三維視角下橋梁構(gòu)件設(shè)計交互與出圖方式研究

湯宏偉，譚弘燦，曾凡云

（中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410014）

0 前 言

BIM是建筑信息模型（BuildingInformationModeling）的簡稱，是基于三維模型實現(xiàn)建設(shè)項目物理特性、功能特性和管理要素的描述［1］，于1999年被Tolman教授正式提出［2］。BIM技術(shù)在我國推廣應(yīng)用時間較晚，住建部先后頒布《2011—2015年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》《關(guān)于推進(jìn)建筑信息模型應(yīng)用的指導(dǎo)意見》和《2016—2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》，希望借新時期數(shù)字化浪潮全面提高建筑業(yè)信息化以及BIM 技術(shù)的應(yīng)用水平［3］。近年來，隨著BIM技術(shù)和理念的不斷發(fā)展，大量的基礎(chǔ)設(shè)施類工程都會配備項目BIM施工運維的管控平臺，用于輔助運維管理決策、提升運維管理水平，如中開高速數(shù)字化管控平臺［4］等。這些平臺的運行有效提高了項目精細(xì)化管控水平，降低了工程施工期的成本。提升工程質(zhì)量是項目參與方對項目全生命期進(jìn)行有效管理的重要工具。

但與此同時，BIM技術(shù)在設(shè)計階段的應(yīng)用發(fā)展速度卻一直較為緩慢，這是因為若不考慮工程數(shù)據(jù)資產(chǎn)的全生命周期協(xié)同應(yīng)用，而僅從單個設(shè)計階段而言，傳統(tǒng)的二維設(shè)計方法已經(jīng)深入人心。對于設(shè)計院而言，BIM技術(shù)如果達(dá)不到客戶的滿意程度而強(qiáng)行推廣，不僅影響設(shè)計進(jìn)度和效率，還會影響設(shè)計院的經(jīng)濟(jì)效益［5］。故設(shè)計人員常通過采用手動建模的方式將最終二維設(shè)計方案轉(zhuǎn)換為三維幾何模型（俗稱：翻模），并掛接上對應(yīng)的材料及其他屬性后導(dǎo)入數(shù)字化運維管理平臺。此過程工作量較大，且當(dāng)設(shè)計方案頻繁變更時，其重復(fù)勞動的性質(zhì)嚴(yán)重影響了生產(chǎn)人員的積極性。

本文提出了一種基于三維視角下常規(guī)橋梁構(gòu)件設(shè)計交互與出圖的方式，并利用Bentley平臺［6］下的軟件OpenRoadsDesigner進(jìn)行了功能二次開發(fā)，輔助用戶在三維視角完成參數(shù)化構(gòu)件的尺寸設(shè)計并自動生成對應(yīng)圖紙，在設(shè)計階段充分發(fā)揮BIM模型清晰直觀的優(yōu)勢，優(yōu)化了設(shè)計交互體驗，避免了反復(fù)翻模的過程。本方法在S215屏山縣屏山鎮(zhèn)至?xí)鴺擎?zhèn)段新建工程設(shè)計項目中的實踐，驗證了其適用性。

1 橋梁設(shè)計與表達(dá)方式分析

1.1 現(xiàn)有橋梁設(shè)計方式的缺陷

傳統(tǒng)橋梁二維設(shè)計主要是基于平立剖圖紙的繪制過程，圖紙是設(shè)計方案的唯一載體。以橋梁構(gòu)件中常見的樁柱式橋墩平面圖為例（見圖1）：墩柱、樁基以及系梁由于位于蓋梁下方，故其外輪廓線需要使用虛線進(jìn)行表達(dá)，導(dǎo)致圖中線條數(shù)目眾多，且線型為實線與虛線組合，而高度相關(guān)信息位于立面圖或剖面圖中，進(jìn)一步增大了圖紙的復(fù)雜程度。由此理解圖紙內(nèi)容需具備一定的空間想象能力，不利于施工人員快速理解圖紙所描述的方案。

圖1 樁柱式橋墩平面（單位：mm）

近年來，市場上出現(xiàn)了一些橋梁專業(yè)的三維設(shè)計軟件，能清晰直觀地顯示設(shè)計過程中的三維模型，但其設(shè)計交互常常采用圖2中變量填表的方式［7］。設(shè)計人員往往難以直觀準(zhǔn)確地判別某變量具體對應(yīng)于模型中哪一個物理量，當(dāng)設(shè)計復(fù)雜的橋梁構(gòu)件時，變量數(shù)目眾多，此時設(shè)計交互的友好度較低。

