利用Civil 3D 采樣線構(gòu)建精確橋梁BIM 模型

張紅勇

(中鐵七局集團(tuán)第三工程有限公司，陜西 西安 710000)

1 概述

提高橋梁的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)等相關(guān)專業(yè)的生產(chǎn)效率是目前行業(yè)急需解決的問題，BIM 技術(shù)的發(fā)展，為橋梁工程的精細(xì)化施工提供技術(shù)保障[1]，目前基于BIM 技術(shù)的優(yōu)秀三維軟件較多，其中Autodesk 公司旗下Civil 3D、Revit 等軟件以其較高的性價(jià)比而被廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施三維模型設(shè)計(jì)與創(chuàng)建[2-5]。劉幫等[6]以工程實(shí)例為研究對象，對簡單橋梁的施工進(jìn)行了模擬，謝利斌[7]將BIM 技術(shù)應(yīng)用到立交橋的建模當(dāng)中，通過Dynamo 軟件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜空間曲面的建模。李澤宇等[8]基于Revit 并結(jié)合Civil3D 建立了橋軌一體化模型，吳平川等[9]對不同軟件模型轉(zhuǎn)換接口開發(fā)及驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)的建模。

在模型設(shè)計(jì)構(gòu)建過程中，若能簡化流程、一模多用能極大提高建模效率。但由于軟件功能受限，不得不采用輔助方法以達(dá)到目的。Civil 3D 自帶的采樣線功能是用于定位線路橫斷面的生成線，其方向始終與線路法線方向平行，利用此特征，結(jié)合Revit 內(nèi)置的Dynamo 程序，讀取其數(shù)據(jù)，可用于橋梁構(gòu)件的精確定位與放樣，極大提高了線路模型的利用價(jià)值。圖1 給出了利用采樣線進(jìn)行精確建模的主要流程。

圖1 精確模型主要流程

基于此流程提出了以下建模思路，在Civil 3D中利用平縱曲線要素生成線路，利用墩臺里程生成采樣線，經(jīng)兩次分解導(dǎo)入Revit 作為線路參照，在Revit 中，導(dǎo)入橋梁各子模型構(gòu)件，再采用Dynamo對參照線路提取其線路線型、采樣線交點(diǎn)坐標(biāo)、方向，并讀入各子模型構(gòu)件，生成實(shí)例，賦值參數(shù)，完成全橋的精確模型。

2 橋梁線路創(chuàng)建與采樣線生成

2.1 總體思路

根據(jù)線路的平、縱曲線要素生成CSV 或TXT格式文件，使用Civil 3D 路線布局工具創(chuàng)建線路平面和使用縱斷面布局工具創(chuàng)建線路縱斷面。另外，根據(jù)墩臺里程輸出橋梁墩臺要素線、并生成線路墩臺坐標(biāo)與高程表，以及路線空間三維設(shè)計(jì)線。

2.2 橋梁線路創(chuàng)建

2.2.1 平曲線創(chuàng)建

線路平曲線建立步驟如圖2 所示。

圖2 平曲線建立步驟

1）導(dǎo)入交點(diǎn)坐標(biāo)。使用多段線命令，直接用點(diǎn)生成多段線，輸入時，注意設(shè)計(jì)坐標(biāo)系北方向?yàn)閳D形平面坐標(biāo)系的Y 方向，應(yīng)將設(shè)計(jì)坐標(biāo)系的N、E 互換，同時，可以用Excel 配合輸入坐標(biāo)，用于提高效率，如圖3 所示。

圖3 用多段線生成圖

2）生成線路。使用線路中“從對象創(chuàng)建路線”命令，通過拾取多段線即可生成線路，如圖4 所示。由于在生成線路的時候，默認(rèn)添加的曲線半徑是不滿足實(shí)際線路要求的，因此，需要在后期修改線路參數(shù)。

圖4 初步生成線路圖

3）修改線路參數(shù)。打開線路修改的“幾何圖形編輯器”，利用全景窗口，可以查看和更改線路的曲線要素，在此，將之前半徑改為設(shè)計(jì)圖紙半徑，即完成線路平曲線的建立，如圖5 所示。

圖5 平曲線修改圖

2.2.2 豎曲線生成

線路豎曲線建立步驟如圖6 所示。

圖6 豎曲線建立步驟圖

1）建立縱斷面圖。建立線路豎曲線之前，必須先創(chuàng)建線路縱斷面圖，創(chuàng)建時，使用縱斷面圖菜單下的“創(chuàng)建縱斷面圖”，即可生成。如圖7 所示。

