Dynamo在T梁橋建模中的應(yīng)用

李東運(yùn)，栗振鋒，王一博，李琦翔

(太原科技大學(xué) 交通與物流學(xué)院，太原 030024)

Revit作為一款我國(guó)建筑業(yè)BIM體系中使用最廣泛的軟件之一，它可以充分發(fā)揮BIM的參數(shù)化、可視化作用，Revit在如此受歡迎的同時(shí)也使得國(guó)內(nèi)各大BIM軟件商加大對(duì)Revit進(jìn)行二次開發(fā)和擴(kuò)展平臺(tái)應(yīng)用，Revit軟件的兼容性優(yōu)勢(shì)由此凸顯[1]。但是，各種工程中異形結(jié)構(gòu)的復(fù)雜使得建模難度大大提高，而Revit本身在處理平縱線、曲線、曲面等方面存在缺陷，這也就造成了模型精準(zhǔn)度難以達(dá)標(biāo)，繼而BIM應(yīng)用難以落實(shí)。

基于Dynamo插件解決方案的提出有效的彌補(bǔ)了Revit在此方面的缺陷。王茹等學(xué)者認(rèn)為參數(shù)化快速精確建模因其結(jié)構(gòu)本身的復(fù)雜，應(yīng)用Dynamo可視化插件可有效提高模型搭建的精確度和模型建設(shè)效率[2]；李庶安、徐建成、吳生海等學(xué)者認(rèn)為Revit在空間曲線、曲面、異形結(jié)構(gòu)建模方面不夠完善，可通過Dynamo插件結(jié)合解決橋梁緩和曲面應(yīng)用問題，避免誤差過大，提高建模精準(zhǔn)度[3-5]；韓繼宗學(xué)者認(rèn)為Dynamo能夠輔復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化，并與Revit互聯(lián)信息、雙線操作，提高BIM建筑設(shè)計(jì)效率[6]；查莉?qū)W者認(rèn)為通過Dynamo的可視化編程參數(shù)化建模可提高模型的信息化和可控性[7-10]。由此可見，Dynamo+Revit的組合方案對(duì)橋梁BIM建模應(yīng)用具有很高的可行性。

綜上所述，在公路橋梁領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)BIM應(yīng)用基于Revit平臺(tái)建模技術(shù)正處于高速發(fā)展階段，BIM全周期由于其前期建模的難度大，時(shí)間周期長(zhǎng)從而導(dǎo)致BIM正向設(shè)計(jì)難以實(shí)現(xiàn)，本文通過Dynamo+Revit的聯(lián)動(dòng)，提出新的建模思路，可為BIM正向設(shè)計(jì)廣泛應(yīng)用提供便利。

1 工程概況

山西省境內(nèi)某T梁橋工程概況，橋梁中心樁號(hào)為 K8+958，橋梁全長(zhǎng)共288 m，橋?qū)?.5 m，跨徑組合為：7×40 m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁，橋梁孔徑布置為(4×40+3×40)m.裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁半幅橋?qū)捰?片梁組成，梁高2.5 m，間距2.167 m.采用單獨(dú)預(yù)制、先簡(jiǎn)支后連續(xù)的結(jié)構(gòu)體系。共有2個(gè)橋臺(tái)，5個(gè)橋墩，橋墩分別采用柱式墩、空心薄壁墩；橋臺(tái)采用柱式臺(tái)、肋板臺(tái)；墩臺(tái)均采用樁基礎(chǔ)。

2 T梁橋族BIM模型參數(shù)化建模思路

參數(shù)化模型理論上是將模型細(xì)節(jié)上賦予數(shù)值，在設(shè)計(jì)模型過程中對(duì)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵點(diǎn)、線、面進(jìn)行數(shù)值控制，通過調(diào)整數(shù)值即可調(diào)節(jié)模型不同尺寸，便于模型適應(yīng)各種復(fù)雜情況。

首先本文選用Revit作為本次T梁橋建模軟件，基于Revit平臺(tái)橋梁模型創(chuàng)建需要多種結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成，而目前Revit軟件中現(xiàn)有的族模板多用于房建，并無橋梁族樣板，需自建橋梁族，因此本文基于Revit軟件對(duì)T梁橋模型創(chuàng)建所需須常規(guī)模型進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，對(duì)橋梁構(gòu)件族庫(kù)進(jìn)行豐富，其他同類型橋梁可視化設(shè)計(jì)可直接修改參數(shù)直接使用，為其他同類橋梁可視化設(shè)計(jì)提供便利。

