王 茹，權(quán)超超

公路立交BIM參數(shù)化快速精確建模方法研究

王 茹，權(quán)超超

(西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

公路立交工程自身空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜、曲線交叉繁雜、跨橋線路復(fù)雜、橋面高程變化繁多等特點(diǎn)，給建模工作造成了極大的困難，大型立交橋的設(shè)計(jì)建模工作一直是工程界亟待解決的問題。采用BIM相關(guān)軟件，針對(duì)公路立交工程的特點(diǎn)，通過將BIM相關(guān)建模軟件與可視化編程插件——Dynamo相結(jié)合的方法，詳細(xì)論述了實(shí)時(shí)可編輯地形模型、主體結(jié)構(gòu)精度模型以及批量附屬設(shè)施的三維模型快速搭建方法。并通過具體操作實(shí)例證明該方法能提高公路立交BIM模型的搭建效率，可推動(dòng)BIM技術(shù)在公路立交工程中的應(yīng)用。

公路立交；BIM技術(shù)；三維建模；Dynamo；可視化編程

近年來，隨著BIM技術(shù)在房屋建筑領(lǐng)域的迅速發(fā)展，也刺激了其在交通領(lǐng)域的應(yīng)用。BIM相關(guān)軟件的發(fā)展，為復(fù)雜工程的三維建模與可視化創(chuàng)造了條件。在實(shí)際的公路立交工程中，由于其勘察設(shè)計(jì)難度大、施工難度高，一般均需要由專業(yè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)完成設(shè)計(jì)方案，再交由專業(yè)施工單位進(jìn)行施工。因此，對(duì)于立交橋類的工程項(xiàng)目，建立既能完整表達(dá)設(shè)計(jì)方的理念，又能夠指導(dǎo)施工作業(yè)的BIM模型就顯得極為重要。在立交BIM模型搭建方式上，周游等[1]通過在小灣立交工程上開展BIM技術(shù)應(yīng)用，詳細(xì)梳理了整個(gè)復(fù)雜立交BIM模型建立的思路及正確流程；在交通領(lǐng)域BIM標(biāo)準(zhǔn)庫搭建上，李海榮[2]基于BIM技術(shù)在高速公路全生命周期標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫構(gòu)建的作用，并針對(duì)道路、橋梁及交通工程等模塊建立了相應(yīng)的構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)庫；在公路立交設(shè)計(jì)階段，王玨[3]以Autodesk BIM平臺(tái)為基礎(chǔ)，提出了一套完整的BIM立交設(shè)計(jì)體系，并應(yīng)用Civil 3D完成了設(shè)計(jì)工作，解決了現(xiàn)階段應(yīng)用BIM技術(shù)在復(fù)雜線性設(shè)計(jì)和立交端部設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)；在對(duì)常規(guī)橋梁的快速建模研究領(lǐng)域，林友強(qiáng)等[4]提出在設(shè)計(jì)階段通過開發(fā)Revit，CAD，Midas等軟件建立了TJADBrIM橋梁信息模型系統(tǒng)，將該系統(tǒng)應(yīng)用于一座鋼混組合箱梁橋，通過建立橋梁族庫，實(shí)現(xiàn)大部分常規(guī)橋梁的快速建模、結(jié)構(gòu)分析和自動(dòng)出圖等功能，驗(yàn)證了TJADBrIM系統(tǒng)的有效性。

結(jié)合作者參與的某立交橋工程項(xiàng)目，針對(duì)公路立交工程的特點(diǎn)，通過將BIM相關(guān)建模軟件與可視化編程插件——Dynamo結(jié)合的方法，詳述了實(shí)時(shí)可編輯地形模型、主體結(jié)構(gòu)精度模型以及批量附屬設(shè)施的三維模型快速搭建方法。其可為指導(dǎo)公路立交工程路線選型、三維可視化設(shè)計(jì)、重難節(jié)點(diǎn)施工及后期運(yùn)營維護(hù)等方面的應(yīng)用起到積極的推動(dòng)作用。

