公路立交BIM参数化快速精确建模方法研究

王 茹，权超超

公路立交BIM参数化快速精确建模方法研究

王 茹，权超超

(西安建筑科技大学土木工程学院，陕西 西安 710055)

公路立交工程自身空间结构复杂、曲线交叉繁杂、跨桥线路复杂、桥面高程变化繁多等特点，给建模工作造成了极大的困难，大型立交桥的设计建模工作一直是工程界亟待解决的问题。采用BIM相关软件，针对公路立交工程的特点，通过将BIM相关建模软件与可视化编程插件——Dynamo相结合的方法，详细论述了实时可编辑地形模型、主体结构精度模型以及批量附属设施的三维模型快速搭建方法。并通过具体操作实例证明该方法能提高公路立交BIM模型的搭建效率，可推动BIM技术在公路立交工程中的应用。

公路立交；BIM技术；三维建模；Dynamo；可视化编程

近年来，随着BIM技术在房屋建筑领域的迅速发展，也刺激了其在交通领域的应用。BIM相关软件的发展，为复杂工程的三维建模与可视化创造了条件。在实际的公路立交工程中，由于其勘察设计难度大、施工难度高，一般均需要由专业设计团队完成设计方案，再交由专业施工单位进行施工。因此，对于立交桥类的工程项目，建立既能完整表达设计方的理念，又能够指导施工作业的BIM模型就显得极为重要。在立交BIM模型搭建方式上，周游等[1]通过在小湾立交工程上开展BIM技术应用，详细梳理了整个复杂立交BIM模型建立的思路及正确流程；在交通领域BIM标准库搭建上，李海荣[2]基于BIM技术在高速公路全生命周期标准构件库构建的作用，并针对道路、桥梁及交通工程等模块建立了相应的构件标准库；在公路立交设计阶段，王珏[3]以Autodesk BIM平台为基础，提出了一套完整的BIM立交设计体系，并应用Civil 3D完成了设计工作，解决了现阶段应用BIM技术在复杂线性设计和立交端部设计中的难点；在对常规桥梁的快速建模研究领域，林友强等[4]提出在设计阶段通过开发Revit，CAD，Midas等软件建立了TJADBrIM桥梁信息模型系统，将该系统应用于一座钢混组合箱梁桥，通过建立桥梁族库，实现大部分常规桥梁的快速建模、结构分析和自动出图等功能，验证了TJADBrIM系统的有效性。

结合作者参与的某立交桥工程项目，针对公路立交工程的特点，通过将BIM相关建模软件与可视化编程插件——Dynamo结合的方法，详述了实时可编辑地形模型、主体结构精度模型以及批量附属设施的三维模型快速搭建方法。其可为指导公路立交工程路线选型、三维可视化设计、重难节点施工及后期运营维护等方面的应用起到积极的推动作用。

1 公路立交建模中的问题和难点

当前，国内的许多设计院仍然还在使用传统的——通过平、纵、横断面的断面图等步骤对公路立交工程进行整体设计。但该类设计方法的三维可视化效果很差，设计时仅靠想象难以把握设计方案在平、纵、横断面结合后的三维整体效果，也不利于对设计成果进行及时意见反馈和客观评价[5]。近年来，很多设计院意识到该问题，也采用了一些方法进行改善。常规的做法是将传统设计图，经过三维图形软件处理，获得立交整体的三维效果，但此过程需要精细化的操作，需耗费大量的时间和精力；并且三维图形渲染类软件的操作者，往往缺乏立交设计的知识经验，无法真正理解设计的内涵，所以很难及时对设计工作提出有效的反馈意见。更麻烦的是，无法实现三维模型的实时修改及编辑，当设计进行任何的修改和调整时，相应的三维效果图就需要重新推倒重做，造成了大量的资源浪费。

2 公路立交BIM平台选择

随着BIM技术的深入发展，公路立交桥工程也被期望采用该技术给出解决方案。目前国际上出现了多款为工程提供BIM服务的软件，其中最具代表性的2个平台为Autodesk和Bentley。表1为BIM平台对比分析，可见Autodesk平台在国内设计环境的适应性、界面的友好度以及软件的参数化驱动方面[6]都具有独特的优势。因此，采用Autodesk平台进行BIM技术在公路立交工程中的研究。

表1 BIM平台对比

3 公路立交桥三维建模方法

公路立交工程建造复杂，受地形因素影响大，且涉及专业众多。根据公路立交工程的特点，将整个公路立交三维模型抽象为地形模型、构筑物模型、附属设施模型3部分[5]。采用Dynamo命令流快速建模、自定义形体建模、定义参数公式创建族等方法，完成公路立交桥三维模型的快速创建。

