基于自动建模的BIM正向设计在互通立交桥中的应用研究

聂 伟， 郭 峰， 李 婷， 毛阿立， 陈 述, 刘 鑫

(1.湖南省交通科学研究院有限公司， 湖南 长沙 410015； 2.湖南省交通运输厅规划与项目办公室， 湖南 长沙 410116)

0 引言

随着我国高速公路快速发展，工程行业信息化应用水平不断提升，BIM技术在公路工程中得到广泛应用。国内外学者及相关单位也开始着力于高速公路基于BIM正向设计应用研究[1-6]。黄亚栋等[7]研究利用公路工程设计BIM系统对路基、隧道进行数字化正向设计。魏章俊等[8]研究利用Revit+Dynamo对盾构管片进行自动化建模，解决了盾构管片BIM建模效率低的问题。高强[9]研究了基于BIM平台的参数化桥梁模型创建及应用，可实现桥梁快速参数化建模，并验证了参数化建模的优越性和便捷性。上述研究都涉及到了正向设计和自动建模的方法和流程，主要采用的BIM工具是Revit、Dynamo和公路工程设计系统，研究出了很多有价值的正向设计和自动建模方法，有很高的应用价值和推广前景。但上述研究都未涉及到高速公路互通桥梁正向设计自动建模，且公路工程设计系统出具的模型无法与其他软件模型进行较好地融合。高速公路互通桥梁具有路线交叉多、横纵坡变化大、桥面宽度变化大、曲率半径小、地势起伏大、构件数量多等特点，导致其BIM建模复杂，设计方案多变，正向设计难以推行。目前，设计阶段BIM技术应用大多集中在方案比选、方案汇报。高速公路工程模型因体量大、桥梁模型复杂、受力验算难，还无法做到全线正向设计，同时还面临高速公路建设过程中BIM应用各阶段BIM模型难以统一、模型建设难度大，设计信息丢失严重等问题。

本文以某高速公路互通桥梁项目为依托，研究基于自动建模的BIM正向设计在互通立交桥中的应用，利用可视化编程程序自动创建互通桥梁模型，并将互通桥梁模型与公路工程设计系统中的路基路面模型整合，形成互通区正向设计模型。形成的正向设计BIM成果，可大幅度降低模型数据生成难度。探索出了一套高速公路互通桥梁自动建模的方法和流程，使模型的精度、准确性及建模效率大幅提升。该研究成果复用性高，可为后续类似高速公路互通桥梁模型创建提供思路和方法。

1 目前互通桥梁BIM建模方法及不足

目前高速公路互通桥梁建模方法多采用基于Revit平台建模，部分采用基于Bentley的MicroStation和OpenBridge Designer进行建模。但这两种建模形式都存在比较明显的不足(见表1)。

表1 传统互通桥梁BIM建模方法及劣势建模工具建模方法及流程不足AutoDesk Re-vit① 参数族文件创建: 利用族样板文件创建各构件类型参数化族文件,并设定相应参数,以便进行修改;② 新建项目文件: 将已有CAD底图和各构件类型参数族文件导入项目文件,族文件按照CAD地图位置进行布置并修改参数,完成单位工程BIM模型创建;③ 利用Revit项目文件链接,完成各单位工程的BIM模型整合① 模型创建工作量大:需要对每个构件进行单独布置并修改参数,使其能够符合设计图纸要求。这使建模人员工作量极大,效率较低,间接地提升了BIM技术应用成本;② 模型精度和准确性难以保证:每个模型构件需要人工修改,提高了偶然错误可能性,且部分异形、曲线构件难以准确定位,导致模型精度难以满足设计和规范要求,无法指导后续BIM应用基于Bentley的MicroStation、OpenBridgeDesigner① 对各构件类型参数化建模,形成模型库(桥梁组件);② 利用线形和地形布置桥梁构件模型组件完成桥梁模型创建,较Revit建模效率和准确性有很大提升① 软件价格昂贵,成本较高,大部分企业和个人难以负担;② 模型成果与AutoDesk系列软件成果整合难度较大

