基于Revit軟件的公路橋梁標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫(kù)研究

但 晨 肖春紅

(四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610017)

引言

根據(jù)國(guó)家交通運(yùn)輸發(fā)展有關(guān)規(guī)劃，西部地區(qū)是我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的主戰(zhàn)場(chǎng)之一，其建設(shè)環(huán)境特殊復(fù)雜，建設(shè)難度極大。實(shí)踐證明，傳統(tǒng)技術(shù)手段面對(duì)我國(guó)特殊自然地理?xiàng)l件下的工程建設(shè)難題將遇到巨大挑戰(zhàn)。BIM技術(shù)為以上行業(yè)的問(wèn)題和挑戰(zhàn)提供了全新的解決思路[1]。

目前，交通工程領(lǐng)域尚未有適用于橋梁工程的專業(yè)建模軟件支撐，主要依托三大軟件平臺(tái)(Autodesk、Bentley、Dassault)提供的通用解決方案。眾多學(xué)者基于基礎(chǔ)建模功能，針對(duì)市政、鐵路領(lǐng)域的多種結(jié)構(gòu)形式，對(duì)橋梁信息模型進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)和系統(tǒng)研究，以解決軟件專業(yè)性不足的問(wèn)題[2-8]。在公路橋梁建設(shè)中，標(biāo)準(zhǔn)化的裝配式橋梁應(yīng)用最為廣泛，以標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫(kù)快速創(chuàng)建橋梁的思路十分適合于高速公路常規(guī)橋梁標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)[9-10]，標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件庫(kù)亟需根據(jù)工程實(shí)際情況進(jìn)行統(tǒng)一和完善。

本文基于四川高速公路標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，提出了適用于標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)施工的斜交結(jié)構(gòu)橋梁構(gòu)件創(chuàng)建方法，并使用Revit程序?qū)崿F(xiàn)了常規(guī)橋梁上下部結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫(kù)的創(chuàng)建，適應(yīng)了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的信息化需求。同時(shí)，結(jié)合Revit軟件提供的應(yīng)用程序編程接口(API)，以WPF技術(shù)框架完成了構(gòu)件族庫(kù)輔助插件和管理程序的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了使用SQLServer數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)構(gòu)件族庫(kù)參數(shù)的管理。

1 橋梁BIM構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化配置

作為信息模型的基礎(chǔ)元素，本文對(duì)構(gòu)件族庫(kù)的涵蓋內(nèi)容、命名規(guī)則、屬性信息進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化約定。

1.1 橋梁BIM構(gòu)件庫(kù)內(nèi)容

(1)上部結(jié)構(gòu)

上部結(jié)構(gòu)指的是在線路遇到障礙而中斷時(shí)，跨越這類障礙的主要承載結(jié)構(gòu)。預(yù)制拼裝梁式橋具有可以大規(guī)模提前預(yù)制施工、施工工藝簡(jiǎn)單等多種優(yōu)點(diǎn)，能夠有效縮短施工工期，保證施工質(zhì)量及安全。標(biāo)準(zhǔn)化上部構(gòu)造主要包括：簡(jiǎn)支T梁、簡(jiǎn)支小箱梁和濕接縫等。上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件的Revit族類型采用“公制結(jié)構(gòu)框架—梁和支撐”。

(2)下部結(jié)構(gòu)

下部結(jié)構(gòu)指的是支撐橋梁上部結(jié)構(gòu)并將其荷載傳遞至地基的橋墩、橋臺(tái)和基礎(chǔ)的總稱。橋墩橋臺(tái)型式主要受地形、地質(zhì)和墩臺(tái)高度的影響，橋墩族庫(kù)主要包括圓柱墩、實(shí)心方墩及空心薄壁墩等，橋臺(tái)族庫(kù)主要包括樁柱式橋臺(tái)、肋板式橋臺(tái)及重力式橋臺(tái)等。每種橋墩橋臺(tái)族可根據(jù)跨徑、墩高和地震烈度的變化設(shè)置一系列樁柱尺寸不同的族類型。下部結(jié)構(gòu)構(gòu)件的Revit族類型采用“公制常規(guī)模型”。