1 公路立交建模中的問題和難點(diǎn)

當(dāng)前，國內(nèi)的許多設(shè)計(jì)院仍然還在使用傳統(tǒng)的——通過平、縱、橫斷面的斷面圖等步驟對(duì)公路立交工程進(jìn)行整體設(shè)計(jì)。但該類設(shè)計(jì)方法的三維可視化效果很差，設(shè)計(jì)時(shí)僅靠想象難以把握設(shè)計(jì)方案在平、縱、橫斷面結(jié)合后的三維整體效果，也不利于對(duì)設(shè)計(jì)成果進(jìn)行及時(shí)意見反饋和客觀評(píng)價(jià)[5]。近年來，很多設(shè)計(jì)院意識(shí)到該問題，也采用了一些方法進(jìn)行改善。常規(guī)的做法是將傳統(tǒng)設(shè)計(jì)圖，經(jīng)過三維圖形軟件處理，獲得立交整體的三維效果，但此過程需要精細(xì)化的操作，需耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力；并且三維圖形渲染類軟件的操作者，往往缺乏立交設(shè)計(jì)的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，無法真正理解設(shè)計(jì)的內(nèi)涵，所以很難及時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)工作提出有效的反饋意見。更麻煩的是，無法實(shí)現(xiàn)三維模型的實(shí)時(shí)修改及編輯，當(dāng)設(shè)計(jì)進(jìn)行任何的修改和調(diào)整時(shí)，相應(yīng)的三維效果圖就需要重新推倒重做，造成了大量的資源浪費(fèi)。

2 公路立交BIM平臺(tái)選擇

隨著BIM技術(shù)的深入發(fā)展，公路立交橋工程也被期望采用該技術(shù)給出解決方案。目前國際上出現(xiàn)了多款為工程提供BIM服務(wù)的軟件，其中最具代表性的2個(gè)平臺(tái)為Autodesk和Bentley。表1為BIM平臺(tái)對(duì)比分析，可見Autodesk平臺(tái)在國內(nèi)設(shè)計(jì)環(huán)境的適應(yīng)性、界面的友好度以及軟件的參數(shù)化驅(qū)動(dòng)方面[6]都具有獨(dú)特的優(yōu)勢。因此，采用Autodesk平臺(tái)進(jìn)行BIM技術(shù)在公路立交工程中的研究。

表1 BIM平臺(tái)對(duì)比

3 公路立交橋三維建模方法

公路立交工程建造復(fù)雜，受地形因素影響大，且涉及專業(yè)眾多。根據(jù)公路立交工程的特點(diǎn)，將整個(gè)公路立交三維模型抽象為地形模型、構(gòu)筑物模型、附屬設(shè)施模型3部分[5]。采用Dynamo命令流快速建模、自定義形體建模、定義參數(shù)公式創(chuàng)建族等方法，完成公路立交橋三維模型的快速創(chuàng)建。

3.1 實(shí)時(shí)可編輯地形創(chuàng)建方法

在實(shí)際的工程項(xiàng)目中，需要先由工程勘察設(shè)計(jì)單位在實(shí)際地理環(huán)境中通過勘察測量完成公路路線的地形狀況勘探。傳統(tǒng)的三維地形創(chuàng)建軟件，地形模型一經(jīng)創(chuàng)建，很難再對(duì)地形進(jìn)行實(shí)時(shí)編輯修改。導(dǎo)致在后續(xù)進(jìn)行挖方填方工作難以在原有地形模型上進(jìn)行編輯。而在Revit軟件中，可以通過導(dǎo)入帶有高程屬性的CAD工程地形圖生成實(shí)時(shí)可編輯的三維地形模型。若施工方由于某些原因未拿到勘察單位的地形等高線CAD圖，也可以通過BIGEMAP軟件進(jìn)行衛(wèi)星地圖定位，生成工程項(xiàng)目的地形等高線CAD圖。然后將其導(dǎo)入Revit軟件中，生成三維地形模型。在后續(xù)設(shè)計(jì)工作中，如需對(duì)部分地形模型進(jìn)行場地平整工作，可以通過對(duì)地形數(shù)據(jù)點(diǎn)的高程進(jìn)行修改編輯，使得地形與構(gòu)筑物緊密結(jié)合，創(chuàng)建出更貼合實(shí)際情況的三維模型，同時(shí)保證模型的精確性。該方法可為基坑工程等涉及到土方工程模型搭建提供了一定的參考。Revit所建地形效果如圖1所示；Revit地形模型的創(chuàng)建流程如圖2所示。

