刘尚蔚, 黄竟颖, 魏群, 乔钢, 王英杰

(1.华北水利水电大学,河南 郑州 450045; 2.中电建路桥集团有限公司,北京 100120)

随着我国经济社会的快速发展,山区桥梁工程越来越受国家重视,山区桥梁工程建设发展迅速。桥梁工程建设投资较大,一旦发生事故,将造成巨大的社会影响和经济损失。为保证桥梁工程的安全性,需要对桥梁工程的地质分布情况进行深入研究和分析[1]。

现如今,三维地质建模无论是在软件开发还是实际应用方面都有了很大进步,但仍存在许多问题,如建模复杂、基层地质人员难以掌握等。目前,无论是国内还是国外的三维地质建模软件都过于复杂,很多都只能由接受过专业培训的人员才能操作,不能被基层广大作图人员所掌握。三维地质建模作图元素需要多次变化,从二维点、线要素转化为三维点、线要素,在二维环境下可以容忍的小瑕疵，在三维环境下运行就会出现错误。另外,建模软件过多,且不同软件构建的模型数据难以共享。这大大增加了工作难度,降低了工作效率。由于地质分布情况的随机性和复杂性,其数据处理也是一个较为复杂的过程。地质勘察数据作为三维地质模型创建的基础,其处理结果的准确性将直接影响地质模型的精确度。

为解决以上问题,桥梁工程亟须一种能够实现快速建模、操作简单的方法来创建[2]地质模型。建模作为BIM工作的基础,是最为繁琐的环节。基于Dynamo能够更快捷地实现信息的批量导入和导出,实现基于Dynamo的参数化、自动化、精准化建模,提高建模效率,为后续施工过程中BIM技术的应用奠定了基础。本文将BIM-Dynamo技术应用到桥梁地质的数据处理和建模中,实现地质数据的智能处理和地质模型的快速创建,解决地质模型创建难、效率低的问题,这种新型地质处理方法将在效率化和智能化建设上发挥重大作用。

1 BIM-Dynamo技术

近年来,BIM(Building Information Modeling)在建筑业得到了广泛应用,在信息飞速发展的时代背景下,BIM技术在桥梁领域也大放异彩。国外学者得益于图形软件(Grasshopper)的启发[3],遵循其应用参数化计算生成的方式,驱动Rhino中形体的思路,在BIM建模软件——Revit中做类似的开发与尝试,并基于可视化编程的基本概念创造研发了“Dynamo”这一软件产品。

BIM是以三维数字技术为基础,集成工程项目中各种相关信息的工程数据模型,实现工程各参与方之间的信息传递和共享,从根本上解决“信息断层”和“信息孤岛问题”。随着BIM技术应用越来越广泛,工程师们对BIM模型的精细程度要求也越来越高,Dynamo作为一个可视化设计插件,可以通过节点的可视化编程界面让用户自由创建参数化设计模型,操作非常快捷简便。BIM-Dynamo技术的产生大幅提高了建模的效率,提高了模型的精细度。

应用于工程结构中的计算式BIM-Dynamo是近几年发展起来的新型图形图像处理及计算技术。其实质是,按照数字图形介质[4](图形隐含着数据,数据依附着图形)的特点和实际工程需要,对输入的数据信息和输出的图形结构完成自动计算、逻辑判断、拓扑关联、分离储存的设计优化建模方法。它具有独立的计算和图形引擎,可以作为可视化交互设计的操作平台,提供了Python、Vlisp等多个语言融合的交互环境[5],并可以将图形生成过程和计算过程记录为XML或dyn等文件,为工程结构的设计、建模、分析提供可独立引用的子程序和模板库[6]。BIM-Dynamo不仅给虚拟的工程结构提供了详细完整的数字图形信息通道,还保存了生成工程结构的过程。这是BIM从单一参数化、族库化建模分析向智能化、集成化发展的标志[7-8]。

Dynamo可视化编程语言可以让工程师通过基于节点的图形化界面创建程序,设计师无需编写程序代码,仅仅连接定义的功能模块(节点)就能发挥Dynamo的计算能力,对冗长烦琐的生产过程进行实时可视化,便于改进和完善设计流程,为Revit和Autodesk Vasari 提供了全新的交换思路[9]。工程师们自由创建和编辑形体,交流可视化流程,快速获得分析数据,可进行有效的优化方案设计,提高了计算效能,降低了工程成本[10]。可继承到Revit中的BIM信息,为后续与桥梁模型数据整合提供了便利。Dynamo节点功能灵活强大,多节点可以串联与并联成组,并通过导线指示节点的工作流程,完成多项计算与建模[11]。

