三维视角下桥梁构件设计交互与出图方式研究

汤宏伟，谭弘灿，曾凡云

（中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014）

0 前 言

BIM是建筑信息模型（BuildingInformationModeling）的简称，是基于三维模型实现建设项目物理特性、功能特性和管理要素的描述［1］，于1999年被Tolman教授正式提出［2］。BIM技术在我国推广应用时间较晚，住建部先后颁布《2011—2015年建筑业信息化发展纲要》《关于推进建筑信息模型应用的指导意见》和《2016—2020年建筑业信息化发展纲要》，希望借新时期数字化浪潮全面提高建筑业信息化以及BIM 技术的应用水平［3］。近年来，随着BIM技术和理念的不断发展，大量的基础设施类工程都会配备项目BIM施工运维的管控平台，用于辅助运维管理决策、提升运维管理水平，如中开高速数字化管控平台［4］等。这些平台的运行有效提高了项目精细化管控水平，降低了工程施工期的成本。提升工程质量是项目参与方对项目全生命期进行有效管理的重要工具。

但与此同时，BIM技术在设计阶段的应用发展速度却一直较为缓慢，这是因为若不考虑工程数据资产的全生命周期协同应用，而仅从单个设计阶段而言，传统的二维设计方法已经深入人心。对于设计院而言，BIM技术如果达不到客户的满意程度而强行推广，不仅影响设计进度和效率，还会影响设计院的经济效益［5］。故设计人员常通过采用手动建模的方式将最终二维设计方案转换为三维几何模型（俗称：翻模），并挂接上对应的材料及其他属性后导入数字化运维管理平台。此过程工作量较大，且当设计方案频繁变更时，其重复劳动的性质严重影响了生产人员的积极性。

本文提出了一种基于三维视角下常规桥梁构件设计交互与出图的方式，并利用Bentley平台［6］下的软件OpenRoadsDesigner进行了功能二次开发，辅助用户在三维视角完成参数化构件的尺寸设计并自动生成对应图纸，在设计阶段充分发挥BIM模型清晰直观的优势，优化了设计交互体验，避免了反复翻模的过程。本方法在S215屏山县屏山镇至书楼镇段新建工程设计项目中的实践，验证了其适用性。

1 桥梁设计与表达方式分析

1.1 现有桥梁设计方式的缺陷

传统桥梁二维设计主要是基于平立剖图纸的绘制过程，图纸是设计方案的唯一载体。以桥梁构件中常见的桩柱式桥墩平面图为例（见图1）：墩柱、桩基以及系梁由于位于盖梁下方，故其外轮廓线需要使用虚线进行表达，导致图中线条数目众多，且线型为实线与虚线组合，而高度相关信息位于立面图或剖面图中，进一步增大了图纸的复杂程度。由此理解图纸内容需具备一定的空间想象能力，不利于施工人员快速理解图纸所描述的方案。

图1 桩柱式桥墩平面（单位：mm）

近年来，市场上出现了一些桥梁专业的三维设计软件，能清晰直观地显示设计过程中的三维模型，但其设计交互常常采用图2中变量填表的方式［7］。设计人员往往难以直观准确地判别某变量具体对应于模型中哪一个物理量，当设计复杂的桥梁构件时，变量数目众多，此时设计交互的友好度较低。

图2 三维设计软件常见交互方式

完成对应设计过程后，现有软件常选择生成传统二维图纸作为交付成果，在方案的表达方面未能充分利用已生成的三维模型且开发工作量较大，其出图效果也难以与积累多年的传统二维设计软件生成的图纸相媲美，常需要设计人员人工干预调整。