2 互通桥梁自动建模方法

互通桥梁自动建模方法可较好地解决各构件类型模型布置问题，提高模型布置效率，同时可根据构件实际坐标放置模型，并根据桥梁中心线自动匹配布置曲线构件，极大地提高了模型精度和准确性。

2.1 数据准备

根据设计文件或桥梁曲线要素数据，准备桥梁

中心线曲线要素数据表、桥梁桩基布置位置关系及相关尺寸信息表、承台/系梁、墩身、支座垫石、T梁、附属结构等构件尺寸信息及位置关系表。相关数据作为桥梁自动建模基础，程序根据基础数据在BIM建模软件中自动生成模型。桩基数据样例见表2。

2.2 桥梁族文件创建

根据设计图确定桥面宽度，同时以此为依据确定桩基类型、承台形式、墩身形式、盖梁形状、T梁长度、护栏形式等，并根据各类型特点选择不同族类型创建各构件类型参数族文件，供BIM建模软件内置各构件具体参数进行自动布置，各构件类型族文件及相应参数示例见图1、图2。

表2 桩基基础数据准备样例墩号里程/桩数/根横桥向间距/m斜交角度/(°)桩顶标高/m路线偏移值/m桩长/m桩径/m材料1#61 83427.29081.900 6.528.31.8C30砼2#61 86427.29080.600 6.538.61.8C30砼3#61 89427.29081.900 6.539.81.8C30砼4#61 92427.29081.900 6.539.81.8C30砼5#61 95427.29087.300 6.521.71.6C30砼

图1 桩柱墩参数族文件

图2 T梁参数族文件

2.3 桥梁中心线生成

根据桥梁曲线要素表，整理出生成桥梁中心线的必备参数。平曲线参数主要包含交点编号、交点坐标、缓和曲线长度、缓和曲线半径等。形成表格，利用Plane Curve.ByData、File.ToDate等节点自动读取桥梁平曲线要素数据表并自动生成桥梁中心线，以此作为互通桥梁自动建模的基础。

2.4 桥梁模型自动生成

利用三维可视化编程程序，编制桩基、承台/系梁、墩身、盖梁、支座垫石、T梁等构件自动布置程序，并根据各构件类型基础数据自动生成桥梁模型。

2.4.1桩基及柱式墩模型自动生成

桩基和柱式墩属于点状构件，确定桩基坐标即可完成桩基和柱式墩模型生成；而确定桩基里程、间距即可根据桥梁中心线确定桩基坐标。确定各桩基坐标后，完成各桩基和柱式墩自动布置到实际坐标上，再利用参数驱动模块，自动给各桩基和柱式墩构件内置参数，由驱动模型自动完成修改。利用Family Instance.By Point和Plane Curve.Points For Piles节点确定桩基坐标并自动创建桩基和柱式墩模型，利用Element.Set Parameter By Name节点设置各构件参数。桩基主要包含墩号、里程、桩间距、桩顶标高、路线偏移值、桩径、桩长、材质等参数，柱式墩主要包含墩号、里程、间距、墩顶标高、路线偏移值、墩径、墩高、材质等参数。形成表格，以便自动完成桩基和柱式墩模型布置和修改。

利用Plane Curve.Points For Piles、Family Instance.By Point、Geometry.Translate等节点，读取桥梁桩基、柱式墩数据表中数据确定模型构件坐标，并在对应坐标生成模型。再利用Element.SetParameterByName节点将读取到的构件参数内置到对应模型，驱动模型根据参数完成修改更新模型。完成程序编辑后运行即可自动生成桥梁桩基和柱式墩模型，桩基、柱式墩模型见图3。