圖2 三維設(shè)計軟件常見交互方式

完成對應(yīng)設(shè)計過程后，現(xiàn)有軟件常選擇生成傳統(tǒng)二維圖紙作為交付成果，在方案的表達(dá)方面未能充分利用已生成的三維模型且開發(fā)工作量較大，其出圖效果也難以與積累多年的傳統(tǒng)二維設(shè)計軟件生成的圖紙相媲美，常需要設(shè)計人員人工干預(yù)調(diào)整。

1.2 標(biāo)注功能缺陷

無論二維設(shè)計或三維設(shè)計，尺寸標(biāo)注都是表達(dá)方案的重要手段。以Bentley平臺（簡稱：B平臺）的標(biāo)注元素為例進(jìn)行說明，其原生二維標(biāo)注在用于三維視角的成果表達(dá)時仍存在一些配置項的缺陷。圖3為墩帽尺寸的兩個標(biāo)注，3000標(biāo)注項位于平面XOY中，而2000標(biāo)注項位于平面XOZ中。在傳統(tǒng)的二維表達(dá)方法中，所有元素均位于XOY平面中，故無需對標(biāo)注所在平面進(jìn)行定義。但三維視角下，不同的標(biāo)注項需根據(jù)視角選擇特定的平面，以保證標(biāo)注不被模型遮擋且能清晰表達(dá)［8］，但原生標(biāo)注功能并無法對其標(biāo)注平面的法向進(jìn)行配置，必須手動指定，此缺陷亦存在于角度標(biāo)注與注釋標(biāo)注中。由于橋梁構(gòu)件中標(biāo)準(zhǔn)化程度較高，故根據(jù)需要固化各標(biāo)注所在的平面，抽取配置變量，利用二次開發(fā)的工具從而推進(jìn)整體標(biāo)準(zhǔn)化工作的集成。

圖3 三維視角下的二維標(biāo)注

圖4為利用B平臺下的原生標(biāo)注工具繪制出的標(biāo)注，假設(shè)實際標(biāo)注的點位為A、B兩點，尺寸引出線起點為C、D兩點，標(biāo)注箭頭與引出線交點為E、F兩點，利用工作空間可以對AC與BD的長度（對應(yīng)圖4中標(biāo)注偏移）、箭頭大小、文字樣式等進(jìn)行配置。對于AE、BF的長度（對應(yīng)圖4中標(biāo)注高度），此值直接影響最終標(biāo)注的整齊與美觀，一般設(shè)計院對于該值都有明確的規(guī)定，但在B平臺卻無法利用現(xiàn)有配置變量的功能完成定制，而只能在繪制標(biāo)注的過程中完成指定，不利于各設(shè)計單位個性化的定制。

圖4 B平臺下原生標(biāo)注功能

2 橋梁構(gòu)件設(shè)計交互與出圖方式的優(yōu)化

2.1 臨時元素

臨時元素為利用B平臺底層的IViewTransient接口生成的元素，其最大的特點在于與模型無關(guān)而與視圖相關(guān)。使用臨時元素可以在視圖層面進(jìn)行內(nèi)容的繪制但不影響實際三維模型結(jié)果，也無需擔(dān)心用戶誤操作導(dǎo)致其手動被刪除，但可通過掛接一系列的觸發(fā)事件完成重繪，最終實現(xiàn)“標(biāo)注單元浮于模型之上，卻又能支持自定義交互”的效果，且該元素在視圖的切換、旋轉(zhuǎn)、更新時可自動刷新，保證了視覺效果的美觀與智能。

2.2 外接本地數(shù)據(jù)庫

由于1.2節(jié)提到的原生標(biāo)注功能與配置項的缺陷，利用SQLite對標(biāo)注高度（DimensionHeight）以及最終的文字旋轉(zhuǎn)方向（TextRotateDirEnum）進(jìn)行了外接本地數(shù)據(jù)庫的配置。其中文字旋轉(zhuǎn)方向以其旋轉(zhuǎn)后所在平面的法向及對應(yīng)的枚舉值表示，可按順橋向、橫橋向以及豎直方向等為基準(zhǔn)進(jìn)行定義。

