基于BIMBase 的人行拱橋參數(shù)化建模研究

趙歧林 王章瓊 徐曉雅 周意 蔡永輝

（武漢工程大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，武漢 430074）

引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)建筑設(shè)計(jì)行業(yè)的發(fā)展，常規(guī)的三維建模方式已不能滿足復(fù)雜模型建模及建模效率的需求。參數(shù)化建模是實(shí)現(xiàn)三維模型的方式之一，其用腳本語(yǔ)言面對(duì)對(duì)象賦予幾何尺寸初始參數(shù)，生成模型后可通過(guò)修改相關(guān)參數(shù)值，模型隨之發(fā)生相應(yīng)的變化[1]。此方法具有模型快速生成、修改速度快等特點(diǎn)，為此，大量學(xué)者進(jìn)行了參數(shù)化建模的應(yīng)用與研究。例如，仇朝珍等[2]采用Revit 中的Dynamo 插件基于Python 腳本進(jìn)行參數(shù)化建模，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的建模功能；劉兆新等[3]利用Revit 進(jìn)行二次開發(fā),實(shí)現(xiàn)了隧道初期支護(hù)構(gòu)件的參數(shù)化創(chuàng)建；何祥平等[4]采用Revit 中參數(shù)化族建立連續(xù)橋梁的參數(shù)化族庫(kù)，調(diào)用族庫(kù)即可快速集成橋梁結(jié)構(gòu)模型。以上學(xué)者的研究思路對(duì)參數(shù)化建模具有參考價(jià)值，目前大量參數(shù)化建模研究致力于Revit 軟件[5-7]。而Revit 軟件由國(guó)外Autodesk 公司開發(fā)，存在建模流程繁瑣[8]和信息不安全等缺陷。由北京構(gòu)力科技有限公司自主研發(fā)的國(guó)產(chǎn)化軟件BIMBase 彌補(bǔ)了以上缺陷。人行拱橋具有臺(tái)階、變截面、造型奇特、多曲線等特點(diǎn)，采用常規(guī)Revit 三維建模方法修改麻煩且無(wú)法進(jìn)行大批量快速設(shè)計(jì)，而基于BIMBase 的參數(shù)化建模技術(shù)能解決這一問(wèn)題。

本文基于BIMBase 進(jìn)行人行拱橋參數(shù)化建模，介紹參數(shù)化建模流程，利用BIMBase 軟件介紹一種針對(duì)人行拱橋的參數(shù)化建模方法，并查驗(yàn)該模型的準(zhǔn)確性，及總結(jié)BIMBase 參數(shù)化建模的優(yōu)勢(shì)。

1 參數(shù)化建模及相關(guān)軟件

參數(shù)化意味著建立整個(gè)模型的邏輯性和關(guān)聯(lián)性，只要關(guān)聯(lián)的邏輯固定，每個(gè)參數(shù)的變化都能得到及時(shí)反饋，從而達(dá)到改變模型的目的[9]。與常規(guī)三維建模方式相比，參數(shù)化建模主要解決線形復(fù)雜、異形曲面建模難等問(wèn)題，且大幅提高設(shè)計(jì)效率[10]。

目前建筑工程三維建模軟件大多從國(guó)外引進(jìn)，可進(jìn)行參數(shù)化建模的軟件有：Revit 系列、Bentley 系列、3DMax 等[11]。其中具有代表性的Revit 系列有兩種方式實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模，一種采用族實(shí)現(xiàn)，具有一定的局限性，例如無(wú)法實(shí)現(xiàn)本文踏步自動(dòng)調(diào)整功能，另一種使用C++、C＃等語(yǔ)言編寫代碼實(shí)現(xiàn)[12]，其調(diào)試過(guò)程比較繁瑣，需要編譯、啟動(dòng)調(diào)試（運(yùn)行軟件），然后運(yùn)行代碼。若需改動(dòng)代碼，則要關(guān)閉軟件，編輯代碼，重新編譯，重啟調(diào)試后運(yùn)行代碼。整個(gè)過(guò)程較為繁瑣，反復(fù)編譯、調(diào)試，拖慢建模進(jìn)度。而基于BIMBase 的Python 參數(shù)化組件在建模時(shí)可以“熱插拔”，即代碼在運(yùn)行時(shí)會(huì)自動(dòng)編譯，編譯通過(guò)后會(huì)自動(dòng)在BIMBase中生成參數(shù)化模型。因此，BIMBase 參數(shù)化建模可以在建模過(guò)程中進(jìn)行快速調(diào)試，提高建模效率。

2 BIMBase 建模

2.1 BIMBase 參數(shù)化建模

與Revit 一致，BIMBase 為用戶提供了兩種建模途徑，一種是以常規(guī)三維建模技術(shù)所支撐的點(diǎn)、線、面等幾何元素為基礎(chǔ)進(jìn)行工程內(nèi)容的創(chuàng)建，此方法較為傳統(tǒng)，不夠智能化；另一種則是采用基于計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編寫代碼來(lái)驅(qū)動(dòng)三維模型的生成，允許三維模型因使用者的控制或相關(guān)工程參數(shù)改變而自動(dòng)更新，即參數(shù)化建模[13]。BIMBase 平臺(tái)提供了二次開發(fā)的接口，提供原生C++開發(fā)接口，并提供Python 接口、C#、.net開發(fā)接口，降低開發(fā)難度。