图3 桩基、墩柱模型

2.4.2系梁及盖梁模型自动生成

系梁、盖梁属于线性构件，生成模型则确定中心线，按照设置规则系梁和盖梁中心线即为桩基坐标连线，以此思路，利用桩基坐标生成样条线，并根据样条线生成系梁及盖梁即可。再利用参数驱动模块，自动给各系梁、盖梁内置参数，驱动模型自动完成修改。由Family Instance By Mileage和Plane Curve.Initial Point节点确定中心线并自动创建模型，Element.Set Parameter By Name节点设置各构件参数，系梁主要包含墩号、里程、系梁高、系梁顶标高、系梁顺桥向长度、材质等参数。盖梁主要包含主要包含墩号、里程、盖梁底高程、宽度、横坡、盖梁边线离桩基中心距离等参数，形成表格。

利用Plane Curve.Initial Point、Famy liInstance.By-Mileage、Geometry.Translate、List.Transpose等节点，读取表中数据确定系梁中线和盖梁中心线并在对应中心生成系梁和盖梁模型。再利用参数驱动模块节点将读取到的参数内置到对应模型，由驱动模型根据参数完成修改并更新模型。完成程序编辑后运行即可自动生成桥梁系梁和盖梁模型(见图4)。

图4 系梁、盖梁模型

2.4.3支座垫石模型自动生成

支座垫石属于点状构件，确定一个支座垫石坐标并根据支座垫石间距即可完成，以此思路，确定最外侧支座垫石离盖梁边线距离即可确定坐标。确定第1个垫石坐标和间距，完成支座垫石自动布置，再由参数驱动模块自动给支座垫石内置参数，驱动模型自动完成修改。由Family Instance.By Point和Plane Curve.Points For Equal Distance节点确定支座垫石坐标并自动创建支座垫石模型，Element.Set Parameter By Name节点设置各构件参数，支座垫石主要包含长、宽、高、顶高程等参数。完成程序编辑后运行即可自动生成支座垫石模型(见图5)。

图5 支座垫石模型

2.4.4T梁模型自动生成

T梁自动布置只需确定T梁中线、起点桩号、长度及相应支座坐标即可完成。确定T梁中线及起终点高程完成T梁自动布置，由参数驱动模块，自动给T梁内置参数，驱动模型自动完成修改。利用Line.By Mileage And Elevation节点确定T梁位置并自动创建支座垫石模型，利用Element.Set Parameter By Name节点设置各构件参数。完成程序编辑后运行即可自动生成T梁模型(见图6)。

图6 T梁模型

3 互通桥梁自动建模应用

3.1 某高速公路互通桥梁AB匝道应用

3.1.1工程简介

互通桥梁中心桩号为K57+100，与服务区复合设置，根据转弯交通量大小、地方路网规划与等级，结合服务区总体布置情况，互通采用变异单喇叭形互通形式，A匝道上跨主线，G匝道下穿主线，G匝道从左侧服务区北侧迂回后汇入A匝道。该互通采用BIM正向设计完成施工图设计，路基工程可通过公路工程BIM设计子系统直接设计并出具施工图。互通区桥梁工程因曲线半径小、横坡大、交叉多，无法利用公路工程BIM设计子系统完成桥梁工程精确模型创建。本文以A、B匝道互通桥梁模型创建为例，验证基于可视化编程程序互通桥梁自动建模的可行性和优越性。该互通BIM正向设计整合后模型见图7。

图7 互通区正向设计模型

3.1.2匝道桥梁自动建模

A匝道桥梁施工图设计方案结构形式为3×30m(预应力混凝土简支T梁)+35 m+50 m+35 m(预应力混凝土连续箱梁)，采用桩柱式墩+系梁+盖梁的下部结构形式。B匝道桥梁施工图设计方案结构形式为3×30 m+4×30 m+5×30 m(预应力混凝土简支变连续T梁)，采用桩柱式墩+系梁+盖梁的下部结构形式。根据设计方案、A/B匝道平曲线要素、可视化编程程序互通桥梁建模和参数要求，整理AB匝道整理曲线要素数据表、桩基、系梁、墩身、盖梁、T梁、箱梁等构件布置数据表，以此作为匝道桥梁模型生成数据基础。AB匝道曲线要素及桩基数据见表3、表4。

