基于ACIS的懸索橋工程BIM建模研究

唐清東， 李帥帥， 陳飛宇

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

基于ACIS的懸索橋工程BIM建模研究

唐清東， 李帥帥， 陳飛宇

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

橋梁信息模型不僅要包含橋梁結(jié)構(gòu)的幾何信息，還應集成非幾何屬性信息，以滿足在橋梁工程項目全壽命周期中，設計、施工、運維管理等不同專業(yè)技術(shù)人員對橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸信息以及結(jié)構(gòu)受力信息、施工控制信息、施工監(jiān)測信息、施工方案信息等非幾何信息的需求。文章闡述基于幾何內(nèi)核ACIS的懸索橋工程BIM建模方法和實施流程，并以正在研發(fā)的懸索橋BIM系統(tǒng)建立包含工程所需信息的懸索橋索夾BIM模型的實例說明該方法的可行性和優(yōu)勢。

懸索橋； ACIS； BIM； 參數(shù)化； 軟件

BIM (Building Information Modeling )，即建筑信息模型，簡要概括為一種基于三維數(shù)字技術(shù)為基礎，整合建筑物全壽命周期中各類信息的統(tǒng)一集合體。BIM的核心理念為協(xié)同作業(yè)、數(shù)字表達、資源共享三個層次，它從根本上解決“信息斷層”和“信息孤島”問題，同時實現(xiàn)三維協(xié)同設計，減少資源浪費并提高效率[1]。中國鐵路總公司和中國交通建設集團開始編制橋梁BIM標準、研發(fā)橋梁BIM應用軟件、開展BIM工程應用和示范，并且BIM技術(shù)已在試點工程中應用于橋梁三維建模、碰撞檢查、施工過程模擬、施工進度管理等[2]?？梢夿IM技術(shù)已經(jīng)成為橋梁工程設計不可或缺的一部分。

目前國內(nèi)外BIM應用軟件品種和數(shù)量很多，在國內(nèi)橋梁工程領(lǐng)域應用較多的有Autodesk公司系列軟件如Revit、Inventor等，Dassault公司的CATIA軟件以及Bentley系列軟件。這些軟件都能很好實現(xiàn)BIM模型的建立、信息集成、信息傳遞和表達的功能，但是要實現(xiàn)專業(yè)領(lǐng)域的應用，滿足某種特殊需求，比如給橋梁結(jié)構(gòu)批量賦予特定的力學屬性信息等，應用現(xiàn)有軟件操作起來困難重重或?qū)崿F(xiàn)不了，即使采用二次開發(fā)的形式，也可能達不到滿意的結(jié)果。以現(xiàn)有的幾何內(nèi)核進行軟件開發(fā)，如ACIS，雖然工作量大[3]，但是可以根據(jù)需要進行私人訂制，開發(fā)專業(yè)需求的BIM軟件，是一種不錯的選擇。

文章研究基于幾何造型平臺ACIS的懸索橋BIM建模，企圖開發(fā)集成懸索橋全生命周期中的設計信息、施工信息、運維管理信息于一體的懸索橋工程BIM系統(tǒng)。

1 ACIS結(jié)構(gòu)體系簡介

ACIS[4]是美國Spatial公司推出的幾何造型引擎，采用C++構(gòu)造的圖形系統(tǒng)開發(fā)平臺，并封裝了豐富的實體造型的API函數(shù)，為各種3D造型應用的開發(fā)提供了幾何造型平臺[5]。ACIS因其功能強大、易用性以及擁有售后支持，使得如今眾多主流CAD軟件以ACIS作為底層造型平臺支持，如Autodesk Inventor AutoCAD、Pro/E、Dassault CATIA、Turbo CAD、CADKEY、Solid Modeler、Abaques等[3]。ACIS的最基本的對象是實體類ENTITY，其他ACIS所有幾何對象(點類APOINT、曲線類CURVE、表面類SURFACE、樣條曲線類PCURVE)和拓撲對象(VERZEX頂點類、EDGE邊類、 COEDGE有向邊類、WIRE線框類、LOOP環(huán)類、FACE面類、SHELL殼類、SHBSHELL子殼類、LHMP塊類、BODY體類)都派生自該ENTITY類。這些實體對象相互之間可以進行通信，如圖1所示，BODY對象可以訪問任意底層對象，某個實體的點也可以通過owner()等函數(shù)訪問上層對象。此外還可以借助get_xxx(ENTITY*,ENTITY_LIST&...)或api_get_xxx(ENTITY*,ENTITY_LIST&...)函數(shù)訪問拓撲對象。屬性是附加在ACIS模型的對象，它存儲了一些關(guān)于實體的信息，ACIS的屬性類ATTRIB類也是基類ENTITY的派生類，它提供了所有屬性類都通用的數(shù)據(jù)和功能，且每個實體對象都含有一個屬性指針，因此從ENTITY類派生出的任何類都可以擁有屬性[5-6]。如圖1所示，屬性可以用ower()函數(shù)指向?qū)膶嶓w，實體可以通過find_attrib()函數(shù)查找實體的屬性。對于橋梁BIM模型，除了有三維實體模型外，還有其他的一些屬性信息，如物理信息、結(jié)構(gòu)分析信息等，通過ACIS的屬性機制，可以為實體設置專有屬性，而這些屬性可以利用屬性鏈表[7]，可以對產(chǎn)品模型的信息進行有效的管理。