對于不同設(shè)計單位，只需由本單位的管理員對配置文件做相應(yīng)的定制化操作，即可滿足本單位的制圖標(biāo)準(zhǔn)，如圖5所示；結(jié)合B平臺中原生的工作空間Dgnlib相關(guān)功能可形成一套完整的配置文件。通過二次開發(fā)可在程序運行過程中實現(xiàn)對外接數(shù)據(jù)庫配置數(shù)據(jù)的讀取。

圖5 外接配置數(shù)據(jù)庫

2.3 設(shè)計交互與出圖流程

為了避免設(shè)計人員交互過程中變量填表式的用戶體驗，基于B平臺提供的二次開發(fā)接口，繪制了一系列臨時標(biāo)注元素，包括尺寸標(biāo)注、角度標(biāo)注以及標(biāo)高標(biāo)注等。由于這些標(biāo)注僅為用戶交互調(diào)整的中間產(chǎn)物，故對圖形做了簡化處理，如不包含尺寸標(biāo)注箭頭、標(biāo)注高度采取默認(rèn)值，但這并不影響設(shè)計人員的設(shè)計過程。

開發(fā)程序中內(nèi)置了大量的參數(shù)化構(gòu)件。以樁柱式橋墩為例，設(shè)計人員可以在三維視角上清晰地看到每一個標(biāo)注具體的數(shù)值及其代表的物理含義，如圖6（a）所示，圖中標(biāo)注了蓋梁所對應(yīng)的長、寬、高數(shù)值。陰影區(qū)域的標(biāo)注具備交互即時調(diào)整的功能，即掛接了點擊修改的觸發(fā)事件，如圖6（b）所示蓋梁蓋度。當(dāng)用戶希望調(diào)整該值時，直接單擊對應(yīng)的標(biāo)注文字，程序自動彈出交互式對話框，用戶將變更數(shù)值填入對話框后，模型與標(biāo)注隨即完成對應(yīng)刷新，如圖6（c）所示，十分清晰便捷。

圖6 參數(shù)化構(gòu)件交互調(diào)整（單位：mm）

當(dāng)用戶選擇最終出圖時，利用內(nèi)存中存儲的設(shè)計數(shù)據(jù)與原生Dgnlib文件，同時讀取SQLite外接數(shù)據(jù)庫中標(biāo)注的高度，完成原生標(biāo)注的繪制，并利用配置的文字旋轉(zhuǎn)方向（TextRotateDirEnum）構(gòu)造標(biāo)注文字的旋轉(zhuǎn)矩陣，調(diào)整文字朝向，最終達(dá)到良好的視覺效果。整體設(shè)計交互與出圖流程如圖7所示。

圖7 改進(jìn)后設(shè)計交互與出圖流程

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

以S215屏山縣屏山鎮(zhèn)至?xí)鴺擎?zhèn)段新建工程為例，路線起點K0＋000m位于G353與屏山縣金沙江大道交叉口處，路線終點K23＋872.313m位于書樓鎮(zhèn)，與省道S311形成T型交叉。通過在K13＋400m處設(shè)置鴨池至鴨池互通連接線，將本項目與宜攀高速鴨池互通連接，連接線終點為ZK3＋472.295m。本項目公路等級為二級公路，路線全長27.346km，其中屏山至鴨池段長13.400km，設(shè)計速度采用60km／h；鴨池至?xí)鴺嵌伍L10.473km，設(shè)計速度采用40km／h；鴨池至鴨池互通連接線長3.473km，設(shè)計速度采用60km／h。

3.2 設(shè)計應(yīng)用

對本項目主線推薦線的4座常規(guī)預(yù)制橋梁下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維設(shè)計正向設(shè)計及出圖（一般構(gòu)造圖），4座橋梁分別為：K0＋464m團(tuán)燈子一號大橋（6×40m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁），橋長248.08m；K0＋857m團(tuán)燈子二號大橋（7×40m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁），橋長288.08m；K5＋913m李家壩中橋（3×30m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁），橋長105.08m；K9＋390m趙家咀大橋（7×40m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁），橋長288.08m。

