橋梁BIM參數化建模的二次研發

BIM的參數建模是BIM技術中關鍵部分。本文介紹了結合路線專家系統，通過二次開發的方式實現。能滿足當前依托項目需求且能進行后期擴展的橋梁參數化建模。該研發同時能在一定程度上與設計軟件數據互通，為將來橋梁BIM正向設計提供了思路并打下了基礎。

BIM的參數建模

橋梁工程是交通領域中重要的節點工程，不僅是國家重要的基礎工程，也是民心工程。隨著時代的發展，國家對橋梁的質量、安全、經濟、環保等方面提出了更高的要求，而二維圖紙的表達設計方式也逐漸暴露出了以下幾個問題：

1.設計數據之間沒有約束，各專業間甚至專業內部圖紙中常出現自相矛盾的情況；

2.設計、施工及運維間數據的傳遞需要依靠人閱讀圖紙并重新填寫數據，增加了大量工作，同時增加錯漏的風險，造成資源的浪費；

3.計算機無法理解圖紙，為今后自動化技術的發展帶來了阻礙。

近幾年來，隨著BIM技術在建筑領域中的應用及帶動，在土木交通行業中也得到了飛速的發展。BIM技術通過建立數字化的BIM參數模型，將與項目相關的大量信息轉存到參數模型中，從而服務于建設項目的規劃、設計、 施工、運維等整個生命周期。BIM 的優勢很突出，采用BIM技術，將會提高生產效率、保證生產質量、節約建筑成本、縮短工期。

由此可見，BIM技術的應用顯得必要且迫切，運用BIM建模軟件建立參數化橋梁BIM模型，是基于信息模型基礎數據，為橋梁全生命周期服務，為參與橋梁建設各方提供信息化交流平臺，為實現建設對象可視化、施工進度控制動態化、信息數據采集智能化提供技術支持，BIM的參數建模是BIM技術中的關鍵部分。

橋梁具有結構特殊、類型較為固定，但數量眾多且空間要求高的特點。項目初期創建模型工作量巨大。采取手工建模的方式去創建模型往往需要花費大量的時間。同時，模型一旦創建將很難修改，當設計出現變更時，需要進一步花費大量時間修改模型。另一方面，直接建模對信息化的發展相當不利。直接創建的模型并不包含完整的設計信息，為了保證模型能順利進行后續的BIM應用，還需要手工將模型與設計信息進行關聯。這無疑對BIM技術的發展形成極大的阻礙。

參數化是BIM核心思想之一，也是橋梁設計的重要趨勢。參數化提供了針對BIM設計與模型維護優秀的解決方案，為BIM模型的創建與維護提高了效率。通過參數化，可讓建模如積木的拼裝一般。同時，保證了模型中數據與設計的一致性，方便后期對模型的整體控制。

ABD應用現狀

隨著近幾年國內各單位的應用和探索及各大BIM軟件廠商的支持，業內對橋梁參數化建模的方法做出了大量嘗試。目前，國內行業中最主流的橋梁建模還是基于 Autodesk、Bentley、Dassault三大平臺，簡稱 ABD。

在A平臺中，常見的做法是revit族+Dynamo的方式進行參數化建模。將預制梁、蓋梁、墩身、承臺等結構建立相應的族，并利用Dynamo可視化編程設計數據批量建立相應的構件，并進行組裝。這一方法在大量項目實踐中，可以快速有效地滿足部分建模需求，但仍存在一些不足：

1.Revit為建筑軟件，族的定制并不能滿足交通行業的需求，導致構件僅僅細微的改變需重新建立族，而橋梁中常見的情況是各類型構件進行組合，因此幾乎無法涉及所有排列組合的橋梁類型。

2.Revit本身不支持交通行業常用的多位數坐標，當坐標為6位術后，會導致數據溢出，造成模型錯誤。

3.Dynamo中程序不易維護且難以形成系統。

在B平臺中，主要利用OBM（Open Bridge Modeler）進行參數化建模。OBM是完全針對橋梁建模的一款軟件，此款軟件可以基于路線直接布置橋梁的上下部模型，也有內置的上下部的模型構件庫，但由于OBM并非針對國內使用習慣設計，在橋梁建模上出現了很多問題。比如不支持斜交、變寬等情況。同時，無法批量進行建模也極大降低了效率等。

CATIA建立橋梁模型時，主要是通過建立組成橋梁各個構件的參數化構件庫，然后通過骨架將所有構件關聯到骨架之上，并同時帶有參數化的關聯關系。但利用CATIA自身建立橋梁模型工作量巨大。