2 基于ACIS的懸索橋BIM建模

2.1 ACIS實體造型過程

常用的幾何實體造型方法包括體素拼合法(Constructive Solid Geometry ,簡稱CSG法)、邊界表示法(Boundary Representation, 簡稱B-Rep法)。其中CSG法是一種用簡單幾何體元素構(gòu)造復雜實體的造型方法，其特點是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單，能清楚地表達高層次的特征信息與拓撲信息，但是不能表達諸如面、邊、點的信息。而B-Rep法是用實體的有界邊界表面來定義和描述幾何實體的方法，圖1描述的就是B-Rep數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中個層次對象關(guān)系，因其能給實體以完整、顯示的邊界描述，而受到青睞。ACIS是一個先進的混合造型系統(tǒng)，提供給用戶的是CSG模型似的實體構(gòu)造和精確的參數(shù)輸入修改方式，以B-Rep模型作為系統(tǒng)內(nèi)部保存數(shù)據(jù)信息的模型便于存儲形體更詳細的信息[8]。

圖1 ACIS中幾何體、拓撲對象、屬性對象及其之間的關(guān)系

ACIS是功能強大的幾何造型，雖然其自身有渲染功能，但是相對于專業(yè)的顯示引擎顯得有些不足，但是通過ACIS/HOOPS的交互為3D軟件的開發(fā)提供了完美的解決方法?；贏CIS和HOOPS[9]平臺構(gòu)造幾何造型實例流程如圖2所示，ACIS造型的基本步驟大致為：許可證驗證→造型器和相關(guān)組件的初始化→利用ACIS的API造型函數(shù)構(gòu)造幾何體→ACIS/HOOPS的交互，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換→HOOPS渲染顯示→終止造型。

圖2 基于ACIS/HOOPS平臺構(gòu)造幾何造型實例流程

2.2 BIM模型幾何參數(shù)數(shù)據(jù)接口設計

ACIS雖然提供豐富的用于構(gòu)造幾何實體造型的底層API函數(shù)，但是在實現(xiàn)如散索鞍、主索鞍、索夾等，這樣復雜模型的參數(shù)化建模，需要做到兩個方面的準備工作：一方面是設計相應的模型參數(shù)數(shù)據(jù)接口，另一方面，根據(jù)懸索橋模型的特征結(jié)構(gòu)建立類庫，提高程序的建模效率。

由于各個幾何對象都具有一些共同的屬性和操作，故可以為程序定義一個CEntity的基類，該類描述的幾何對象的ID號、顏色、類型、創(chuàng)建時間、創(chuàng)建人等基本屬性和基本功能操作或接口，后面所有纜索系統(tǒng)構(gòu)件類(如索夾類)都派生自CEntity類，并根據(jù)構(gòu)件的特性，自定義成員變量和屬性操作。成員變量可以分為三類：構(gòu)件結(jié)構(gòu)尺寸類、結(jié)構(gòu)全橋布局變量、其他類型變量(主要是屬性數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)分析、監(jiān)測等數(shù)據(jù))。為了方便結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)據(jù)的接收和管理，程序為每個構(gòu)件定義有一個描述結(jié)構(gòu)尺寸的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體，里面包含該構(gòu)件建立3D模型所需的尺寸參數(shù)變量，并以成員變量的形式定義在相應的類中。數(shù)據(jù)接口中類的層次設計如圖3所示，限于篇幅，圖中只列出了基類的成員變量(表1)。

圖3 數(shù)據(jù)接口中類的層次設計(纜索系統(tǒng)部分示例)

實體屬性/實體操作數(shù)據(jù)類型說明m_ID字符串(CString)實體編號m_Name字符串(CString)實體名稱m_Type整型(int)實體類型m_CreateTime字符串(CString)創(chuàng)建時間m_Designer字符串(CString)創(chuàng)建者m_CompanyName字符串(CString)單位名稱m_version字符串(CString)版本m_bModified布爾(BOOL)是否修改m_color字符串(CString)實體顏色m_bVisible布爾(BOOL)是否可見SetXXX(Cstringxxx)無返回值(Void)給變量賦值GetXXX()有返回值(CString)獲取變量的值

由于懸索橋構(gòu)件復雜，在進行參數(shù)化建模是涉及到大量的幾何計算，需要編寫支持所有API造型函數(shù)的幾何工具庫類(GeomTool)函數(shù)庫作為輔助類，并提高程序代碼的利用率和建模效率，主要包括自定義的常用計算函數(shù)，比如幾何變換、倒角、錯誤檢查等操作，表2列出了部分經(jīng)常用到的輔助函數(shù)。