3.1 实时可编辑地形创建方法

在实际的工程项目中，需要先由工程勘察设计单位在实际地理环境中通过勘察测量完成公路路线的地形状况勘探。传统的三维地形创建软件，地形模型一经创建，很难再对地形进行实时编辑修改。导致在后续进行挖方填方工作难以在原有地形模型上进行编辑。而在Revit软件中，可以通过导入带有高程属性的CAD工程地形图生成实时可编辑的三维地形模型。若施工方由于某些原因未拿到勘察单位的地形等高线CAD图，也可以通过BIGEMAP软件进行卫星地图定位，生成工程项目的地形等高线CAD图。然后将其导入Revit软件中，生成三维地形模型。在后续设计工作中，如需对部分地形模型进行场地平整工作，可以通过对地形数据点的高程进行修改编辑，使得地形与构筑物紧密结合，创建出更贴合实际情况的三维模型，同时保证模型的精确性。该方法可为基坑工程等涉及到土方工程模型搭建提供了一定的参考。Revit所建地形效果如图1所示；Revit地形模型的创建流程如图2所示。

图1 Revit所建地形模型

图2 地形模型创建流程

3.2 公路立交桥构筑物模型快速搭建方法

公路立交工程中易出现路线交叉、路面高程多变的复杂曲线，为建模工作增加了很大的难度。在公路立交系统中，所含构筑物主要包括路基路面、中央分隔带、硬路肩、土路肩、边沟、路堤、路堑、边坡以及桥梁结构的桥墩、桥台、箱梁及基础。针对种类如此繁多的构筑物，需要根据其复用性高低，分别采用有针对性的建模技术，建立三维BIM模型。

3.2.1 Dynamo工作流快速精准建模方法

Autodesk Revit软件对复杂曲面形体的创建，优势并不明显，且在公路立交模型搭建过程中，Revit自身也显示出操作复杂、重复性劳动多的缺点。针对这些问题，Autodesk公司在Revit软件的基础上，开发了可视化编程软件Dynamo，通过Dynamo帮助用户实现互操作性的工作流程文档管理，自动的模型创建、协调、模拟和分析[7]。本文以桥面模型为例，采用Dynamo工作流的方法，完成快速建模。利用Dynamo软件中List功能提供的数据批量输入和输出功能，将立交桥面建模所需的设计参数通过宏输入，再通过Solid.BySweep命令完成桥面模型的建模。采用Dynamo工作流的方法，可同时完成多个连续桥面模型的创建。即使对于不同截面桥面，只需要进行简单的参数修改，重新运行工作流，即可生成不同的桥面模型。同时，Dynamo工作流的方法可实现桥墩及路灯照明等构件设施沿路线批量放置、一步完成，与常规单个放置方法相比大大提高了建模效率。

Dynamo软件的建模与Revit是同步进行的，当Dynamo建模完成后，便可导入Revit软件中。模型的形状尺寸是由Dynamo中的输入参数驱动的，在Revit中定义参数和族属性就可以完成模型的参数化。Dynamo软件所创建的桥面模型如图3所示。

图3 立交桥面模型

Dynamo还提供Bridge节点包，利用其可快速生成桥梁构件，通过简单的参数修改，创建符合要求的桥梁模型，节省了操作者编写命令流的工作时间。

3.2.2 自定义形体族库模型创建方法

针对立交工程结构复杂性及多样性的特点，如桥墩、桥台及箱梁基础等复杂实体模型，可以采用自定义形体创建完成。在Revit软件中，对于类型相同尺寸不同的构件，如箱梁结构，当其结构形式相同，跨度不同时，可以通过创建一个箱梁族样板文件，然后通过对其进行参数修改，就可实现一次建模，多次使用，可有效避免重复性建模工作，还能够降低尺寸出错概率，从而实现快速建模。图4为基于公制轮廓族创建的立交桥箱梁模型的效果图；图5为立交桥项目所建立的分路段的箱梁及桥墩族库。

图4 立交桥箱梁模型

图5 立交桥箱梁及桥墩族

3.3 批量附属设施模型搭建方法

公路立交附属设施三维模型也是公路三维表达中的重要组成部分，包括防护设施、安监设施、交通标志牌、道路标志线、隔离绿化带等。然而，这些附属设施不仅数量繁多，而且种类复杂，若是逐一创建，极其耗费时间和精力。针对该情况，本文从三维可视化表现的真实感和建模方法上考虑[8]，将这些附属实体模型分为2类进行建模。

