鐵路橋梁BIM程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張興華

（中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 橋梁工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300142）

近年來，隨著計(jì)算機(jī)3D建模技術(shù)的快速發(fā)展，基于建筑信息模型（BIM）概念的設(shè)計(jì)模式已經(jīng)在我國的鐵路設(shè)計(jì)建設(shè)領(lǐng)域進(jìn)行了實(shí)質(zhì)性應(yīng)用[1]。鐵路橋梁建設(shè)因?yàn)槠渥陨斫Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)與施工對周邊地物信息準(zhǔn)確性的要求較高，而BIM恰好滿足了橋涵精細(xì)化設(shè)計(jì)與施工的相關(guān)要求。目前，國內(nèi)鐵路設(shè)計(jì)行業(yè)采用的軟件平臺多為引進(jìn)國外商業(yè)化平臺，如revit、bently、達(dá)索等，在橋梁場景建模、施工仿真模擬，以及特殊橋梁單體結(jié)構(gòu)的空間設(shè)計(jì)方面取得了良好效果[2-3]。

商業(yè)化平臺技術(shù)成熟、模型渲染美觀，特別是在空間幾何計(jì)算方面的優(yōu)勢非常突出，但同時(shí)也存在一些問題：（1）專業(yè)性設(shè)計(jì)功能完全需要二次開發(fā)；（2）不掌握核心代碼，無法修改其核心用戶界面（UI）以及固有的操作模式，為操作帶來不便；（3）純英文的開發(fā)接口程序庫，為二次開發(fā)帶來極大困難。因此，如果僅僅是進(jìn)行三維仿真建模的話尚且可行，但如果要利用其開發(fā)長大橋梁的正向設(shè)計(jì)功能，將無法繞開上述問題，另外，商業(yè)化平臺的前期購買以及后期升級維護(hù)成本較高。相反，如果自主開發(fā)橋梁BIM設(shè)計(jì)程序，因?yàn)樯婕暗娇臻g幾何計(jì)算、坐標(biāo)系統(tǒng)、劃網(wǎng)建模、3D渲染、長大場景調(diào)度等前沿性技術(shù)，在開發(fā)難度、開發(fā)成本、開發(fā)周期方面都有較大風(fēng)險(xiǎn)和阻力。但優(yōu)勢在于掌握核心代碼，其設(shè)計(jì)模式及顯示界面均可根據(jù)使用者需求量身定制，并且程序升級改造靈活、維護(hù)成本低。本文從OpenGL圖形渲染的底層功能著手，自主研發(fā)BIM建模平臺，介紹一款兼具二維交互設(shè)計(jì)和三維顯示功能的鐵路橋梁BIM程序。并從鐵路橋梁設(shè)計(jì)的專業(yè)角度出發(fā)，在程序的開發(fā)思路、設(shè)計(jì)模式比選，以及在視圖顯示的關(guān)鍵性技術(shù)方面做出探索。

1 程序設(shè)計(jì)模式

1.1 三維橋梁設(shè)計(jì)程序的特點(diǎn)

（1）在橋梁設(shè)計(jì)計(jì)算方面，需要結(jié)合梁縫計(jì)算、結(jié)構(gòu)計(jì)算等自身的專業(yè)性軟件，進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)。

（2）在圖形類型方面，橋梁工程相對于路基、站場等專業(yè)，以及對空間曲面建模方面有更多需求。

（3）在建模方式方面，鐵路橋涵設(shè)計(jì)除了需要建立標(biāo)準(zhǔn)圖庫來滿足標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)部件建模以外，橋址范圍內(nèi)的邊坡防護(hù)、涵洞順溝等，還需要根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)及三維地形，進(jìn)行自動化的自適應(yīng)性建模。

