基于BIM的橋梁異形構件參數(shù)化設計研究

劉 秀，余文成，夏詩畫

(1.桂林理工大學 土木與建筑工程學院，廣西 桂林 541004；2.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067)

隨著交通建設領域BIM應用的興起，參數(shù)化建模思想在橋梁工程中被廣泛應用[1-7]。國內相關學者對Dynamo在橋梁工程中的應用做了相關研究。何樹凱[8]在重慶雙碑嘉陵江大橋工程中利用BIM技術對大橋施工設計進行精細化處理，合理安排施工進度，有效避免了人為因素造成的失誤，保證了工期進度。董耀文等[9]結合參數(shù)化建模的實例，減少了BIM建模的工作量，降低了BIM建模的復雜程度，實現(xiàn)了信息的完整、精確和無縫的傳遞。邱珂[10]將BIM技術應用到高跨立體有軌專用橋梁的設計中，對高跨立體有軌電車專用橋梁的設計有一定指導作用。吳樊等[11]利用Dynamo參數(shù)化的建模思想實現(xiàn)了鋼板樁和結構鉆孔樁快速、高效放置，并提出基于Dynamo自行編寫Python節(jié)點擴充到節(jié)點庫，有效提高了Dynamo建模效率。李庶安等[12]將Revit平臺的Dynamo插件應用到橋梁緩和曲線段建模過程中，解決了緩和曲線段建模過程中以直代曲產生的誤差，提高了建模的精度，并就Dynamo的可視化編程語言的靈活性、代碼的開源性提出Dynamo發(fā)展的無限可能性[13-15]。

本文以重慶曾家?guī)r嘉陵江大橋工程為背景，針對工程中主橋橋墩為空間曲面結構，提出利用參數(shù)化建模思想完成模型創(chuàng)建的方法，以解決橋梁復雜異形構件設計難、精度低的問題，同時利用參數(shù)動態(tài)控制設計尺寸，快速完成設計，實現(xiàn)實時修改造型的目的。

1 工程概況

重慶曾家?guī)r嘉陵江大橋位于重慶市主城區(qū)中心地帶，橋型為鋼性懸索加勁連續(xù)鋼桁架梁橋，全長566.09 m，由跨江大橋及南橋頭明挖框架2部分組成，跨徑布置為(135+270+135)m=540 m。大橋為公軌兩用橋，上層為雙向6車道城市道路，下層為雙線軌道交通，曾家?guī)r大橋立面布置如圖1所示。

單位：cm

P1(北)、P2(南)是大橋的2個主橋墩，墩身均為變截面空心薄壁箱型結構。橋墩墩身高41.0 m，順橋向墩身寬9.0 m，順橋向墩頂15.0 m高度范圍內采用外弧造型修飾，圓弧半徑5.141 m；橋墩橫橋向外側為圓弧造型，墩頂寬34.8 m，墩底寬29.0 m，距墩底19.0 m高度處墩身寬27.4 m。橋墩內部采用橢圓形挖空，橢圓長軸半徑為16.0 m，短軸半徑為7.0 m。

主墩墩身為帶圓端的矩形空心截面，圓端半徑為4.764 m，墩身順橋向及橫橋向壁厚均為1.0 m，墩底3.0 m高度范圍內采用空心截面；沿墩身高設置2道橫隔板，橫隔板厚度為0.5 m，為方便施工，在橫隔板中心留有人孔。橋墩各截面構造如圖2所示。

(a)順橋向

2 構件的參數(shù)化設計

根據(jù)設計構想，橋墩墩身各結構面為空間曲面，墩身設計線條簡潔、流暢，空間定位精度要求很高，二維表達及施工難度大，一般BIM建模軟件很難精確設計墩身各曲面。針對曲面、復雜結構在設計和表達上的工程設計難點，借助Dynamo軟件通過參數(shù)化的建模思想對曾家?guī)r主橋橋墩進行模型的搭建，通過參數(shù)調整結構外型達到最佳狀態(tài)。完成模型的搭建后，再按照幾何控制系統(tǒng)確定的定位原則整合至Revit平臺，既降低了Revit建模的復雜度，又提高了模型的精確度和質量。