幾何工具庫類(GeomTool)函數(shù)庫實質(zhì)上是對ACIS的API函數(shù)的擴展或具體化，提高程序的靈活性和可讀性。

2.3 BIM模型非幾何信息的集成

信息模型的核心是“信息”，其中信息包括幾何信息和非幾何信息，所有的工作都是以相關(guān)信息為線索開展的。在工程項目的規(guī)劃設計、施工、運營管養(yǎng)階段，會產(chǎn)生新的、變化各異的信息，BIM技術(shù)是使各種信息集成于3D信息模型，使信息依附于模型載體進行傳遞和表達的過程。橋梁工程信息空間(BrIM)與建筑工程信息空間(BIM)具有一定關(guān)聯(lián)，但也存在差異，具體體現(xiàn)在橋梁工程更關(guān)注結(jié)構(gòu)性能信息[10-11]，故對于懸索橋工程BIM模型，非幾何信息的集成除包含物理信息、材料信息等外，還應該注重結(jié)構(gòu)力學信息，橋梁信息模型構(gòu)件信息如圖4所示。同時，懸索橋工程是復雜工程，信息貫穿于工程項目全生命周期，信息在生命周期的流動工程中，其損失應該降低到最少。

表2 常用輔助功能函數(shù)

基于ACIS的BIM建模的非幾何信息的集成可以基于其屬性機制進行存儲[6]，也可以將實體的ID標注為唯一標識符存在于BIM信息模型中，將非幾何信息存儲于BIM數(shù)據(jù)庫中。考慮到懸索橋纜索系統(tǒng)工程數(shù)據(jù)種類繁多、數(shù)據(jù)量大，采用第二種方式，即數(shù)據(jù)庫存儲是一種不錯的選擇。

圖4 橋梁信息模型構(gòu)件信息

3 基于ACIS的懸索橋BIM建模實例

基于ACIS的BIM建模的總體流程如圖5所示。以索夾的參數(shù)建模為例，說明基于ACIS的懸索橋構(gòu)件BIM建模具體過程，效果如圖6所示。

圖5 基于ACIS的BIM建模的總體流程

圖6 基于ACIS的懸索橋BIM建模應用實例

在這個索夾構(gòu)件BIM建模實例中，首先對懸索橋索夾結(jié)構(gòu)進行分析，懸索橋索夾按照類型分有銷鉸式和騎跨式，按照有無吊索分為有吊索索夾和無吊索索夾。根據(jù)索夾的構(gòu)造提取出構(gòu)建模型所需的參數(shù)數(shù)據(jù)集，并在SQL Sever2008中建立相應的數(shù)據(jù)表。此外對懸索橋索夾的非幾何信息進行需求分析，此實例中主要圍繞力學方面，非幾何信息包括：設計信息——材料、基本屬性(ID號、構(gòu)件名稱、顏色等)等；施工控制信息——螺桿緊固力等；力學信息——結(jié)構(gòu)安全系數(shù)等。將這個信息進行歸類整理，并存儲在數(shù)據(jù)庫中?；拘畔蕚浜煤?，利用API函數(shù)構(gòu)建三維實體模型，同時根據(jù)實體的GUDI(全局標識符)進行索引，添加非幾何信息，最后在主視圖中進行顯示，生成的模型以Sat或HSF格式保存。

如圖6所示，程序采用界面友好的Ribbion界面，并設置結(jié)構(gòu)模型樹視圖，屬性視圖、輸出視圖。此外，實例中只生成了一個索夾對象，為了能夠快速建模，可以設置以讀取文本的形式批量讀取參數(shù)索引，批量生成模型。其總體思路是和現(xiàn)有三維軟件CATIA的模板—骨架建模方式相同，即先建立總體結(jié)構(gòu)模型的骨架和構(gòu)件模板，然后模板根據(jù)骨架的定位批量實例化。

4 展望

BIM技術(shù)在橋梁工程等交通領(lǐng)域的越來越受到關(guān)注，國家相關(guān)部門也在大力宣傳和推廣，橋梁工程的BIM應用是必然趨勢。文章對基于ACIS的懸索橋BIM建模開展研究工作，闡述基于ACIS的懸索橋工程BIM建模方法和實施流程，并實現(xiàn)了以幾何造型內(nèi)核ACIS作為系統(tǒng)程序開發(fā)平臺的懸索橋BIM建模系統(tǒng)的初步開發(fā)，同時以幾何信息和非幾何信息集成的索夾構(gòu)件BIM的創(chuàng)建，說明此方法的可行性，具有一定的參考價值。然而基于ACIS進行懸索橋BIM建模與應用的研發(fā)依托于大量工作，懸索橋構(gòu)件族庫的建立以及族庫 信息的不斷完善、標準化和擴展是一個持續(xù)的過程，需要繼續(xù)投入工作以及大量的專業(yè)人員的共同努力，以期研發(fā)出一個集設計、施工、運維管理于一體的懸索橋全壽命信息管理的BIM應用系統(tǒng)。

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U448.25

A

[定稿日期]2017-04-26

廣東省交通運輸廳科技項目(編號：2016003)

唐清東(1990～)，男，在讀碩士研究生， 主要從事現(xiàn)代橋式及橋梁結(jié)構(gòu)設計理論、BIM技術(shù)研究。