由于Python 有著大量、優(yōu)質(zhì)的第三方庫(kù)，例如爬蟲（Requests、Scrapy）、 數(shù)據(jù)分析（Numpy、Pandas）、文本處理（openyxl、python-docx）及Web開發(fā)等。因此，基于BIMBase 技術(shù)的Python 參數(shù)化組件建模有著更多的可能，用戶可賦予任意數(shù)字的屬性，滿足特定功能需求。

2.2 建模技術(shù)路線

參數(shù)化建模時(shí)，所有涉及數(shù)值的變量都可以設(shè)置為參數(shù)，根據(jù)需要確定模型所需參數(shù)；其次建立幾何體各部分的位置關(guān)系、參數(shù)約束條件等，對(duì)于復(fù)雜模型可以將其分解成多個(gè)子構(gòu)件，分別建立子構(gòu)件的參數(shù)化模型，再將這些子構(gòu)件組合，形成一套完整的參數(shù)化模型；最后，運(yùn)行Python 腳本，切換至BIMBase 中即可生成模型，并對(duì)參數(shù)化模型檢查不同變量條件下的幾何形狀，驗(yàn)證模型或變量的關(guān)聯(lián)性是否正確?；贐IMBase 參數(shù)化建模方法的思路如圖1所示。

圖1 BIMBase 參數(shù)化建模流程

3 人行拱橋參數(shù)化建模方法

本文將結(jié)合下面實(shí)際案例進(jìn)行人行拱橋的參數(shù)化建模方法研究。

3.1 工程背景

以瑞安市桐溪風(fēng)景名勝區(qū)景觀人行拱橋?yàn)槔摴こ塘⒚嫒鐖D2 所示。該橋上部結(jié)構(gòu)采用上承式拱橋，拱圈為無(wú)鉸拱，跨徑13.5m，橋?qū)?.5m，矢高2.9m，矢跨比1：4.66，踏步高度為125mm，寬度為435mm，拱圈為鋼筋混凝土矩形截面、板厚為0.3m，拱上填料采用M10 漿砌塊石；下部結(jié)構(gòu)拱座采用2.5m寬、1.7m 高的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其下采用100mm 厚素混凝土墊層，其余參數(shù)見表1。由于該類型拱橋結(jié)構(gòu)剛度大，構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工方便、維護(hù)費(fèi)用少、故被廣泛應(yīng)用[14]。

表1 人行拱橋關(guān)鍵數(shù)據(jù)

圖2 瑞安桐溪風(fēng)景名勝區(qū)景觀人行拱橋立面圖

3.2 人行拱橋的參數(shù)化

根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》CJJ 11-2011（2019 年版）[15]可知本工程主要由橋面、拱圈、拱座、填充物等部分組成，具體見圖3。人行拱橋中包含各種復(fù)雜的幾何形態(tài)，很難通過(guò)2D 施工圖精確表達(dá)，且欄桿、拱圈圓弧線條都有不同程度的變化，按照建筑施工圖用常規(guī)三維建模也難以完成。對(duì)于造型奇特、弧線較多的模型，如本項(xiàng)目中浮雕部分如圖4 所示，若采用常規(guī)三維建模方式建模，耗時(shí)較多且誤差較大，而采用參數(shù)化建模方法則能避免這一問(wèn)題。參數(shù)化的拱橋模型可在保證精度的前提下，通過(guò)修改參數(shù)，就能得到相應(yīng)尺寸的人行拱橋，速度快、精度高，且適用于其他場(chǎng)地同類型模型建模，實(shí)現(xiàn)一模多用。

圖3 人行拱橋組成部分

圖4 人行拱橋浮雕部分

選取橋?qū)?、橋高、拱座寬、拱座高、拱板厚、?jì)算跨徑、計(jì)算失高、橋面高度、踏步高度、文字顯示、文字高度作為參數(shù)進(jìn)行參數(shù)化建模。各組成部分按結(jié)構(gòu)組成可劃分為許多子構(gòu)件，分別進(jìn)行各子構(gòu)建參數(shù)化建模，最后將各子構(gòu)件進(jìn)行組合，可得到完整的人行拱橋參數(shù)化模型。例如進(jìn)行欄桿建模時(shí)，分為欄桿主體和橋頭兩側(cè)的浮雕兩部分，分別對(duì)這兩部分進(jìn)行建模，最后進(jìn)行組合，避免因代碼過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致亂碼。

3.3 部分代碼編寫

在人行拱橋參數(shù)化建模的過(guò)程中，需保證各子構(gòu)件在空間上和邏輯上的關(guān)聯(lián)性。設(shè)人行拱橋的空間中心點(diǎn)為模型的基準(zhǔn)點(diǎn)，各子構(gòu)件均圍繞該基準(zhǔn)點(diǎn)布置，準(zhǔn)確約束各個(gè)子構(gòu)建的空間位置。此處列舉關(guān)鍵子構(gòu)件部分代碼，較長(zhǎng)代碼采用省略號(hào)省略。