圖7 建立縱斷面圖

2）建立縱斷面。線路縱斷面采用縱斷面文件建立，以提高效率，縱斷面文件為txt 文本文件，該文件每一行為一個豎曲線的轉(zhuǎn)點(diǎn)，最多包括三個信息元素，分別為樁號、高程和曲線長度，其中曲線長度為可選元素，不能用于起點(diǎn)與終點(diǎn)，所有的豎曲線都必須是拋物線，元素間以空格分隔。建立時，注意：第一行和最后一行不得包含曲線信息，第一行必須提供樁號和第一個樁號的高程，樁號必須按升序排列，無前導(dǎo)空白行或表頭，中間無空白行（空白行將被讀取為文件結(jié)束）任何行的開始處都無空格，最后一項(xiàng)必須是最后一個樁號的高程。如圖8所示。

圖8 通過縱斷面文件建立縱斷面

3）檢查縱斷面。打開縱斷面修改的“幾何圖形編輯器”，利用全景窗口，可以查看和更改線路的豎曲線要素，與設(shè)計(jì)文件對比無誤后即完成線路豎曲線的建立。如圖9 所示。

圖9 線路豎曲線建立

2.3 采樣線生成

在建立線路的基礎(chǔ)上，對墩臺的中心里程進(jìn)行定位，以確定上下部結(jié)構(gòu)的幾何空間位置。定位采用Civil 3D 中的“采樣線命令”，采樣線是沿線路法線方向生成的平面線，即線路的橫斷面，如圖10所示。

圖10 墩臺中心采樣線

利用Civil 3D 中點(diǎn)-路線命令，選擇通過線路的樁號、偏移創(chuàng)建點(diǎn)，同時導(dǎo)出樁基、墩臺等橋梁結(jié)構(gòu)物的點(diǎn)坐標(biāo)。如圖11 所示。

圖11 結(jié)構(gòu)物平面坐標(biāo)生成

3 導(dǎo)入Revit 并導(dǎo)入橋梁子構(gòu)件

通過Revit 軟件，先用族或體量建立橋梁各個結(jié)構(gòu)構(gòu)件并實(shí)例化，再利用橋梁結(jié)構(gòu)尺寸、標(biāo)高數(shù)據(jù)對生成各個實(shí)例進(jìn)行裝配。

在導(dǎo)入線路底圖時，由于線路對象在Revit 中無法顯示的，必須將線路和采樣線進(jìn)行分解，形成塊對象。另外，在導(dǎo)入橋梁子構(gòu)件時，不能采用輪廓族進(jìn)行斷面建模，一般情況下，可以采用公制常規(guī)模型進(jìn)行創(chuàng)建，否則不能被Dynamo 識別。

4 Dynamo 數(shù)據(jù)處理

橋梁進(jìn)入Revit 后采用Dynamo 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。Dynamo 是內(nèi)置于Revit2018 及以上版本的可視化編程軟件，可以通過Revit 菜單欄“管理-Dynamo”命令打開。

由于Revit 只能輸入小于9144000mm 以內(nèi)的值，若坐標(biāo)數(shù)值超出此數(shù)，其放置就會出錯，因此，在組裝前，先檢查模型坐標(biāo)范圍，若線路模型長度大于該值，應(yīng)提前做好模型分塊。為保證項(xiàng)目坐標(biāo)顯示正確，在Revit 里設(shè)置以mm 為單位，同時，一般以0# 橋臺與線路中心交點(diǎn)作為模型的原點(diǎn)，建立局部坐標(biāo)系，在拼裝完成后，將項(xiàng)目測量點(diǎn)移回原坐標(biāo)原點(diǎn)即可。如圖12 所示。

圖12 坐標(biāo)原點(diǎn)選擇

5 構(gòu)建并生成精確模型

5.1 橋梁下部結(jié)構(gòu)

根據(jù)橋梁下部結(jié)構(gòu)要求，對于采用圓形的構(gòu)件，如圓樁基，只需定位坐標(biāo)與高程，但對于其他跟方向有關(guān)的結(jié)構(gòu)，如方形承臺、墩柱等結(jié)構(gòu)，除了位置與高程外，尚需增加方位角，以確定結(jié)構(gòu)方向。本文主要以矩（工）形承臺為例，結(jié)合采樣線展開應(yīng)用。主要流程如圖13 所示。

圖13 主要流程圖

5.1.1 讀入承臺數(shù)據(jù)