1.2 橋梁構(gòu)件命名規(guī)則

橋梁構(gòu)件分為零件、組件及構(gòu)件三個(gè)結(jié)構(gòu)層次。底層模型為“零件層”，層次代碼為L(zhǎng)TLJ(梁體零件)、QDLJ(橋墩零件)及QTLJ(橋臺(tái)零件)，是橋梁結(jié)構(gòu)的最基本元素。零件的命名均按照傳統(tǒng)設(shè)計(jì)習(xí)慣命名并冠以相關(guān)編碼，零件命名規(guī)則為：“層次代碼—編號(hào)及零件名稱”，例如“LTLJ-01側(cè)墻、QDLJ-04蓋梁—矩形”；

“組件層”為零件的嵌套組合，形成具有一定功能的嵌套族，組合按照“層次代碼—編號(hào)及組件名稱”的格式命名，例如“JCZJ-03群樁基礎(chǔ)”；

“構(gòu)件層”為具有完整工程功能的構(gòu)造物，上部結(jié)構(gòu)按照“層次代碼—編號(hào)及構(gòu)件名稱”命名，例如“LT-01T梁”； 下部結(jié)構(gòu)按照“層次代碼—編號(hào)及構(gòu)件名稱—基礎(chǔ)形式”的格式命名，例如“QT-02重力式橋臺(tái)—承臺(tái)樁基”。

1.3 構(gòu)件參數(shù)規(guī)則

根據(jù)《公路工程設(shè)計(jì)信息模型應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》(JTG/T 2421-2021)的規(guī)定，橋梁標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件的參數(shù)需要包含四種類型信息：標(biāo)識(shí)信息、位置信息、尺寸信息及設(shè)計(jì)信息。

1.3.1 標(biāo)識(shí)信息

標(biāo)識(shí)信息主要包括分類編碼和標(biāo)識(shí)碼。

(1)分類編碼

根據(jù)《公路工程信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(JTG/T 2420-2021)的規(guī)定，信息模型需要按照現(xiàn)行《建筑信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51269)的相關(guān)要求擴(kuò)展執(zhí)行。分類編碼是后續(xù)模型應(yīng)用時(shí)識(shí)別模型類型的重要標(biāo)識(shí)。

(2)標(biāo)識(shí)碼

在要素分類的基礎(chǔ)上，用以對(duì)某一類數(shù)據(jù)中某個(gè)實(shí)體進(jìn)行唯一標(biāo)識(shí)的代碼，以便于按實(shí)體進(jìn)行存貯或?qū)?shí)體進(jìn)行逐個(gè)查詢和檢索，以彌補(bǔ)分類碼的不足。

1.3.2 位置信息

位置信息主要包括構(gòu)件的相關(guān)樁號(hào)信息和定位編碼。

(1)樁號(hào)信息

公路為線性工程，樁號(hào)能夠準(zhǔn)確地描述橋梁構(gòu)件在道路線形上的區(qū)域位置。

(2)定位編碼

圖1 橋梁構(gòu)件的唯一標(biāo)識(shí)

1.3.3 尺寸信息

尺寸信息需要包含構(gòu)件的幾何尺寸以及幾何信息，橋梁構(gòu)件參數(shù)需要滿足以下要求：

(1)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵尺寸應(yīng)參數(shù)化，以適應(yīng)不同標(biāo)準(zhǔn)圖和跨徑尺寸的要求；

(2)梁體高度、腹板厚度等通用尺寸采用“類型參數(shù)”實(shí)現(xiàn)，保證相同族類型批量調(diào)整參數(shù)的便捷性；

(3)梁體長(zhǎng)度、梁體橫坡等非通用尺寸采用“實(shí)例參數(shù)”實(shí)現(xiàn)，以適應(yīng)單個(gè)族實(shí)例對(duì)具體參數(shù)修改的要求。

1.3.4 相關(guān)信息

設(shè)計(jì)信息需包含構(gòu)件材質(zhì)情況和設(shè)計(jì)編號(hào)等能夠反映設(shè)計(jì)意圖的相關(guān)信息。

(1)材質(zhì)參數(shù)

天脊集團(tuán)明確規(guī)定：對(duì)于各種不可預(yù)測(cè)的重大變化或各類突發(fā)事故和事件，一旦發(fā)生，責(zé)任單位必須第一時(shí)間匯報(bào)調(diào)度指揮中心，啟動(dòng)相應(yīng)的應(yīng)急響應(yīng)程序，及時(shí)制定有效措施，加快對(duì)重大變化的跟蹤落實(shí)與處理，實(shí)現(xiàn)變化的有效控制，并及時(shí)匯報(bào)進(jìn)展情況，以便科學(xué)決策與精準(zhǔn)指揮。