（4）特大型鐵路橋梁在國內(nèi)高速鐵路橋梁設(shè)計(jì)中非常普及，單座橋梁長度突破幾百公里以上的情況已形成常態(tài)，而橋梁孔跨布置是由精密計(jì)算而來，對BIM中任意一處孔跨的更改，都將牽動整座橋數(shù)百公里梁跨的重新設(shè)計(jì)和圖形重構(gòu)。因此，BIM設(shè)計(jì)程序不僅要求高性能的計(jì)算機(jī)硬件，對程序數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的合理性及算法的高效性也都有較高要求。

1.2 二維、三維視圖并存的設(shè)計(jì)模式

目前，國內(nèi)鐵路項(xiàng)目采用的主要BIM設(shè)計(jì)平臺，如：revit、bently、達(dá)索等，都是在純?nèi)S模式下開展設(shè)計(jì)，顛覆性地取締了傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)成果也為純?nèi)S鐵路模型，仿真程度高；但鐵路橋涵因其自身特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)過程中，對里程、高程、凈空、梁縫等外部數(shù)據(jù)，以及梁、墩臺、基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)尺寸等內(nèi)部數(shù)據(jù)的依賴程度很高，純?nèi)S設(shè)計(jì)模式無法直接將這些數(shù)據(jù)展現(xiàn)在設(shè)計(jì)者眼前，設(shè)計(jì)者若想查看，必須先經(jīng)過三維成果向二維成果轉(zhuǎn)換或手動調(diào)出數(shù)據(jù)窗口才可以得到上述數(shù)據(jù)。因此對于BIM橋梁設(shè)計(jì)，不宜完全摒棄二維設(shè)計(jì)方法。BIM鐵路橋梁程序開發(fā)能夠兼?zhèn)淙S理念和傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)方法，同步生成二維設(shè)計(jì)成果以及進(jìn)行三維建模展示或成為更加合理的設(shè)計(jì)模式。

另外，從程序開發(fā)角度來講，BIM程序若能涵蓋二維設(shè)計(jì)模式，可以更方便地與傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行銜接，減少BIM程序開發(fā)工作量及開發(fā)難度。而且二維、三維結(jié)合的設(shè)計(jì)模式，也可以使設(shè)計(jì)人員在新型的BIM設(shè)計(jì)環(huán)境下，能夠利用自己熟悉的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路來迅速適應(yīng)程序，從而提高程序應(yīng)用效率，否則純?nèi)S模式在鐵路橋梁勘察設(shè)計(jì)領(lǐng)域的推廣阻力和成本將會較大。本程序采用了二維視圖交互設(shè)計(jì)，及三維視圖顯示的設(shè)計(jì)模式，如圖1所示。

圖1 程序主界面

2 程序框架

2.1 MVC框架模式概述

程序以C++ MFC為開發(fā)工具，以MVC框架模式開發(fā)基于OpenGL的二維、三維視圖顯示功能。模型-視圖-控制（MVC，Model-View-Controller）框架是圖形用戶界面（GUI，Graphic User Interface）程序的一種普遍的設(shè)計(jì)框架。采用MVC框架模式的優(yōu)勢是使得OpenGL渲染函數(shù)的調(diào)用從普遍的消息路由中完全脫離開來。

2.2 模型層

模型層是應(yīng)用程序的核心部分，所有應(yīng)用程序中的數(shù)據(jù)和定義應(yīng)用程序行為的實(shí)現(xiàn)都被包含在內(nèi)。最重要的是，任何指向視圖層和控制層功能都沒有被模型層引用，這意味著模型層是完全獨(dú)立的。它完全無須關(guān)心視圖層和控制層的行為，從而它只是簡單地對視圖層和控制層的請求進(jìn)行加工操作。本程序中模型層負(fù)責(zé)全部的OpenGL頂點(diǎn)數(shù)據(jù)管理、頂點(diǎn)緩沖區(qū)對象（VBO，Vertex Buffer Object）繪圖和圖形更新。