圖1 Revit所建地形模型

圖2 地形模型創(chuàng)建流程

3.2 公路立交橋構(gòu)筑物模型快速搭建方法

公路立交工程中易出現(xiàn)路線交叉、路面高程多變的復(fù)雜曲線，為建模工作增加了很大的難度。在公路立交系統(tǒng)中，所含構(gòu)筑物主要包括路基路面、中央分隔帶、硬路肩、土路肩、邊溝、路堤、路塹、邊坡以及橋梁結(jié)構(gòu)的橋墩、橋臺(tái)、箱梁及基礎(chǔ)。針對(duì)種類如此繁多的構(gòu)筑物，需要根據(jù)其復(fù)用性高低，分別采用有針對(duì)性的建模技術(shù)，建立三維BIM模型。

3.2.1 Dynamo工作流快速精準(zhǔn)建模方法

Autodesk Revit軟件對(duì)復(fù)雜曲面形體的創(chuàng)建，優(yōu)勢并不明顯，且在公路立交模型搭建過程中，Revit自身也顯示出操作復(fù)雜、重復(fù)性勞動(dòng)多的缺點(diǎn)。針對(duì)這些問題，Autodesk公司在Revit軟件的基礎(chǔ)上，開發(fā)了可視化編程軟件Dynamo，通過Dynamo幫助用戶實(shí)現(xiàn)互操作性的工作流程文檔管理，自動(dòng)的模型創(chuàng)建、協(xié)調(diào)、模擬和分析[7]。本文以橋面模型為例，采用Dynamo工作流的方法，完成快速建模。利用Dynamo軟件中List功能提供的數(shù)據(jù)批量輸入和輸出功能，將立交橋面建模所需的設(shè)計(jì)參數(shù)通過宏輸入，再通過Solid.BySweep命令完成橋面模型的建模。采用Dynamo工作流的方法，可同時(shí)完成多個(gè)連續(xù)橋面模型的創(chuàng)建。即使對(duì)于不同截面橋面，只需要進(jìn)行簡單的參數(shù)修改，重新運(yùn)行工作流，即可生成不同的橋面模型。同時(shí)，Dynamo工作流的方法可實(shí)現(xiàn)橋墩及路燈照明等構(gòu)件設(shè)施沿路線批量放置、一步完成，與常規(guī)單個(gè)放置方法相比大大提高了建模效率。

Dynamo軟件的建模與Revit是同步進(jìn)行的，當(dāng)Dynamo建模完成后，便可導(dǎo)入Revit軟件中。模型的形狀尺寸是由Dynamo中的輸入?yún)?shù)驅(qū)動(dòng)的，在Revit中定義參數(shù)和族屬性就可以完成模型的參數(shù)化。Dynamo軟件所創(chuàng)建的橋面模型如圖3所示。

圖3 立交橋面模型

Dynamo還提供Bridge節(jié)點(diǎn)包，利用其可快速生成橋梁構(gòu)件，通過簡單的參數(shù)修改，創(chuàng)建符合要求的橋梁模型，節(jié)省了操作者編寫命令流的工作時(shí)間。