表達(dá)各零件的材質(zhì)類型，材質(zhì)參數(shù)命名以“構(gòu)件名稱_材料”的格式命名。

(2)設(shè)計(jì)編號(hào)

由于各設(shè)計(jì)院、設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)習(xí)慣并不一致，橋梁各構(gòu)件編號(hào)形式較多，但為便于構(gòu)件的后續(xù)利用，定位參數(shù)需要保證唯一性，故預(yù)留設(shè)計(jì)編號(hào)參數(shù)，與設(shè)計(jì)文件保持一致。

圖2 Revit放樣融合命令使用方法

2 橋梁構(gòu)件的創(chuàng)建方法

2.1 三維模型的制作思路

本文通過(guò)對(duì)多個(gè)高速公路項(xiàng)目的通用圖研究可知，橋梁結(jié)構(gòu)大部分構(gòu)件為線性構(gòu)件，構(gòu)件斷面較為復(fù)雜，而構(gòu)件軸線較為簡(jiǎn)單。在Revit基本建模方式中(如圖2所示)，放樣和放樣融合兩種方法可以采用導(dǎo)線方式建模，但放樣無(wú)法實(shí)現(xiàn)截面變化，而放樣融合使用輪廓族來(lái)表征所需形狀，可以將輪廓也進(jìn)行參數(shù)化，以提高截面重用率，因此選擇放樣融合實(shí)現(xiàn)橋梁構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化的幾何表達(dá)。

2.2 斜交結(jié)構(gòu)的幾何控制要點(diǎn)

與建筑結(jié)構(gòu)項(xiàng)目相比，橋梁結(jié)構(gòu)需要支持結(jié)構(gòu)斜交來(lái)適應(yīng)橋梁軸線與其跨越河流或道路不相垂直的情況，同時(shí)也需要考慮結(jié)構(gòu)橫坡來(lái)適應(yīng)道路橫坡。在橋梁構(gòu)建中，背墻、耳墻和側(cè)墻等構(gòu)件需要考慮設(shè)置背墻前仰后傾以適應(yīng)縱坡，因此橋梁構(gòu)件需要實(shí)現(xiàn)多個(gè)維度的形狀變化，分別是：結(jié)構(gòu)尺寸，斜交角度，路線縱坡及結(jié)構(gòu)橫坡。

(1)結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)化

為了兼顧結(jié)構(gòu)安全和橋梁經(jīng)濟(jì)性，橋梁構(gòu)件的幾何尺寸會(huì)依據(jù)受力情況進(jìn)行優(yōu)化，而幾何尺寸大多是沿構(gòu)件軸線方向變化，并且不同設(shè)計(jì)企業(yè)通用圖輪廓尺寸也存在差異，因此對(duì)構(gòu)件斷面參數(shù)化程度的要求較高。以T梁為例，梁體斷面所有尺寸均可以通過(guò)參數(shù)調(diào)整，如圖3所示。

(2)結(jié)構(gòu)橫坡的實(shí)現(xiàn)

為了適應(yīng)路面橫坡，下部結(jié)構(gòu)大多采用與路面同坡的設(shè)計(jì)思路。結(jié)構(gòu)體左側(cè)截面與右側(cè)截面存在相對(duì)高差，高差值為結(jié)構(gòu)體寬度與橫坡的乘積，而放樣融合中，可以通過(guò)控制融合體兩側(cè)輪廓的垂直輪廓偏移值來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。

圖3 橫斷面尺寸參數(shù)化

圖4 結(jié)構(gòu)體橫坡的實(shí)現(xiàn)

(3)結(jié)構(gòu)斜交的實(shí)現(xiàn)

斜交結(jié)構(gòu)會(huì)造成結(jié)構(gòu)兩側(cè)斷面在順橋向有里程差，里程差值為結(jié)構(gòu)體寬度與斜交角度余弦的乘積，而放樣融合中，可以通過(guò)控制融合體兩側(cè)輪廓的水平輪廓偏移值來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖5所示。

圖5 結(jié)構(gòu)體斜交的實(shí)現(xiàn)

(4)路線縱坡的實(shí)現(xiàn)

圖6 背墻前傾后仰的實(shí)現(xiàn)