2.3 視圖層

視圖層負(fù)責(zé)根據(jù)窗口設(shè)備環(huán)境創(chuàng)建渲染設(shè)備環(huán)境，最后將可視化的內(nèi)容渲染到屏幕之上。視圖層不含有指向控制層的引用（與控制層獨(dú)立）。只有當(dāng)控制層發(fā)送更新請求時(shí)，它才會執(zhí)行渲染操作。然而，視圖層需要有指向模型層的引用，因?yàn)樗枰獜哪Ｐ蛯拥玫巾旤c(diǎn)、法向量、顏色等數(shù)據(jù)，這樣才能將數(shù)據(jù)渲染到屏幕上。

2.4 控制層

控制層負(fù)責(zé)創(chuàng)建獨(dú)立渲染線程，并對用戶事件作出最直接的響應(yīng)，它接受和處理所有的用戶在窗體或視口中的操作，如鼠標(biāo)和鍵盤輸入等。為了處理用戶事件，控制層需要訪問具體的模型層組件和視圖層組件?？刂茖咏M件通知模型層處理數(shù)據(jù)，同時(shí)告訴視圖層更新顯示的數(shù)據(jù)。另外，在本程序中，控制層還負(fù)責(zé)對用戶事件相關(guān)的圖元數(shù)據(jù)，如點(diǎn)、線、面、文字等，向OpenGL渲染數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

3 顯示功能關(guān)鍵技術(shù)

3.1 二維視圖開發(fā)

3.1.1 十字靶標(biāo)相對鼠標(biāo)的同步定位

交互式設(shè)計(jì)視圖開發(fā)中，如何將鼠標(biāo)在屏幕窗體中的像素坐標(biāo)（V）轉(zhuǎn)換為視圖中的世界坐標(biāo)（W），是開發(fā)圖形定位、圖形選擇的前提。轉(zhuǎn)換公式的關(guān)鍵為計(jì)算窗體尺寸與視口所代表的世界坐標(biāo)尺寸的比例vscale，當(dāng)渲染視口與窗體邊緣完全重合時(shí)，當(dāng)前鼠標(biāo)所在的視圖世界坐標(biāo)計(jì)算公式為：V = W ·vscale，當(dāng)視口與窗體不重合時(shí)，還要計(jì)入視口相對窗體的起點(diǎn)偏移量（d），則視圖世界坐標(biāo)計(jì)算公式為：V = d + W · vscale。

3.1.2 基于VBO的圖形渲染

任何一個(gè)3D應(yīng)用程序開發(fā)的最大的目標(biāo)之一就是渲染速度，需要自始至終的將實(shí)際渲染圖形的數(shù)量限制在最小范圍內(nèi)。除此之外，想簡單提高多邊形的提交速度的話，通?？梢岳肙penGL提供的優(yōu)化方法，頂點(diǎn)數(shù)組是一個(gè)比較好的方法。加上VBO的擴(kuò)展，提高了渲染效率。使用頂點(diǎn)數(shù)組可以減少函數(shù)調(diào)用的次數(shù)和共享頂點(diǎn)的冗余使用，但其缺點(diǎn)是頂點(diǎn)數(shù)組中的函數(shù)位于客戶端并且數(shù)組中的數(shù)據(jù)在它每次被引用時(shí)都需要發(fā)送到服務(wù)器端一次。而VBO在服務(wù)器端的高性能內(nèi)存中為頂點(diǎn)屬性創(chuàng)造了一個(gè)“緩沖區(qū)對象”，也就是說，VBO能夠把數(shù)據(jù)加載到顯卡的高性能顯存中。因此當(dāng)用戶對橋梁方案編輯時(shí)，只要不改變頂點(diǎn)數(shù)量，如修改墩高、拉伸或縮短結(jié)構(gòu)尺寸等，便可降低渲染時(shí)間。