3.2.2 自定義形體族庫模型創(chuàng)建方法

針對(duì)立交工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜性及多樣性的特點(diǎn)，如橋墩、橋臺(tái)及箱梁基礎(chǔ)等復(fù)雜實(shí)體模型，可以采用自定義形體創(chuàng)建完成。在Revit軟件中，對(duì)于類型相同尺寸不同的構(gòu)件，如箱梁結(jié)構(gòu)，當(dāng)其結(jié)構(gòu)形式相同，跨度不同時(shí)，可以通過創(chuàng)建一個(gè)箱梁族樣板文件，然后通過對(duì)其進(jìn)行參數(shù)修改，就可實(shí)現(xiàn)一次建模，多次使用，可有效避免重復(fù)性建模工作，還能夠降低尺寸出錯(cuò)概率，從而實(shí)現(xiàn)快速建模。圖4為基于公制輪廓族創(chuàng)建的立交橋箱梁模型的效果圖；圖5為立交橋項(xiàng)目所建立的分路段的箱梁及橋墩族庫。

圖4 立交橋箱梁模型

圖5 立交橋箱梁及橋墩族

3.3 批量附屬設(shè)施模型搭建方法

公路立交附屬設(shè)施三維模型也是公路三維表達(dá)中的重要組成部分，包括防護(hù)設(shè)施、安監(jiān)設(shè)施、交通標(biāo)志牌、道路標(biāo)志線、隔離綠化帶等。然而，這些附屬設(shè)施不僅數(shù)量繁多，而且種類復(fù)雜，若是逐一創(chuàng)建，極其耗費(fèi)時(shí)間和精力。針對(duì)該情況，本文從三維可視化表現(xiàn)的真實(shí)感和建模方法上考慮[8]，將這些附屬實(shí)體模型分為2類進(jìn)行建模。

3.3.1 連續(xù)線性實(shí)體模型

公路的行車虛線可采用等距排列短線實(shí)體模型表示，針對(duì)立交系統(tǒng)大量的行車線標(biāo)識(shí)，且存在各種曲線的復(fù)雜路面，不可能逐一創(chuàng)建短線實(shí)體模型。此時(shí)，就需要運(yùn)用Revit中自定義參數(shù)族工具來創(chuàng)建。通過新建“公制結(jié)構(gòu)框架-梁和支撐”族樣板文件；然后設(shè)置響應(yīng)參數(shù)，創(chuàng)建一塊基本的行車線標(biāo)識(shí)；之后在族類型中通過進(jìn)行參數(shù)關(guān)聯(lián)，并引入相關(guān)的數(shù)學(xué)公式，創(chuàng)建能夠隨路面長度及弧度變化的行車線族。后期若想對(duì)行車線結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改時(shí)，只需對(duì)族文件進(jìn)行參數(shù)修改，模型中所有運(yùn)用此族的模型均將全部自動(dòng)更新。行車線族的類型參數(shù)、三維模型及其路面貼合情況如圖6~8所示。

圖6 行車線族類型

圖7 行車線三維模型

圖8 行車線與路面貼合

3.3.2 離散型附屬結(jié)構(gòu)實(shí)體模型

公路立交工程沿途有各種規(guī)律排布的交通標(biāo)志牌、安監(jiān)設(shè)備、路燈照明設(shè)備等。這些模型均可以用Revit軟件族庫插件來建立。通過搜索族庫大師中族類型，選擇合適的族構(gòu)件，經(jīng)過簡單的參數(shù)修改，創(chuàng)建符合工程要求的族構(gòu)件。根據(jù)確定的放置平面位置，將這些離散的實(shí)體模型準(zhǔn)確地放置到公路立交整體模型中。由于族庫文件的幫助，減少自建族的繁瑣，使建模工作變得簡單。圖9為交通標(biāo)志牌模型。