然后，使用Civil 3D軟件提取道路信息，對(duì)其提取信息再Excel中進(jìn)行收集，整理。

最后，本文選用Dynamo插件進(jìn)行可視化編程，將橋梁族和道路進(jìn)行導(dǎo)入Dyanmo的編程中即可一鍵生成所需橋梁模型，并可通過Dynamo的可視化編程優(yōu)勢(shì)進(jìn)行實(shí)時(shí)批量修改。

3 橋梁族參數(shù)化設(shè)計(jì)

3.1 T梁橋族樣板分類設(shè)計(jì)

橋梁異型結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，族類型的創(chuàng)建并不只是一個(gè)族樣板能完成的，本項(xiàng)目橋梁族樣板根據(jù)需要主要選用公制常規(guī)模型、公制輪廓、自適應(yīng)公制常規(guī)模型等三種族樣板類型。本文族樣板分類如圖1所示。

圖1 族樣板類型分類Fig.1 Classification of family template types

其中自適應(yīng)常規(guī)模型構(gòu)件，可適應(yīng)多種獨(dú)特條件構(gòu)件。例如，橋梁不僅有橫、縱坡度變化，還有扭曲形變，帶坡度彎道變化造成的T梁形變，濕接縫形變等，自適應(yīng)構(gòu)件可根據(jù)模型變化通過約束條件自適應(yīng)變化。

3.2 橋墩、橋臺(tái)的參數(shù)化設(shè)計(jì)

基于Revit平臺(tái)，參數(shù)類型可分為類型參數(shù)和實(shí)例參數(shù)，本文中同一項(xiàng)目橋墩、橋臺(tái)的墩柱和樁基礎(chǔ)高度不一致，其余參數(shù)一致，可選擇將墩柱高度、樁基礎(chǔ)高度等設(shè)置實(shí)例參數(shù)，其余設(shè)置類型參數(shù)，方便設(shè)計(jì)建模時(shí)根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際批量調(diào)節(jié)。橋梁橫坡調(diào)節(jié)定義橫坡i，設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)參照平面，通過邏輯算法關(guān)聯(lián)支座、內(nèi)擋塊等高度，定義橫坡i，進(jìn)行聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)控制。

本文設(shè)定固定參照標(biāo)線為蓋梁中心線上表面距離2 000 mm位置為參照平面，支座底部與蓋梁上表面關(guān)聯(lián)，通過計(jì)算每個(gè)支座的中心線到蓋梁中心線距離和已知橫坡坡度兩個(gè)參數(shù)的三角關(guān)系得出每個(gè)支座所在位置與蓋梁中心位置水平差，然后利用參照平面高度減去支座高度，計(jì)算可得支座頂部距離參照平面位置，變相控制支座高度一致。由此得出，支座關(guān)聯(lián)高度表達(dá)式，如下式：

a=2 000 mm±i*l1/100-h1

(1)

式中：a為支座頂部距參照平面高度，2 000 mm為參照平面高度，i為橫坡坡度，l1為支座中心距中心線距離，h1為支座高度。

同理可得，內(nèi)擋塊關(guān)聯(lián)高度表達(dá)式，如下式：

b=2 000 mm±i*l2/100-h2

(2)

式中：b為內(nèi)擋塊頂部距參照平面高度，l2為內(nèi)擋塊中心距橋墩中心線距離，h2為內(nèi)擋塊高度。

表達(dá)式(1)、(2)可用過調(diào)節(jié)橫坡坡度i，自動(dòng)修正支座與內(nèi)擋塊高度，由此方便修改或重新設(shè)計(jì)橋墩橫坡參數(shù)，達(dá)到參數(shù)化控制的目的，避免重復(fù)手動(dòng)修改模型造成的時(shí)間成本浪費(fèi)，效果如圖2所示。

圖2 橋梁橫坡左i=-2、右i=-8Fig.2 Left i =-2，Right i =-8

3.3 自適應(yīng)族T梁參數(shù)化設(shè)計(jì)