道路縱坡對(duì)構(gòu)造的影響主要體現(xiàn)在下部結(jié)構(gòu)橋臺(tái)背墻上，為了保證橋臺(tái)背墻不與設(shè)置了縱坡的上部結(jié)構(gòu)相互干擾，橋臺(tái)背墻需要背墻傾角，側(cè)墻、耳墻、搭板等也因此產(chǎn)生變形。背墻傾角需要對(duì)背墻輪廓本身進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置；背墻輪廓由多個(gè)角點(diǎn)控制，分別計(jì)算角點(diǎn)坐標(biāo)，通過(guò)參數(shù)約束參照平面位置，控制角點(diǎn)位置，最終約束輪廓線，形成輪廓族，實(shí)現(xiàn)前傾角度，如圖6所示。

橋梁構(gòu)件均可通過(guò)綜合利用以上四個(gè)基本實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行創(chuàng)建。按照BIM構(gòu)件族庫(kù)需求，創(chuàng)建所有橋梁零件并通過(guò)嵌套族的方式在族環(huán)境下將所有零件進(jìn)行組裝，并將嵌套族參數(shù)與子族參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)綁定，最終實(shí)現(xiàn)具有完整功能的橋梁構(gòu)件族。

2.3 構(gòu)件族庫(kù)創(chuàng)建輔助插件

在橋梁構(gòu)件的制作中，存在對(duì)于大量模型參數(shù)、參數(shù)公式的批量化修改需求，本文根據(jù)Revit提供的API(Application Programming Interface，應(yīng)用程序接口)，結(jié)合WPF框架依托C#語(yǔ)言進(jìn)行Revit二次開(kāi)發(fā)，形成構(gòu)件族庫(kù)創(chuàng)建輔助功能插件(如圖7所示)，簡(jiǎn)化了構(gòu)件族庫(kù)的制作過(guò)程。

圖7 族庫(kù)創(chuàng)建輔助功能插件

3 標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫(kù)的創(chuàng)建與應(yīng)用

本文制作了可以適用于四川高速公路常規(guī)簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)的上下部結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件。上部結(jié)構(gòu)主要包括：簡(jiǎn)支T梁、簡(jiǎn)支小箱梁和簡(jiǎn)支空心板等，下部結(jié)構(gòu)主要包括：圓柱式墩、實(shí)心方墩、空心薄壁墩、重力式橋臺(tái)、樁柱式橋臺(tái)和肋板式橋臺(tái)等，如圖8所示。

圖8 橋梁標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件庫(kù)示例

由于橋梁構(gòu)件的參數(shù)化程度較高，設(shè)計(jì)參數(shù)填寫(xiě)也較為繁瑣。本文基于Visual Studio平臺(tái)和SQLServers技術(shù)，采用C#語(yǔ)言編寫(xiě)橋梁結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件管理程序(如圖9所示)，以項(xiàng)目級(jí)別對(duì)構(gòu)件參數(shù)進(jìn)行管理，并以SQL數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)參數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)。

本文完成的橋梁標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件庫(kù)已在《仁沐新高速公路建設(shè)管理項(xiàng)目》等多個(gè)建設(shè)管理平臺(tái)項(xiàng)目(如圖10所示)進(jìn)行運(yùn)用，合計(jì)建立橋梁模型600余座，并在項(xiàng)目過(guò)程中依據(jù)工程實(shí)際需求對(duì)結(jié)構(gòu)功能和參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

圖9 標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件管理程序

圖10 建設(shè)管理平臺(tái)應(yīng)用

4 結(jié)論

本文結(jié)合《公路工程設(shè)計(jì)信息模型應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)》，形成了一套標(biāo)準(zhǔn)化橋梁構(gòu)件創(chuàng)建方法，并以此方法實(shí)現(xiàn)了適用于四川高速公路項(xiàng)目的橋梁標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件族庫(kù)。使用C#語(yǔ)言進(jìn)行Revit軟件二次開(kāi)發(fā)，形成了具有橋梁庫(kù)構(gòu)件創(chuàng)建功能的插件，結(jié)合SQLServer數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)完成了構(gòu)件參數(shù)的管理和存儲(chǔ)程序。

構(gòu)件族庫(kù)持續(xù)運(yùn)用于多個(gè)建設(shè)管理平臺(tái)，完成了大量橋梁模型工作，在工程實(shí)踐中對(duì)族庫(kù)進(jìn)一步完善和提高，為逐步實(shí)現(xiàn)橋梁正向設(shè)計(jì)和信息數(shù)字化交付積累了經(jīng)驗(yàn)，有效推動(dòng)了四川省高速公路工程信息化應(yīng)用的發(fā)展水平提高。