，采用該方法建立的BIM 模型從精度上滿足設(shè)計要求，提高了設(shè)計質(zhì)量，同時有助于工程量預算及橋梁工程產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，也豐富了可修改可重復使用的橋梁BIM 族庫。 研究結(jié)果表明，該建模方法值得在變截面連續(xù)箱梁橋BIM 建模設(shè)計中進一步推廣、應用。