本文所創(chuàng)建的自適應(yīng)常規(guī)模T梁族，可應(yīng)對(duì)多種復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境，無需再行創(chuàng)建同類型T梁，T梁左右翼板可通過參數(shù)控制，自由出現(xiàn)和隱藏為，為T梁左、中、右使用提供便利，如圖3所示所示。

圖3 自適應(yīng)T梁族Fig.3 AdaptiveT-beam family

參數(shù)化建模不只是單純的修改參數(shù)，通過參數(shù)化體系的構(gòu)建實(shí)現(xiàn)對(duì)構(gòu)件信息的全方位控制，包括名稱、編碼等信息的添加和材質(zhì)、尺寸的可讀取、可修改，創(chuàng)建真正的數(shù)字信息模型，為BIM后期深化提供便利[11]。

4 基于Dynamo插件自動(dòng)化橋梁建模

4.1 T梁橋Dynamo裝配式建模編程思路

Dynamo作為可視化編程控制參數(shù)化軟件，可以將Revit中橋梁構(gòu)件精準(zhǔn)放置，通過嚴(yán)密得邏輯關(guān)系，實(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)拼接橋梁構(gòu)件，完成快速建模。編程思路如下：

(1)信息提取。首先進(jìn)行原始數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，確定路線信息。Civil 3D中的Slope Stake Report功能可對(duì)道路的樁號(hào)、坐標(biāo)、高程等信息進(jìn)行提取，形成Excel文本，為Dynamo插件讀取橋梁信息和邏輯運(yùn)算提供數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。

(2)Dynamo創(chuàng)建路線，并校正。因?yàn)镋xcel中所提取的路線信息數(shù)值是經(jīng)過四舍五入的，當(dāng)Dynamo進(jìn)行讀取并運(yùn)算時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤差，橋梁總長(zhǎng)度越大，累計(jì)誤差也就會(huì)越大，所以需要對(duì)誤差進(jìn)行分析檢查，本文通過一定編程過程如圖4所示進(jìn)行檢驗(yàn)，設(shè)定數(shù)值，使用ALLFalse節(jié)點(diǎn)進(jìn)行判定，并通過Color Range節(jié)點(diǎn)進(jìn)行顏色反饋，當(dāng)數(shù)值大于等于1 mm，則ALLFalse節(jié)點(diǎn)判定為false，Color Range節(jié)點(diǎn)顯示紅色，不符合模型精度要求，返回修改，當(dāng)數(shù)值小于1mm，則ALLFalse節(jié)點(diǎn)判定為ture，Color Range節(jié)點(diǎn)顯示綠色，模型符合精度要求。

圖4 創(chuàng)建路線并校正Fig.4 Creation of route and correction

(3)將已經(jīng)創(chuàng)建好的各類橋梁族導(dǎo)入到Revit中，為Dynamo插件提取橋梁族構(gòu)件信息做準(zhǔn)備。

(4)放置橋梁下部結(jié)構(gòu)并調(diào)整參數(shù)。

目前Revit并不支持坐標(biāo)定位圖元，而Dynamo插件可通過提取信息達(dá)到構(gòu)件或圖元在Revit中定點(diǎn)坐標(biāo)布放。Dynamo中File Path+File.FromPath+ Excel.ReadFromFile節(jié)點(diǎn)組合可提取橋梁項(xiàng)目數(shù)據(jù)采集信息，再利用Family Types提取橋梁各自建族信息，進(jìn)行放置，如圖5所示，確定橋梁下部結(jié)構(gòu)樁號(hào)的位置和方向，并進(jìn)行樁號(hào)位置、橋墩、橋臺(tái)等參數(shù)調(diào)整。

圖5 橋墩、橋臺(tái)位置放置Fig.5 Location of pier and abutment

傳統(tǒng)橋梁模型調(diào)整重復(fù)性操作，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，本文所建Dynamo模板可根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行橋梁模型的修改，例如，可重新導(dǎo)入橋梁路線信息、自定義調(diào)整橋墩高度和蓋梁及橋面坡度，達(dá)到數(shù)據(jù)化修改模型效果，避免因設(shè)計(jì)調(diào)整或失誤，而進(jìn)行的大量重復(fù)操作，從而節(jié)約人工成本和時(shí)間成本。

(5)復(fù)制、放置T梁并編排T梁名稱。因橋梁具有一定彎度，故每片T梁長(zhǎng)度都須進(jìn)行計(jì)算、調(diào)整，如圖6所示，本文利用橋梁橫坡偏距進(jìn)行T梁長(zhǎng)度計(jì)算，使用自適應(yīng)T梁進(jìn)行放置。