1.2 标注功能缺陷

无论二维设计或三维设计，尺寸标注都是表达方案的重要手段。以Bentley平台（简称：B平台）的标注元素为例进行说明，其原生二维标注在用于三维视角的成果表达时仍存在一些配置项的缺陷。图3为墩帽尺寸的两个标注，3000标注项位于平面XOY中，而2000标注项位于平面XOZ中。在传统的二维表达方法中，所有元素均位于XOY平面中，故无需对标注所在平面进行定义。但三维视角下，不同的标注项需根据视角选择特定的平面，以保证标注不被模型遮挡且能清晰表达［8］，但原生标注功能并无法对其标注平面的法向进行配置，必须手动指定，此缺陷亦存在于角度标注与注释标注中。由于桥梁构件中标准化程度较高，故根据需要固化各标注所在的平面，抽取配置变量，利用二次开发的工具从而推进整体标准化工作的集成。

图3 三维视角下的二维标注

图4为利用B平台下的原生标注工具绘制出的标注，假设实际标注的点位为A、B两点，尺寸引出线起点为C、D两点，标注箭头与引出线交点为E、F两点，利用工作空间可以对AC与BD的长度（对应图4中标注偏移）、箭头大小、文字样式等进行配置。对于AE、BF的长度（对应图4中标注高度），此值直接影响最终标注的整齐与美观，一般设计院对于该值都有明确的规定，但在B平台却无法利用现有配置变量的功能完成定制，而只能在绘制标注的过程中完成指定，不利于各设计单位个性化的定制。

图4 B平台下原生标注功能

2 桥梁构件设计交互与出图方式的优化

2.1 临时元素

临时元素为利用B平台底层的IViewTransient接口生成的元素，其最大的特点在于与模型无关而与视图相关。使用临时元素可以在视图层面进行内容的绘制但不影响实际三维模型结果，也无需担心用户误操作导致其手动被删除，但可通过挂接一系列的触发事件完成重绘，最终实现“标注单元浮于模型之上，却又能支持自定义交互”的效果，且该元素在视图的切换、旋转、更新时可自动刷新，保证了视觉效果的美观与智能。

2.2 外接本地数据库

由于1.2节提到的原生标注功能与配置项的缺陷，利用SQLite对标注高度（DimensionHeight）以及最终的文字旋转方向（TextRotateDirEnum）进行了外接本地数据库的配置。其中文字旋转方向以其旋转后所在平面的法向及对应的枚举值表示，可按顺桥向、横桥向以及竖直方向等为基准进行定义。

对于不同设计单位，只需由本单位的管理员对配置文件做相应的定制化操作，即可满足本单位的制图标准，如图5所示；结合B平台中原生的工作空间Dgnlib相关功能可形成一套完整的配置文件。通过二次开发可在程序运行过程中实现对外接数据库配置数据的读取。

图5 外接配置数据库

2.3 设计交互与出图流程

为了避免设计人员交互过程中变量填表式的用户体验，基于B平台提供的二次开发接口，绘制了一系列临时标注元素，包括尺寸标注、角度标注以及标高标注等。由于这些标注仅为用户交互调整的中间产物，故对图形做了简化处理，如不包含尺寸标注箭头、标注高度采取默认值，但这并不影响设计人员的设计过程。

开发程序中内置了大量的参数化构件。以桩柱式桥墩为例，设计人员可以在三维视角上清晰地看到每一个标注具体的数值及其代表的物理含义，如图6（a）所示，图中标注了盖梁所对应的长、宽、高数值。阴影区域的标注具备交互即时调整的功能，即挂接了点击修改的触发事件，如图6（b）所示盖梁盖度。当用户希望调整该值时，直接单击对应的标注文字，程序自动弹出交互式对话框，用户将变更数值填入对话框后，模型与标注随即完成对应刷新，如图6（c）所示，十分清晰便捷。

图6 参数化构件交互调整（单位：mm）

当用户选择最终出图时，利用内存中存储的设计数据与原生Dgnlib文件，同时读取SQLite外接数据库中标注的高度，完成原生标注的绘制，并利用配置的文字旋转方向（TextRotateDirEnum）构造标注文字的旋转矩阵，调整文字朝向，最终达到良好的视觉效果。整体设计交互与出图流程如图7所示。