3.3.1 连续线性实体模型

公路的行车虚线可采用等距排列短线实体模型表示，针对立交系统大量的行车线标识，且存在各种曲线的复杂路面，不可能逐一创建短线实体模型。此时，就需要运用Revit中自定义参数族工具来创建。通过新建“公制结构框架-梁和支撑”族样板文件；然后设置响应参数，创建一块基本的行车线标识；之后在族类型中通过进行参数关联，并引入相关的数学公式，创建能够随路面长度及弧度变化的行车线族。后期若想对行车线结构进行修改时，只需对族文件进行参数修改，模型中所有运用此族的模型均将全部自动更新。行车线族的类型参数、三维模型及其路面贴合情况如图6~8所示。

图6 行车线族类型

图7 行车线三维模型

图8 行车线与路面贴合

3.3.2 离散型附属结构实体模型

公路立交工程沿途有各种规律排布的交通标志牌、安监设备、路灯照明设备等。这些模型均可以用Revit软件族库插件来建立。通过搜索族库大师中族类型，选择合适的族构件，经过简单的参数修改，创建符合工程要求的族构件。根据确定的放置平面位置，将这些离散的实体模型准确地放置到公路立交整体模型中。由于族库文件的帮助，减少自建族的繁琐，使建模工作变得简单。图9为交通标志牌模型。

图9 交通标志牌模型

3.4 模型渲染及实时漫游查看

完成模型的创建后，为了取得更好的视觉效果，一般需要将模型导入相关的渲染类软件进行渲染。通过对公路立交三维整体模型的不同部分配上相应的材质，选择合理的光照角度、摄像机路径及拍摄视角，然后逐帧渲染生成视频动画[9]，实现模型的三维实景漫游视频。本文方法建立的公路立交三维模型可以形象、生动、逼真的展现工程的三维面貌。图10是从渲染类软件中选择的立交模型路线交叉的漫游景象。

图10 立交模型路线交叉漫游景象

4 结束 语

公路立交工程建设投资大、施工难度高，对周围环境影响较大。对公路立交工程进行BIM建模，可为设计人员及施工人员提供极好的可视化帮助。作者结合自己的工程经验及相关文献，将整个公路立交桥模型分为地形模型、构筑物模型和附属设施模型等3部分[5]。针对各部分模型不同的结构特点，分别采用Dynamo工作流快速精准建模、自定义形体族库建模、以及定义参数公式创建族等方法，实现模型的批量放置、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，本文展示的实时可编辑地形的创建方法，可为基坑工程等涉及到土方工程模型的创建提供一定的参考。此外，本文还采用自定义参数公式创建族的方法创建能够随路面长度及弧度变化的行车线族，也为其他市政道路、公路工程的交通标志线模型的创建提供有价值的参考。最后，将所创建的模型，导入渲染类软件漫游查看，表明所创建的模型具有形象、生动、逼真的三维面貌。因此，本文方法可为BIM软件创建立交桥工程模型提供一定的参考，利用Revit建立桥梁模型可方便与周边建筑物数据模型进行交互整合汇总，从而推动城市公路立交工程路线选型、三维可视化设计、重难节点施工及后期运营维护等方面的应用，为公路立交工程向可视化、数字化、智能化发展提供助力。

[1] 周游, 陈键丰, 范宇丰, 等. BIM技术在立交工程设计阶段的应用研究[J/OL]. 重庆交通大学学报: 自然科学版: 1-6. [2018-09-22]. http://kns.cnki.net/KCMS/ detail/50.1190.U.20181108.1207.026.html.

[2] 李海荣. 高速公路全寿命周期BIM标准模型构建与应用研究[D]. 西安:长安大学, 2017.

[3] 王珏. 建筑信息模型(BIM)在互通式立交设计中的应用研究[D]. 南京: 东南大学, 2015.

[4] 林友强, 曾明根, 马天乐, 等. 桥梁工程设计BIM技术应用探索[J]. 结构工程师, 2016, 32(4): 7-12.

[5] 肖振发. 高速公路实时三维可视化景观设计系统设计与实现[D]. 广州: 华南理工大学, 2012.

[6] 汪逊. 节段预制拼装桥梁的建筑信息模型(BIM)关键技术研究[D]. 南京: 东南大学, 2016.

[7] 罗嘉祥, 宋姗, 田宏钧. AutodeskRevit炼金术Dynamo基础实战教程[M]. 上海: 同济大学出版社, 2017: 1-2.

[8] 钟登华, 刘奎建, 吴康新. 公路隧道三维建模与可视化实现[J]. 工程图学学报, 2005, 26(4): 81-86, 167.

[9] 张正峰. 复杂建筑群施工过程三维可视化仿真与优化研究[D]. 天津: 天津大学, 2006.

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

国家自然科学基金面上项目(51278400)

王 茹(1968-)，女，江苏丰县人，教授，博士，硕士生导师。主要研究方向为BIM技术、古建筑保护与虚拟修复技术、建筑结构仿真优化与智能建筑、智慧城市建设等。E-mail：wangru@xauat.edu.cn