綜上，由于國內交通基礎設施行業工作方法、業務邏輯與國外具體情況存在差異，市場上現有的BIM軟件在實際項目應用中均表現出水土不服。

JSL-路線專家系統是汲取中交第二公路勘察設計研究院有限公司豐富的道路勘察設計經驗，在多年道路軟件開發應用的基礎上，融合國內外同類軟件的優點，精心設計、專業架構，傾力打造的新一代路線設計系統。本文依托項目通過在路線專家系統的基礎上延伸開發，實現BIM橋梁的參數化建模。

軟件開發

明確需求，制定整體架構

通過分析，確定了以下需求：

1.能同時讀取本院自主研發的橋梁專家系統生成的橋梁數據文件和手工填寫的參數表（原則上建議使用第一種方式，當僅有紙質圖紙時采取第二種方式）。

2.能快速簡便地對橋梁上下構形式進行擴展。

3.預留出中間過程的數據接口，為將來的數據分析提供數據支持。

通過分析需求，設計了如圖所示的基本框架。程序大致分為3個部分：

● 為保證支持多種形式的數據輸入類型，需在程序內部定義一套參數格式。對應不同的參數輸入類型需要單獨編寫一套解析方法，將輸入的參數解析為統一的格式；

● 通過參數建立橋梁樹形構件節點，并為每個構件節點賦值；

● 為節點分配Guid，通過核心算法得到構件節點的幾何位置信息及其他信息（其他信息包括構件類型，編號等），并由Guid進行關聯。

整體結構

確定橋梁通用結構

首先需要定義一個節點類作為所有對象的基類，如圖所示。從節點類中繼承出路線、橋梁、上構、下構等對象，由于上下構具有多種形式，將上構、下構定義為抽象類。構建出基本的樹形結構。對應不同的橋梁類型需在節點下做不同的擴展。

確定依托項目中主要橋梁類型

整理依托項目中出現較多的上下構類型，結合中交二院編制的公路工程項目級BIM標準，提煉并分類各參數。如，T梁提煉出梁高、邊梁寬、中梁寬、梁端馬蹄高、跨中馬蹄高等約30個參數，圓柱墩從蓋梁、墊石擋塊、墩柱、系梁、承臺、樁基幾個方面提煉出共約60個參數。

單個節點及繼承關系

編寫構件

根據整理出來的橋梁類型及相關參數，編寫相應構件。對應的部分需要繼承對應的類并編寫對應構件，以圓柱墩為例，如圖所示。圓柱墩為繼承橋墩得到的節點，在圓柱墩節點中繼續生長出其他構件，每個構件節點單獨管理相應的部分，但最終由圓柱墩節點統一管理。最終能按照所填參數生成包含設計信息的BIM模型。

封裝及測試

將代碼封裝并對各種功能進行測試，對出現的bug進行調試并修改，完善代碼。

項目實踐

依托工程

北京至雄安新區高速公路河北段KCSJ1標段是新區“四縱三橫”區域高速公路網的“中軸線”，是連接北京城區和雄安新區最便捷的高速通道，全長58.854公里，橋梁比例35.967%，途經固安縣、高碑店市、白溝新城、容城縣。

圓柱墩基本結構

該項目擬利用BIM的數字化設計成果，再結合項目建設期即將采用的建設管理系統，考慮實現兩者之間的數據共享傳遞，需要保證BIM模型與屬性相關聯。同時可以與圖紙進行關聯，達到建設管理系統中的信息數據在BIM模型上直觀地呈現出來，最終實現基于BIM技術的建設管理。

建成的模型

具體實踐

在本項目中，二院承接的標段包含大中小橋116座，墩臺總數高達1907個，其中特大橋5座。使用傳統的方式需要花費大量的時間。由于本項目設計成果為PDF圖紙，因此主要采取填寫excel表格的方式輸入參數。將Excel表格填寫完成后，只需在路線專家系統中選擇對應路線及參數表即可生成橋梁模型。對比以往類似工作， 1~2月的工作可在兩周內完成，極大地提高了工作效率。

通過參數化的方式進行模型的創建，符合信息化的需求，保證設計資料以數字的方式進行傳遞，方便對設計指標進行讀取并進行分析。同時有利于快速生成設計方案的三維模型，可以預見設計中可能存在的問題，方便設計方案的對比與選取。當下，可以極大地降低設計人員的建模負擔，提高建模效率，使其能真正地專注于設計過程。長遠地看，可以與橋梁設計軟件進行數據對接，完成橋梁BIM正向設計。