圖6 計(jì)算T梁長(zhǎng)度Fig.6 Calculation of T-beam length

(6)脫殼法定位濕接、橫隔板并進(jìn)行自適應(yīng)放置。

(7)放置橋面護(hù)欄、標(biāo)線等。

4.2 退殼法定位濕接、縫橫隔板

濕接縫、橫隔板等隨著橋型變化而變化，并不固定，傳統(tǒng)濕接縫和橫隔板放置不僅復(fù)雜而且繁瑣，本文提出先行用退殼法定位濕接縫、橫隔板，以此為基礎(chǔ)定位、編排、復(fù)制創(chuàng)建T型梁的濕接縫、橫隔板。

退殼法的關(guān)鍵思路在于定位模型關(guān)鍵點(diǎn)位的起點(diǎn)和終點(diǎn)，本文采用八點(diǎn)定位，如圖7所示，然后定位模型線，模型線會(huì)附著T梁變化而隨之改變，相當(dāng)于創(chuàng)建沒有實(shí)體的族這樣就可以通過Dyanmo拾取模型線，并通過Dynamo的有效編程，最終得到自適應(yīng)契合T梁的濕接縫和橫隔板，并且隨著T的梁的調(diào)整變化而隨之自動(dòng)調(diào)整變化，即本文提出的退殼法。

圖7 八點(diǎn)定位濕接縫族模型Fig.7 Eight point location wet joint family model

通過Dynamo的基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行程序編制，根據(jù)退殼法定位并編程過程如圖8所示。

圖8 退殼法過程Fig.8 Shelling process

本文通過以上建模思路，結(jié)合山西省某橋梁工程實(shí)例，給出了一整套基于Dynamo的編程過程，并通過這一程序，實(shí)現(xiàn)了T梁橋的一鍵Revit建模，效果如圖9所示。

圖9 山西省某T梁橋Dynamo編程建模成果Fig.9 Dynamo programming and modeling results of a T-beam bridge in Shanxi province

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)本文通過“Dynamo+Revit”的軟件協(xié)同方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)T梁橋的可視化、精準(zhǔn)化、自動(dòng)化建模，自建基礎(chǔ)的T梁橋族庫(kù)，通過Dyanmo的可視化編程編寫程序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)讀取Excel表格數(shù)據(jù)，橋梁族自動(dòng)定位，自動(dòng)放置，一鍵生成橋梁模型；提出脫殼法定位濕接縫、橫隔板等異型結(jié)構(gòu)的方法，解決了橋梁異性結(jié)構(gòu)在Revit中創(chuàng)建困難的問題，為BIM橋梁的可視化建模提供全新思路，通過山西某工程實(shí)例驗(yàn)證了可行性，最終實(shí)現(xiàn)橋梁項(xiàng)目BIM建模效率提高幾十倍以上。

(2)Dynamo插件的應(yīng)用，在橋梁精準(zhǔn)定位和異形構(gòu)件創(chuàng)建與放置等方面有著巨大優(yōu)勢(shì)，但如果橋梁結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜、橋梁體量過大，則會(huì)造成節(jié)點(diǎn)過程過于龐大與復(fù)雜，這就需要Python的編程語(yǔ)言來輔助簡(jiǎn)化節(jié)點(diǎn)過程，相應(yīng)的提高了設(shè)計(jì)者操作難度。

(3)以Dynamo為核心多款BIM軟件相協(xié)同的梁橋建模的方式為廣大橋梁設(shè)計(jì)師提供了一種新方式，增加了Revit的應(yīng)用范圍，為BIM全周期建模提供了新的研究方向，提高建模效率，同樣也為BIM的正向設(shè)計(jì)提供便利。本文項(xiàng)目的案例應(yīng)用，展示了Dynamo插件在橋梁精準(zhǔn)建模和異型結(jié)構(gòu)創(chuàng)建方面的巨大潛力，本文只是對(duì)橋梁建模過程進(jìn)行優(yōu)化研究，后續(xù)本文將就所建成的橋梁進(jìn)行全生命周期分析優(yōu)化，繼而真正實(shí)現(xiàn)BIM可視化應(yīng)用落地。