2.1 參數(shù)化建模思路

Dynamo參數(shù)化建模的思路如下：

1)根據(jù)項目需要對異形結構進行拆分，通過邊界條件對邊緣進行約束；

2)定位曲面空間關鍵點的坐標、原點等；

3)對構件的尺寸賦予參數(shù)，通過節(jié)點將參數(shù)化的尺寸寫入Dynamo；

4)在Dynamo中利用參數(shù)確定點，并生成對應的曲線；

5)通過節(jié)點List、Poly Surface.By Loft Guides將生成的曲線創(chuàng)建出多段閉合的曲線，并由閉合的曲線創(chuàng)建曲面；

6)通過節(jié)點Solid.By Joined Surfaces將各個曲面形成的一組面的列表創(chuàng)建模型；

7)根據(jù)項目需要通過改變參數(shù)自動調整模型；

8)輸出到專業(yè)軟件進行后續(xù)工作。

在Dynamo構建橋墩模型前，要先在Revit中新建相應的族文件。在本項目中可選擇的族有公制常規(guī)模型，也可選擇公制結構柱，這2種族類型都適合墩柱結構。由于公制常規(guī)模型可智能適應截面變化，這可為后期空間曲面進行網(wǎng)格劃分做準備，因此在族類型的選擇上優(yōu)先選擇公制常規(guī)模型。

2.2 參數(shù)化設計建模過程

2.2.1 節(jié)點數(shù)據(jù)處理

將圓端半徑、墩底寬、順橋向墩身寬、距墩底高度處墩身寬、橋墩墩身高、墩頂寬等基礎控制數(shù)據(jù)作為輸入端Number，控制墩身尺寸參數(shù)并賦予初始尺寸參數(shù)值，對尺寸進行參數(shù)化賦值。主橋的2個橋墩P1、P2完全相同，且每一個橋墩都是對稱結構，設定坐標原點，根據(jù)幾何關系分別給各點賦予參數(shù)化的邏輯關系，并將這些數(shù)據(jù)關系在Code Block中表示出來，如圖3所示。

圖3 節(jié)點數(shù)據(jù)處理及參數(shù)賦值

2.2.2 建模過程

由前文可知，橋墩墩身是空間異形曲面的實體，而實體的生成由點到線再到面，最后成體。基于成體思想，對組成橋墩的各個曲面分別由點到線最后生成墩身曲面。在創(chuàng)建曲面前，先定義曲面上的關鍵點，墩底底面有A～F 六個關鍵點，墩頂頂面有10個關鍵點，側曲面上有6個關鍵點，并將墩底底面設定坐標原點A，向上為Z軸，根據(jù)右手螺旋定則，中指指向為Y軸正方向。曲面上各點的定義如圖4所示。

1)第一曲面—墩底底面建模

建模前，定義基準特征,如圖4所示。墩身底面是由2個半圓和一個長方形組成。通過節(jié)點Point.By Coordinates得到墩底底面A～F 六個關鍵點，其中A、F、E三點和B、C、D三點通過節(jié)點Arc.By Three Points創(chuàng)建圓弧，A、B點和D、E點通過節(jié)點Line.By Start Point End Point得到2條直線，共4條曲線，如圖5(a)所示。對生成的4條曲線利用節(jié)點List Create創(chuàng)建包含4條曲線的一組列表，再通過Poly Curve.By Joined Curves將4條曲線生成一個閉合的多線段，最后將閉合的多段線通過節(jié)點Surface.By Patch生成曲面，即墩底底面，如圖5(b)所示。