图7 改进后设计交互与出图流程

3 工程应用

3.1 工程概况

以S215屏山县屏山镇至书楼镇段新建工程为例，路线起点K0＋000m位于G353与屏山县金沙江大道交叉口处，路线终点K23＋872.313m位于书楼镇，与省道S311形成T型交叉。通过在K13＋400m处设置鸭池至鸭池互通连接线，将本项目与宜攀高速鸭池互通连接，连接线终点为ZK3＋472.295m。本项目公路等级为二级公路，路线全长27.346km，其中屏山至鸭池段长13.400km，设计速度采用60km／h；鸭池至书楼段长10.473km，设计速度采用40km／h；鸭池至鸭池互通连接线长3.473km，设计速度采用60km／h。

3.2 设计应用

对本项目主线推荐线的4座常规预制桥梁下部结构进行了三维设计正向设计及出图（一般构造图），4座桥梁分别为：K0＋464m团灯子一号大桥（6×40m预应力混凝土简支T梁），桥长248.08m；K0＋857m团灯子二号大桥（7×40m预应力混凝土简支T梁），桥长288.08m；K5＋913m李家坝中桥（3×30m预应力混凝土简支T梁），桥长105.08m；K9＋390m赵家咀大桥（7×40m预应力混凝土简支T梁），桥长288.08m。

以K0＋464m团灯子一号大桥1号桥墩三维视角一般构造图进行说明，由于标注元素数量较多，为避免表达不清及与模型的相互遮挡，对其进行了分类，在不同的视角下展现不同的标注。由于交互调整的视图与最终出图效果共用一套模型以及标注点位的数据，仅存在临时元素标注与原生标注的区别，本文仅显示最终出图效果（见图8）。动态交互的效果可参考2.3节。

图8 S215团灯子一号大桥1号桥墩三维构造

三维视角出图由于对实体的渲染，实心、空心等一目了然，不需再借助复杂的虚线反映未剖切到的构造轮廓线，经设计人员反馈，设计交互式体验友好，调整机制较为灵活，出图效果良好，但存在配置参数较为复杂的问题，建议优先确定标准化程度较高构件的三维标准图及配置参数，再进一步推广。

4 结 论

本文针对公路BIM设计中的常规桥梁构件进行研究，提出了一种基于三维视角下构件设计交互与出图的方式，并利用Bentley平台下的软件Open-RoadsDesigner进行了功能二次开发。通过本方法在实际工程项目中的实践，验证了适应性，其主要特性列举如下：

（1）设计交互采用三维视角下直接点击对应标注进行修改的方法，模型即时联动刷新，避免了变量填表的设计体验，清晰、直观、便捷。

（2）选取不同视角进行三维出图，避免复杂的传统二维表达方式，降低了原有图纸的读图难度，可便于施工人员快速掌握设计成果的几何特性。

（3）整个设计交互出图流程完全摆脱传统的二维表达方式，且都基于一套稳定的模型数据，不存在三维到二维，或二维到三维转化而导致的数据丢失、冗余开发或相关翻模工作，为公路BIM三维正向设计奠定重要基础，且相关模型可进一步导入数字化平台进行施工运维的全生命周期管理。

但本方法仍存在以下技术问题，有待进一步探索：

（1）由于三维标注在空间中容易被模型或其他三维标注遮挡，故往往需要通过偏移操作避免此类情况，而偏移会带来一定的空间视觉误差，影响视觉效果。故单一视角下标注尺寸不宜过多，对于特殊形式的下部结构（如重力式桥台或薄壁式桥台），其构件尺寸复杂，最终出图时需选择较多视角组合表达，相关配置或视角选择较为繁琐。

（2）在传统二维表达方式中可对桩基等较长的构件进行截断简化表达以节省图幅，本文出图技术路线基于真实三维模型，并未对模型进行特殊简化处理，对于较长的桩基会占用较多图幅空间，由于此时模型横桥向十分紧凑，为避免遮挡问题将进一步增加配置难度。

（3）此方法适用于标准化程度较高的桥梁构件，且主要针对一般构造图这类以长宽高等标注为主的图纸。对于钢束、钢筋构造图，其模型十分密集且复杂，目前暂不适用于本文所述三维视角下进行设计交互出图的方式，相关三维表达有待进一步研究。