表3 AB匝道曲线要素表交点号交点坐标X-N交点坐标Y-E前缓和曲线长/m曲线半径/m后缓和曲线长/mA匝道BP3 181 164.44485 666.137 4JD13 181 366.72485 435.664 447.4512550JD23 181 084.909485 224.601 945.8826050.417EP3 180 821.138485 542.961 6B匝道BP3 181 472.089484 970.139 8JD13 181 332.263485 038.209 4122.7431 5350JD23 181 029.335485 260.567 7184.0911 1000JD33 180 777.362485 578.112 802 5000JD43 180 654.125485 756.25204 5000EP3 180 571.052485 862.189 3BP3 181 472.089484 970.139 8

表4 AB桩基数据表墩号里程/桩数/根横桥向间距/m斜交角度/(°)桩顶标高/m路线偏移值/m桩长/m桩径/m材料A匝道0#413.524.190200.320 1221.6C30砼1#443.524.190192.400 1251.6C30砼2#478.524.190183.200 1251.8C30砼3#528.524.190177.300 1251.8C30砼4#563.524.190201.300 1221.6C30砼B匝道1#20524.690158.900 2.75152C30砼2#23524.690159.500 2.75122C30砼3#26524.690167.100 2.75141.8C30砼4#29524.690159.700 2.75132C30砼5#32524.690156.500 2.75122C30砼6#35524.690171.500 2.75141.8C30砼7#38524.690190.200 2.75141.6C30砼8#41524.690190.800 2.75181.6C30砼9#44524.690169.900 2.75122C30砼10#47524.690177.700 2.75181.8C30砼11#50524.690180.500 2.75201.8C30砼12#53524.690200.560 2.75221.6C30砼

根据各构件类型数据表可一键生成互通桥梁模型，AB匝道桥梁模型自动创建完成后与路基模型完美贴合，符合正向设计出图标准；以整合后的BIM模型进行正向设计出图，符合设计规范要求。通过采用可视化编程程序，实现AB匝道互通桥梁模型自动创建。本项目极大地提高了互通桥梁模型创建的效率，同时很好地解决了传统建模方法无法准确建立平曲线中缓和曲线的问题，对提升曲线段桥梁模型精度有质的飞跃，并对高速公路互通区正向设计具有重要意义。AB匝道下部结构模型及整合后正向设计成果见图8。

a) AB匝道下部结构模型

b) 整合后模型效果

3.2 石家寨互通A匝道桥梁应用

3.2.1工程简介

石家寨互通是为永吉高速与吉茶高速的石家寨、庄稼坡两座高架桥相连接的互通式立交工程。桥梁部分均为曲线匝道桥，桥位处地形起伏大、场地狭窄、桥梁运行监控困难，项目竣工后运营单位希望搭建基于BIM的三维可视化桥梁监测平台，实现桥梁三维可视化实时监测。

A匝道左幅孔径布置为[6×30+(40+45+40)+3×40+3×40+2×40+4×40+40+(2×40+45+40)+3×40+3×27+(3×27+26.274)]m，共11联。其中第1～9联上部结构采用预应力混凝土预制T梁，第10、11联上部结构采用预应力砼等截面现浇箱梁，桥梁全长1301.354 m，右偏90°。本桥为跨沟谷高架桥，左幅存在加宽渐变，净宽变化范围为6.5～20.3 m。全桥平面位于由半径为1525.082、1 200、400、100 m的圆曲线和缓和曲线及直线段组成的线形上。

A匝道右幅孔径布置为[6×30+(40+45+40)+2×40+2×40+4×40+4×40+4×40+4×40+3×27+(3×27+26.393)]m，共10联。其中第1～8联上部结构采用预应力混凝土预制T梁，第9、10联上部结构采用预应力砼等截面现浇箱梁，桥梁全长1 296.473 m，右偏90°。本桥为跨沟谷高架桥，右幅存在加宽渐变，净宽变化范围为8.5～21.2 m。全桥平面位于由半径为1 525.082、1 200、400、100 m的圆曲线和缓和曲线及直线段组成的线形上。