(a)墩底底面

(a)曲線創(chuàng)建過程

2)第二曲面—墩頂頂面建模

第二曲面的創(chuàng)建是以第一曲面為基礎。第一個曲面的6個關鍵點通過節(jié)點Geometry.Translate沿著Z軸進行平移，平移距離為墩身的高度，得到墩頂對應的6個關鍵點A′～F′；利用節(jié)點Curve.Point At Parameter分別獲取線段A′B′和D′E′的中點G和H，再通過節(jié)點Geometry.Translate分別向Y軸的負、正方向平移200個單位，得到點G′和點H′。由此共得到8個墩頂關鍵點A′～H′。與第一曲面不同的是8個關鍵點所生成的曲線都是弧線，只需要利用節(jié)點Arc.By Three Points生成弧線即可。最后依次通過節(jié)點List Create、Poly Curve.By Joined Curves和Surface.By Patch生成第二曲面，即墩頂頂面，如圖6所示。

圖6 第二曲面—墩頂頂面的生成

同理，余下幾個面都是以橋墩墩身上下2個面為基礎，通過已確定的點、曲線等關系，利用相應的節(jié)點創(chuàng)建組列表并生成對應的曲面，進而完成對整個墩身各個曲面的創(chuàng)建，如圖7所示。

圖7 橋墩墩身立面

2.2.3 建模中的腳本編寫

Dynamo可視化編程軟件參數(shù)化建模也可通過Design Script腳本進行模型創(chuàng)建。Design Script是一個簡潔可讀的語言，而Code Block是Design Script在Dynamo中的運行窗口，可動態(tài)鏈接到一個可視化編程環(huán)境與基于文本的環(huán)境。在Code Block可直接編寫Design Script代碼，通過編寫Design Script腳本可實現(xiàn)節(jié)點與文本之間的相互轉換，進而驗證通過節(jié)點創(chuàng)建模型結果的可行性。下面是利用腳本具體創(chuàng)建模型的過程，其編寫腳本的建模流程如下。

1)參數(shù)化賦值

根據(jù)橋墩墩身的結構設計特點，由幾何關系對墩身尺寸賦予參數(shù)，對節(jié)點數(shù)據(jù)進行處理并賦予參數(shù)化的值，將其寫入Code Block中，如圖3所示，其參數(shù)化的幾何尺寸數(shù)據(jù)如下：

l1_1;

l1_2=l1_1-640;

l1_3;

h2;

l2_1;

l2_2=l2_1-640;

l2_3=l1_3;

h3;

l3_1;

l3_2=l3_1-640;

l3_3=l1_3;

l3_4=l3_3+400;

h4=h3-500。

2)編寫代碼創(chuàng)建模型

第一曲面—墩底底面通過編寫腳本創(chuàng)建的過程如下，新創(chuàng)建一個Code Block節(jié)點用于編寫代碼創(chuàng)建模型,其流程如圖5所示。

p1_1=Point.ByCoordinates(-l1_2/2,-l1_3/2,0);

p1_2=Point.ByCoordinates(l1_2/2,-l1_3/2,0);

p1_3=Point.ByCoordinates(l1_1/2,0,0);

p1_4=Point.ByCoordinates(l1_2/2,l1_3/2,0);

p1_5=Point.ByCoordinates(-l1_2/2,l1_3/2,0);

p1_6=Point.ByCoordinates(-l1_1/2,0,0);

c1_1=Line.ByStartPointEndPoint(p1_1,p1_2);

c1_2=Arc.ByThreePoints(p1_2,p1_3,p1_4);

c1_3=Line.ByStartPointEndPoint(p1_4,p1_5);

c1_4=Arc.ByThreePoints(p1_5,p1_6,p1_1);

list1_1=[c1_1,c1_2,c1_3,c1_4];

polycurve1_1=PolyCurve.ByJoinedCurves(list1_1);

surf1_1=Surface.ByPatch(polycurve1_1)。

腳本中P1_1～P1_6表示墩底底面的6個關鍵點A～F,C1_1和C1_3表示直線AB和DE，C1_2和C1_4表示弧線AFE和BCD。通過List將2條直線和2條曲線創(chuàng)建一組列表，即list1_1=[c1_1,c1_2,c1_3,c1_4]；利用Poly Curve創(chuàng)建多段閉合曲線，即poly curve1_1=Poly Curve.By Joined Curves(list1_1);最后通過surf1_1=Surface.By Patch(poly curve1_1)創(chuàng)建墩底底面，并利用Watch3D進行查看驗證，如圖8(a)所示。