圖9 交通標(biāo)志牌模型

3.4 模型渲染及實(shí)時(shí)漫游查看

完成模型的創(chuàng)建后，為了取得更好的視覺效果，一般需要將模型導(dǎo)入相關(guān)的渲染類軟件進(jìn)行渲染。通過對(duì)公路立交三維整體模型的不同部分配上相應(yīng)的材質(zhì)，選擇合理的光照角度、攝像機(jī)路徑及拍攝視角，然后逐幀渲染生成視頻動(dòng)畫[9]，實(shí)現(xiàn)模型的三維實(shí)景漫游視頻。本文方法建立的公路立交三維模型可以形象、生動(dòng)、逼真的展現(xiàn)工程的三維面貌。圖10是從渲染類軟件中選擇的立交模型路線交叉的漫游景象。

圖10 立交模型路線交叉漫游景象

4 結(jié)束 語

公路立交工程建設(shè)投資大、施工難度高，對(duì)周圍環(huán)境影響較大。對(duì)公路立交工程進(jìn)行BIM建模，可為設(shè)計(jì)人員及施工人員提供極好的可視化幫助。作者結(jié)合自己的工程經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)文獻(xiàn)，將整個(gè)公路立交橋模型分為地形模型、構(gòu)筑物模型和附屬設(shè)施模型等3部分[5]。針對(duì)各部分模型不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分別采用Dynamo工作流快速精準(zhǔn)建模、自定義形體族庫建模、以及定義參數(shù)公式創(chuàng)建族等方法，實(shí)現(xiàn)模型的批量放置、一模多用及批量修改等功能，大大加快了公路立交工程的建模效率。其次，本文展示的實(shí)時(shí)可編輯地形的創(chuàng)建方法，可為基坑工程等涉及到土方工程模型的創(chuàng)建提供一定的參考。此外，本文還采用自定義參數(shù)公式創(chuàng)建族的方法創(chuàng)建能夠隨路面長度及弧度變化的行車線族，也為其他市政道路、公路工程的交通標(biāo)志線模型的創(chuàng)建提供有價(jià)值的參考。最后，將所創(chuàng)建的模型，導(dǎo)入渲染類軟件漫游查看，表明所創(chuàng)建的模型具有形象、生動(dòng)、逼真的三維面貌。因此，本文方法可為BIM軟件創(chuàng)建立交橋工程模型提供一定的參考，利用Revit建立橋梁模型可方便與周邊建筑物數(shù)據(jù)模型進(jìn)行交互整合匯總，從而推動(dòng)城市公路立交工程路線選型、三維可視化設(shè)計(jì)、重難節(jié)點(diǎn)施工及后期運(yùn)營維護(hù)等方面的應(yīng)用，為公路立交工程向可視化、數(shù)字化、智能化發(fā)展提供助力。

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Research on Fast and Accurate Modeling Method of BIM Parameterization for Highway Interchange

WANG Ru, QUAN Chao-chao

(School of Civil Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an Shaanxi 710055, China)

For the highway interchange project, because of its own complex spatial structure, miscellaneous intersection of curves, and complicated route across bridges, as well as the frequently varied elevation of bridge floor, great difficulties have been caused to the modeling work, and the design and modeling of large overpasses have always been a problem which urgently needs to be resolved in engineering field. Using BIM related software, according to the characteristics of highway interchange engineering, through the method of combining the BIM related modeling software with the visual programming plug-in Dynamo, this study discusses in detail the rapid construction method of real-time editable terrain model, main structure precision model and 3D model of the batch auxiliary facilities. The specific operation examples have shown that this method can improve the construction efficiency of the road interchange BIM model, there by promote the application of BIM technology in highway interchange engineering.

highway interchange; BIM technique; 3D model; Dynamo; visual programming

U 448

10.11996/JG.j.2095-302X.2019040766

A

2095-302X(2019)04-0766-05

2018-11-24；

定稿日期：2019-03-11

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51278400)

王 茹(1968-)，女，江蘇豐縣人，教授，博士，碩士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)锽IM技術(shù)、古建筑保護(hù)與虛擬修復(fù)技術(shù)、建筑結(jié)構(gòu)仿真優(yōu)化與智能建筑、智慧城市建設(shè)等。E-mail：wangru@xauat.edu.cn