以K0＋464m團(tuán)燈子一號大橋1號橋墩三維視角一般構(gòu)造圖進(jìn)行說明，由于標(biāo)注元素數(shù)量較多，為避免表達(dá)不清及與模型的相互遮擋，對其進(jìn)行了分類，在不同的視角下展現(xiàn)不同的標(biāo)注。由于交互調(diào)整的視圖與最終出圖效果共用一套模型以及標(biāo)注點位的數(shù)據(jù)，僅存在臨時元素標(biāo)注與原生標(biāo)注的區(qū)別，本文僅顯示最終出圖效果（見圖8）。動態(tài)交互的效果可參考2.3節(jié)。

圖8 S215團(tuán)燈子一號大橋1號橋墩三維構(gòu)造

三維視角出圖由于對實體的渲染，實心、空心等一目了然，不需再借助復(fù)雜的虛線反映未剖切到的構(gòu)造輪廓線，經(jīng)設(shè)計人員反饋，設(shè)計交互式體驗友好，調(diào)整機(jī)制較為靈活，出圖效果良好，但存在配置參數(shù)較為復(fù)雜的問題，建議優(yōu)先確定標(biāo)準(zhǔn)化程度較高構(gòu)件的三維標(biāo)準(zhǔn)圖及配置參數(shù)，再進(jìn)一步推廣。

4 結(jié) 論

本文針對公路BIM設(shè)計中的常規(guī)橋梁構(gòu)件進(jìn)行研究，提出了一種基于三維視角下構(gòu)件設(shè)計交互與出圖的方式，并利用Bentley平臺下的軟件Open-RoadsDesigner進(jìn)行了功能二次開發(fā)。通過本方法在實際工程項目中的實踐，驗證了適應(yīng)性，其主要特性列舉如下：

（1）設(shè)計交互采用三維視角下直接點擊對應(yīng)標(biāo)注進(jìn)行修改的方法，模型即時聯(lián)動刷新，避免了變量填表的設(shè)計體驗，清晰、直觀、便捷。

（2）選取不同視角進(jìn)行三維出圖，避免復(fù)雜的傳統(tǒng)二維表達(dá)方式，降低了原有圖紙的讀圖難度，可便于施工人員快速掌握設(shè)計成果的幾何特性。

（3）整個設(shè)計交互出圖流程完全擺脫傳統(tǒng)的二維表達(dá)方式，且都基于一套穩(wěn)定的模型數(shù)據(jù)，不存在三維到二維，或二維到三維轉(zhuǎn)化而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失、冗余開發(fā)或相關(guān)翻模工作，為公路BIM三維正向設(shè)計奠定重要基礎(chǔ)，且相關(guān)模型可進(jìn)一步導(dǎo)入數(shù)字化平臺進(jìn)行施工運維的全生命周期管理。

但本方法仍存在以下技術(shù)問題，有待進(jìn)一步探索：

（1）由于三維標(biāo)注在空間中容易被模型或其他三維標(biāo)注遮擋，故往往需要通過偏移操作避免此類情況，而偏移會帶來一定的空間視覺誤差，影響視覺效果。故單一視角下標(biāo)注尺寸不宜過多，對于特殊形式的下部結(jié)構(gòu)（如重力式橋臺或薄壁式橋臺），其構(gòu)件尺寸復(fù)雜，最終出圖時需選擇較多視角組合表達(dá)，相關(guān)配置或視角選擇較為繁瑣。

（2）在傳統(tǒng)二維表達(dá)方式中可對樁基等較長的構(gòu)件進(jìn)行截斷簡化表達(dá)以節(jié)省圖幅，本文出圖技術(shù)路線基于真實三維模型，并未對模型進(jìn)行特殊簡化處理，對于較長的樁基會占用較多圖幅空間，由于此時模型橫橋向十分緊湊，為避免遮擋問題將進(jìn)一步增加配置難度。

（3）此方法適用于標(biāo)準(zhǔn)化程度較高的橋梁構(gòu)件，且主要針對一般構(gòu)造圖這類以長寬高等標(biāo)注為主的圖紙。對于鋼束、鋼筋構(gòu)造圖，其模型十分密集且復(fù)雜，目前暫不適用于本文所述三維視角下進(jìn)行設(shè)計交互出圖的方式，相關(guān)三維表達(dá)有待進(jìn)一步研究。