3.1.3 CAD式的圖形拾取效果

OpenGL提供了豐富的圖形交互操作功能，可利用選擇模式完成圖形的拾取操作。對于拾取后如何標(biāo)記顯示，進(jìn)而通知用戶當(dāng)前被選中圖形的拾取狀態(tài)，在程序開發(fā)中嘗試了2種方法：（1）采用CAD的方式，將備選中圖形顯示成點(diǎn)狀線狀態(tài)；（2）采用達(dá)索系統(tǒng)的CATIA程序的方式，將被選中圖形顯示成高亮狀態(tài)。經(jīng)過實(shí)際開發(fā)對比，前者可以非常好的利用VBO可提取并編輯頂點(diǎn)坐標(biāo)的特點(diǎn)，只需要根據(jù)備選圖形的VBO名稱提取出相關(guān)頂點(diǎn)數(shù)組，之后無需跳出VBO模式渲染，直接以視口背景顏色按點(diǎn)狀線樣式重繪一次，即可達(dá)到與CAD完全一樣的選中顯示狀態(tài)。而后者因?yàn)樾枰薷牟馁|(zhì)和光照狀態(tài)，必須脫離VBO模式渲染，而且不易實(shí)現(xiàn)僅針對備選圖形的OpenGL狀態(tài)修改，所以程序選擇了CAD式的點(diǎn)狀線圖形拾取處理方法。

3.2 三維場景空間索引

三維場景包括三維地形、橋梁結(jié)構(gòu)、橋梁附屬設(shè)施等模型，鐵路三維地形為大型條帶狀模型，要求有比較高的交互性幀率來保證交互瀏覽操作時(shí)的渲染流暢性。因此，在渲染每一幀屏幕前，都需要對當(dāng)前視景體所包含模型數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，而且還要對無限視野下的模型數(shù)據(jù)進(jìn)行分級簡化，所以，只有采用合適的空間索引數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，才能提高渲染效率。本程序采用的是比較適合于呈片狀均布數(shù)據(jù)的四叉樹空間索引[8]。四叉樹索引的基本思想是對空間數(shù)據(jù)遞歸劃分為樹結(jié)構(gòu)，具體流程是，將當(dāng)前空間數(shù)據(jù)等分成4個(gè)子空間，之后每個(gè)子空間遞歸劃分下去，直到樹的層次達(dá)到一定深度或者滿足某種要求后停止分割。4叉樹索引比較簡單，但是存在以下不足：（1）當(dāng)空間數(shù)據(jù)對象分布不均勻時(shí)，會生成嚴(yán)重不平衡樹，導(dǎo)致索引深度增加；（2）同一數(shù)據(jù)有可能被重復(fù)存儲到樹中多個(gè)不同節(jié)點(diǎn)之中，浪費(fèi)存儲空間。

因此，對四叉樹模型做出以下改進(jìn)：（1）規(guī)定空間數(shù)據(jù)僅保存在完全包含它的最小分割節(jié)點(diǎn)中，并且每個(gè)數(shù)據(jù)只能在樹中存儲一次，避免存儲空間的浪費(fèi)；（2）在創(chuàng)建樹時(shí)，首先生成滿四叉樹，并限制四叉樹深度，從而避免分配數(shù)據(jù)時(shí)臨時(shí)插入節(jié)點(diǎn)而導(dǎo)致的內(nèi)存重新分配損耗；（3）一次性將樹的空節(jié)點(diǎn)所占內(nèi)存釋放掉。經(jīng)過以上改進(jìn)便可生成較為平衡的四叉樹，改進(jìn)后的四叉樹模型，如圖2所示。

圖2 改進(jìn)后的四叉樹模型示意圖

4 橋梁設(shè)計(jì)系統(tǒng)