根據(jù)前面生成的承臺平面坐標(biāo)，輸出承臺編號、中心坐標(biāo)（x、y、z、）、承臺型號（采用1、2……進(jìn)行編號區(qū)分）數(shù)據(jù)，如圖14 所示。

圖14 承臺數(shù)據(jù)

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，通過Dynamo 以下節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)入。如圖15 所示。

圖15 數(shù)據(jù)導(dǎo)入節(jié)點(diǎn)組

5.1.2 節(jié)點(diǎn)分組并生成實(shí)例

采用Python 腳本，根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)，遍歷查找不同型號承臺數(shù)據(jù)，重新分組，分組完成后采用Family Types 和FamilyInstance.ByCoordinates 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行承臺實(shí)例化。如圖16 所示。

圖16 承臺分組

5.1.3 獲取采樣線及其方位角

利用Civil 3D 模型底圖，獲取模型中各承臺的方位角。為達(dá)到以上目的，采用Dynamo 編制兩個程序，第一個程序獲得底圖上采樣線，第二個程序獲得采樣線的方位角，如圖17，18 所示。

圖17 取得采樣線

圖18 獲得方位角

5.1.4 參數(shù)賦值

采用Familyinstance.SetRotation 設(shè)置相關(guān)參數(shù)，對承臺按方位角進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，以保證位置正確，如圖19 所示。

圖19 參數(shù)賦值與旋轉(zhuǎn)

最終結(jié)果如圖20 所示。

圖20 承臺構(gòu)件

5.2 橋梁上部結(jié)構(gòu)

橋梁上部結(jié)構(gòu)建模主要有兩種情況，一種是采用預(yù)制結(jié)構(gòu)，另一種是采用現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。在預(yù)制結(jié)構(gòu)下，橋梁上部結(jié)構(gòu)建模與下部結(jié)構(gòu)建模類似，以相鄰兩墩中心點(diǎn)坐標(biāo)作為定位點(diǎn)，若為曲線，采用直線梁或斜交直線梁，以直代曲，通過平分中矢或斜放，進(jìn)行橋梁拼裝。當(dāng)采用現(xiàn)澆梁時，梁部結(jié)構(gòu)線形與線路曲線一致，本節(jié)以現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行梁部精確建模。建模主要有兩步：第一步是取得梁部截面參照點(diǎn)；第二步是放置截面并生成實(shí)體。

5.2.1 取得梁部截面參照點(diǎn)

梁部截面參照點(diǎn)采用過截面采樣線的豎直面與線路相交而得，即先獲得采樣線，由采樣線生成平行于Z 軸的平面，并根據(jù)導(dǎo)入的線路塊對象和平面求交集，取得交點(diǎn)處的坐標(biāo)與高程，如圖21 所示。

圖21 交點(diǎn)坐標(biāo)獲取

5.2.2 放置截面并生成實(shí)體

通過在上述采樣線生成的平面和交點(diǎn)，獲取其向量和交點(diǎn)坐標(biāo)，對梁部截面實(shí)例進(jìn)行坐標(biāo)變換，最后通過截面和線路曲線生成實(shí)體，并將其封裝成一個自定義節(jié)點(diǎn)，以便于在生成實(shí)例時多次調(diào)用，如圖22 所示。

圖22 自定義節(jié)點(diǎn)

重復(fù)調(diào)用節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行梁體實(shí)體對象如圖23 所示。

圖23 實(shí)體生成

梁體上部結(jié)構(gòu)生成最終效果如圖24 所示。

圖24 橋梁上部結(jié)構(gòu)實(shí)體

5.3 全橋?qū)嶓w模型

通過上述方法，完成全橋建模，最終形成精確的實(shí)體模型如圖25 所示。

圖25 全橋模型

6 總結(jié)和展望

本文提出的建模方法，一是充分利用了Civil 3D 創(chuàng)建的線路模型，用于后期線路線形提取，達(dá)到“一模多用”；二是利用了采樣線功能，用于提取線路控制點(diǎn)和方位角，彌補(bǔ)了軟件現(xiàn)有命令功能的不足；三是采用線路線形與采樣線平面交點(diǎn)以及方向向量，生成現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)模型，大大提高了模型的精度；四是采用可視化編程，可以靈活地對原代碼進(jìn)行修改和封裝，不僅提高了建模效率，還增加了對不同項(xiàng)目的適應(yīng)性支持。綜上所述，該方法為以后類似案例提供了可借鑒的建模解決方案，具有廣泛的推廣價(jià)值。