其余曲面的形成均可用Design Script腳本表示出來，原理同可視化編程節(jié)點，最后將所有的Surfaces進行整合，即[surf1_1,surf3_1,surfv_1_1,surfv_1_2,surfv_2_1,surfv_2_2,surfv_3_1,surfv_3_2,surfv_4_1,surfv_4_2]，初步得到橋墩模型，如圖6、圖7所示，并用Watch3D查看，如圖8(b)所示。

(a)墩底底面

由于橋墩內部采用橢圓形挖空，在Dynamo中對其進行參數(shù)化賦值，通過節(jié)點Ellipse.By Origin Vectors創(chuàng)建橢圓，節(jié)點Surface.By Patch形成閉合曲線，并通過節(jié)點Surface.Thicken對橢圓進行加厚得到橢圓實體。最后將橢圓實體與初步得到的墩身模型通過節(jié)點Solid.Difference進行剪切，將兩實體切割分開，通過Export To SAT導出所需的實體模型到文件路徑中。對于創(chuàng)建完成的橋墩墩身模型，可通過Revit查看模型的三維視圖和各個立面圖等是否滿足設計要求，若不滿足要求可通過調整相應參數(shù)修改模型，參數(shù)調整輸入與模型聯(lián)動，通過設置滑條或其他類型輸入窗口進行大范圍參數(shù)輸入，所變即所見，大大提升工作效率。

2.3 建模成果分析

對于異形構件橋墩，基于Dynamo平臺采用參數(shù)化的建模思想完成了模型的創(chuàng)建。

1)基于Dynamo參數(shù)化建模，設置構件參數(shù)，通過連接相應的節(jié)點完成模型的創(chuàng)建，并通過修改構件參數(shù)修改模型，完成設計要求。建模過程直觀、易懂且邏輯性強，適用于編程基礎較弱的工程設計人員。

2)基于Dynamo可視化編程節(jié)點，對構件尺寸進行數(shù)據(jù)處理，通過對節(jié)點進行腳本的編寫完成對模型的創(chuàng)建，體現(xiàn)出Dynamo通過編寫程序創(chuàng)建模型的優(yōu)點。

3)基于Dynamo平臺創(chuàng)建結構模型，最終以.dyn 文件格式保存，后期對模型的修改，只需要打開相應的.dyn文件，修改對應參數(shù)，或在結構視圖中設置參數(shù)輸入方式進行聯(lián)動微調，Dynamo可快速更新修改設計，并驅動Revit生成新的模型，無需重復建?；驅δＰ瓦M行較大的改動，即可達到對模型修改的設計效果，對模型在設計方案階段不斷調整更新非常適用。

3 結論與建議

本文以曾家?guī)r嘉陵江大橋工程為依托，基于橋梁工程中異形構件建模難的問題，提出了參數(shù)化的建模思想，實現(xiàn)了異形構件模型的創(chuàng)建，提高了模型的精度和深度，為設計階段利用BIM技術深化施工圖設計奠定基礎，主要認識如下：

1)以橋墩墩身設計尺寸為基礎，根據(jù)幾何關聯(lián)關系分別對各點具體賦予參數(shù)信息，并通過Code lock將這些參數(shù)作為輸入端控制各個曲面的形成，最終根據(jù)項目需求通過修改輸入端的相關參數(shù)調整模型，直到符合工程設計要求即可，不需重復建模，可通過少量的工作量制作出復雜空間曲面模型，極大豐富了造型設計能力，設計控制精度得到較大提升，節(jié)省了人力和時間，提升了工作效率。

2)基于Dynamo參數(shù)化創(chuàng)建橋墩三維模型可滿足初步設計的要求，但對后期施工設計階段的精細化設計仍存在較大的差距，如橋墩鋼筋精細化設計，需要根據(jù)專業(yè)需求進一步進行歸納和總結，找出其中的參數(shù)關聯(lián)關系，通過不停的探索和實踐，最終實現(xiàn)異形構件參數(shù)化高精度設計。