（1）參數(shù)設(shè)置部分

根據(jù)需求設(shè)置參數(shù)，此處依據(jù)前文3.2 列舉的參數(shù)設(shè)置。

（2）拱座部分

此部分主要用到Section（點(diǎn)）、Loft（放樣）、Rotate（旋轉(zhuǎn)）、Translate（平移）、Combine（組合）等函數(shù)。該構(gòu)件模型如圖5 所示。

圖5 拱座模型

代碼最后一步采用combine（組合）函數(shù)，將所需子構(gòu)件進(jìn)行組合。

（3）拱圈部分

此部分主要采用Arc（三點(diǎn)畫?。┖瘮?shù)。該構(gòu)件模型如圖6 所示。

圖6 拱圈模型

（4）踏步部分

此部分較為復(fù)雜，是實(shí)現(xiàn)參數(shù)化的關(guān)鍵一步。該構(gòu)件模型如圖7 所示。

圖7 踏步模型

代碼中踏步線性排列部分采用for 循環(huán)，分別對(duì)踏面和踢面進(jìn)行線性排列，達(dá)到踏步步數(shù)及踏步高度隨拱橋總長(zhǎng)度及橋面高度改變而改變的目的，實(shí)現(xiàn)踏步參數(shù)化，使其精準(zhǔn)排列且提高建模效率，而常規(guī)三維建模無(wú)法實(shí)現(xiàn)這一效果。

（5）浮雕部分

此部分曲線繁雜，常規(guī)建模方式難以準(zhǔn)確表達(dá)，以代碼形式建模不僅精確且較為簡(jiǎn)潔。該構(gòu)件模型如圖8 所示。

圖8 浮雕模型

代碼的倒數(shù)第二步使用布爾（Boolean）運(yùn)算中的布爾剪，即剪掉構(gòu)件多余部分，達(dá)到設(shè)計(jì)效果。

（6）文字部分

可實(shí)現(xiàn)文字內(nèi)容、高度隨時(shí)編輯，以便應(yīng)用于其他項(xiàng)目。該構(gòu)件模型如圖9 所示。

圖9 拱橋模型1 參數(shù)

…… # 文字外邊框制作主要采用Sweep（掃掠）函數(shù)實(shí)現(xiàn)文字的三維化。

3.4 模型驗(yàn)證

將BIMBase 軟件打開呈后臺(tái)運(yùn)行狀態(tài)，在Python解釋器中運(yùn)行寫好的代碼，轉(zhuǎn)至BIMBase，即可實(shí)現(xiàn)模型的生成。模型如圖11 所示，對(duì)應(yīng)的屬性表如圖10所示，可見屬性表中參數(shù)顯示與前文3.3（1）部分一致，修改屬性表中任意參數(shù)，檢查是否生成新的實(shí)體。例如，修改后的參數(shù)如圖12 所示（已由箭頭標(biāo)出），模型隨之改變，相應(yīng)的模型如圖13 所示。若模型隨參數(shù)修改而改變，且準(zhǔn)確無(wú)誤，則表明該人行拱橋參數(shù)化建模完成。

圖10 拱橋模型1

圖11 拱橋模型2 參數(shù)

圖12 拱橋模型2

4 結(jié)論

本文針對(duì)人行拱橋有臺(tái)階、變截面、變高度、造型奇特、多曲線等特點(diǎn)，建立了一種基于BIMBase 的人行拱橋參數(shù)化建模方法，闡述了參數(shù)化建模方法相比于常規(guī)三維建模方式的優(yōu)勢(shì)及基于BIMBase 技術(shù)的參數(shù)化建模流程，以及建立人行拱橋參數(shù)化模型。結(jié)論如下：

（1）通過(guò)BIMBase 技術(shù)對(duì)人行拱橋進(jìn)行參數(shù)化建模，發(fā)現(xiàn)對(duì)于造型復(fù)雜、設(shè)計(jì)繁瑣的構(gòu)件建模（例如浮雕部分），相比于常規(guī)三維建模，BIMBase 參數(shù)化建模能提升建模效率，減少因模型修改而造成的時(shí)間浪費(fèi)，還能建立參數(shù)化組件庫(kù)直接應(yīng)用于同類工程；

（2）采用BIMBase 參數(shù)化建模方法，根據(jù)需求設(shè)置參數(shù)，具有很高的靈活性（例如踏步、計(jì)算跨徑、計(jì)算失高等），使得基于BIMBase 建立的人行拱橋參數(shù)化模型可以適用于大多數(shù)場(chǎng)地，只需修改屬性表中的參數(shù)即可；

（3）相比于Autodesk 公司的Revit 軟件族參數(shù)化建模存在局限性及利用代碼參數(shù)化建模流程繁瑣問(wèn)題，國(guó)產(chǎn)自主BIMBase 技術(shù)基于Python 語(yǔ)言直接面對(duì)對(duì)象建模，提高建模效率，且真正實(shí)現(xiàn)模型數(shù)據(jù)信息安全。