3.2.2A匝道桥梁自动建模应用效果

A匝道曲率半径小、变宽变化大、横坡变化大、构件样式多，采用传统的BIM建模方法需要投入大量的时间，且模型精度无法达到预期效果。因此利用可视化编程程序快速搭建A匝道左右幅桥梁BIM模型。根据已有设计文件快速整理模型数据，形成各构件类型数据表，然后运行可视化程序生成各构件类型模型，并完成参数赋值。通过采用自动化建模方法比传统建模方案节约10 d建模时间，极大地提升了建模效率，同时完美地解决了曲线段建模精度难以保证的问题，上传三维可视化桥梁监测平台后取得了良好的应用效果。石家寨互通A匝道正向设计成果见图9。

a) A匝道模型

b) 工程实景

4 传统互通桥梁BIM建模方法与自动化建模比较

对互通桥梁自动化建模研究应用与传统基于Revit的互通桥梁建模方法进行对比，模型精度和准确性提升的同时大幅提高了BIM建模效率，可有效解放BIM人员生产力，降低BIM应用成本，提升BIM应用价值，两者对比情况见表5。

表5 传统BIM建模方式与自动建模对比工作项工作量某高速互通AB匝道石家寨A匝道BIM建模工作传统BIM建模方式耗时/h自动化建模程序耗时(整理数据+模型生成)/h效率提升/%传统BIM建模自动化建模程序建模底图及桥梁中心线处理CAD绘制及CAD处理绘制桥梁中心线生成8187.5桩基38根268根20290承台系梁(承台、地系梁、柱系梁)39个133个10190柱式墩28个164个12191.7空心薄壁墩—43个12283.3盖梁14个60个8187.5桥台2个4个8275支座垫石68个431个12191.7T梁62片314片24483.3箱梁—12跨12 283.3桥面系及附属结构3.3 km16475优势:建模思路简单、对于BIM建模人员要求简单,易上手劣势:效率低,建模时间长,针对曲线半径小、宽度变化大、横坡变化大的桥梁段难以建立准确模型,精度较低,无法达到设计及规范要求优势:效建模率高、精度高,能够快速自动创建曲率半径小、宽度变化大、横坡变化大、曲线要素复杂的互通桥梁模型。有效解放BIM技术人员生产力劣势:编程较为复杂,需要逻辑能力强、业务能力强的BIM人员(但一次编好后可重复利用)

5 结论

互通桥梁自动化建模方式，只需根据设计路线数据、设计意图设定将各构件类型参数整理成表格，即可完成桥梁正向设计初步设计模型。或者根据施工图快速统计桥梁各构件类型参数数据和平曲线要素数据，即可快速完成施工阶段LOD300精度模型创建。通过研究得出以下结论：

1) 基于可视化编程程序可自动定位几何元素、参数化驱动，快速生成构件，实现互通桥梁模型自动创建，该方法可有效提高模型精度，特别是针对平曲线要素复杂、曲率半径小的桥梁，模型精度将大大提升。

2) 通过基于互通桥梁正向设计自动化建模的研究应用，证明了参数化、自动化建模的优势及基于自动建模的可行性。本文研究总结了一整套基于互通桥梁自动化建模的方法，对曲率半径小、平曲线要素复杂等不规则桥梁BIM模型创建具有良好的应用价值。

3) 基于可视化编程程序的自动化建模方法，极大地提高了曲线半径小、宽度变化大、横坡变化大的互通桥梁模型创建的效率和准确性。相比传统BIM人工建模,速度将提升70%以上。该研究为复杂桥梁模型创建提供了一套成熟、可靠、高效的解决方案，为后续BIM技术应用价值提升奠定基础。