4.1 通用圖管理

鐵路橋梁工點(diǎn)一般是基于通用圖開展設(shè)計(jì)的，如何建立界面操作簡潔、錄入及讀寫方便的圖庫管理系統(tǒng)，是鐵路橋梁設(shè)計(jì)程序開發(fā)的重要環(huán)節(jié)。本程序的圖庫系統(tǒng)以C++語言對Excel文件的讀取操作，以及對ACCESS文件的寫入操作為主要技術(shù)手段，開發(fā)獨(dú)立的顯示操作窗口，如圖3所示。提供使用者在開展BIM橋梁設(shè)計(jì)前，預(yù)先對鐵路項(xiàng)目所用的結(jié)構(gòu)通用圖及其對應(yīng)工程數(shù)量進(jìn)行錄入管理。主要功能為：（1）梁、墩、臺、基礎(chǔ)的Excel通用圖數(shù)據(jù)文件錄入；（2）各通用圖的匹配使用原則錄入；（3）圖庫界面中的排序、篩選顯示；（4）橋梁工點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)跨度、墩高等信息的圖庫自動匹配。

圖3 通用圖庫管理窗口

4.2 上下序資料管理

上下序資料獲得類型，按照“獲取提供” 方式分為3種。（1）在程序內(nèi)部利用開發(fā)專業(yè)之間的接口函數(shù)，自動傳遞上下序數(shù)據(jù)，如：鉆孔地層、地質(zhì)縱斷、路基斷面、線位資料和地模坐標(biāo)；（2）利用圖形瀏覽窗口，手動調(diào)用瀏覽，如：路基斷面圖、地質(zhì)柱狀圖；（3）利用資料互提菜單，在程序中手動點(diǎn)擊并以文件形式獲取，如：線路資料表、隧道表、橋涵表和墩臺里程表等。管理界面，如圖4所示。

圖4 上序資料管理窗口

4.3 橋梁設(shè)計(jì)功能

（1）利用GridCtrl控件制作基于橋梁孔跨布置的表格式設(shè)計(jì)窗口，表格中以橋梁單位孔跨為單位按行排列。每行顯示其做代表孔跨的小里程側(cè)墩臺里程、跨度、梁縫、墩高、相關(guān)高程以及本跨度內(nèi)所采用的結(jié)構(gòu)通用圖信息，從而通過編輯表格的方式完成全橋孔跨設(shè)計(jì)，如圖5所示；

圖5 孔跨設(shè)計(jì)窗口

（2）基于橋梁彎道計(jì)算，完成整橋平移、孔跨調(diào)整、梁型變換等編輯操作后的，實(shí)時(shí)計(jì)算曲線段落內(nèi)的梁縫增值，更新全橋墩臺里程；

（3）根據(jù)墩臺里程，截取地模數(shù)據(jù)，更新地面高程后重新計(jì)算墩身高度，并根據(jù)墩身高度更新匹配橋墩、橋臺、基礎(chǔ)通用圖；

（4）提取墩臺中心里程處的地層數(shù)據(jù)檢算基礎(chǔ)；

（5）設(shè)計(jì)文件輸出：DWG圖紙文件，包括：橋址平面圖、全橋布置圖、橫斷面布置圖、彎道布置圖；EXCEL算單、工程量清單文件；基礎(chǔ)檢算結(jié)果文件。

5 結(jié)束語

本程序從核心UI及視圖顯示層面自主開發(fā)，具備可根據(jù)用戶使用習(xí)慣量身定制、專業(yè)融合性強(qiáng)等優(yōu)勢。但在開發(fā)過程中，需要在空間幾何模型計(jì)算、三維場景數(shù)據(jù)調(diào)度、圖像渲染美觀性等方面加大技術(shù)投入，才能縮小與國外商業(yè)化BIM平臺的差距。本程序通過保留二維橋梁設(shè)計(jì)視圖，使用戶在BIM設(shè)計(jì)模式下，可以沿用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程及操作習(xí)慣，并且三維場景直觀生動。經(jīng)過鐵路設(shè)計(jì)項(xiàng)目應(yīng)用，表明該程序具備三維環(huán)境下進(jìn)行鐵路橋梁方案設(shè)計(jì)的功能，相比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式，該程序突破了二維圖紙視覺局限，能夠更好地幫助決策合理方案，具有深入開發(fā)及推廣價(jià)值。