广大CAE(Computer Aided Engineering)工作者可以用Dynamo强大的计算能力解决工程设计问题,BIM技术中强调的可视化、协调性、模拟性、优化性、可出图的五大特点,均可利用Dynamo的自动化、模拟计算、脚本编写、参数化等多种技术手段实现多种解决方案[12]。

2 基于计算式BIM-Dynamo的数据处理方法

将计算式BIM-Dynamo技术应用到桥梁工程的边坡与基岩数据处理中,钻孔数据经Dynamo处理后形成曲面数据,配合Dynamo的Geometry节点系列生成地质实体模型。研究方法的流程图如图1所示。

2.1 地层曲面数据处理

因钻孔数据较为稀疏、离散,存在数值空白区域,直接进行数据处理和地层曲面创建得到的曲面不光滑,精度较低,不能很好地反映地质情况。钻孔点的离散分布从总体来看是有规律可循的,在基于原有地形走向的前提下,勘察技术人员可基于专业经验,并综合地形曲面走势和钻孔深度进行地层走向趋势预测,补全地质钻孔点坐标,并将钻孔点数据录入到Excel表中。

为方便后续地层曲面模型的创建,需要用Dynamo对记录钻孔点数据的Excel表格进行处理,从而生成地层曲面数据。Excel表格处理步骤如下：

1)读取Excel表格数据。使用Excel.ReadFromFile节点将Excel数据导入到Dynamo中。输入端file输入Excel文件,该文件首先通过节点File Path浏览文件储存的路径,然后通过节点File.FromPath转换到Dynamo中。节点String经由输入端sheetName输入需要读取表格的名称,该名称需要与Excel文件对应。

2)选择Excel表格中某行某列数据。使用List.GetItemAtIndex节点来完成Excel表格中所需的地质数据的选择。先在Excel.ReadFromFile节点中找到所需数据的位置,然后，通过自定义节点Code Block输入数字选择某行,得到这一行的数据生成新列表;再通过节点Code Block输入数字选择某列,通过行和列可以定位到需要的数据。

3)表格数据处理完成后,将得到的地层曲面数据写入新的Excel表格。数据处理流程如图2所示。

2.2 生成地层曲面模型

将地层曲面数据经过Dynamo处理后,可生成地层曲面模型。将Excel表格中地层曲面数据导入到Dynamo中,Code Block节点定义将坐标X、Y、Z列表下的数据分成3个list归类,Point.ByCoordinates节点通过坐标生成点,Topography.ByPoints节点由点生成曲面,Topography.Mesh节点获取基本三角形网格。地层曲面模型的创建流程如图3所示。

Dynamo节点的功能较为简单,在处理列表、理清逻辑关系中,尤其是使用循环时特别麻烦。而Python Script节点提供的直接编写Python程序和引用Python程序的功能,使在Dynamo中进行节点二次开发非常方便。且在Dynamo中二次开发生成的程序可以存储为dyn格式文件从而成为子程序,方便在当前或多个Dynamo文件中使用。从而实现桥梁工程模型信息互通,避免重复工作,提高工作效率。

3 基于Dynamo的笋溪河特大桥地质模型

笋溪河特大桥的地形和地质条件较为复杂,为了更好地满足桥梁施工的要求,需要清楚地了解其地质构造,可采用BIM-Dynamo技术对其地质数据进行整合处理。

3.1 情况简介

笋溪河特大桥全长1 578 m,主桥为重力锚式钢桁架悬索桥,主跨660 m,索塔高约200 m,桥面距河谷高约280 m。主桁采用钢桁加劲梁,桁高5.5 m,桁宽28 m。该项目投资大,建设周期长,涉及面广,数据和信息处理工作量大,施工管理复杂。

3.2 边坡与基岩数据处理

笋溪河工程地质资料包含5个地质剖面,50个钻孔点,210个虚拟钻孔点。可将各钻孔点坐标录入到Excel表格中,经Dynamo处理后,生成曲面数据,配合Dynamo的Geometry节点系列生成地质实体模型。笋溪河特大桥的地质平面如图4所示;地质资料剖面图共有a、b、c、d、e 5部分,其中剖面图a、b如图5所示,地质钻孔点与虚拟点位置如图6所示。图7为钻孔点坐标数据的Excel表格截图。

图5 地质资料剖面图(仅列a、b)

图6 地质钻孔点与虚拟点位置图

图7 钻孔点坐标数据的Excel表格(截图)

利用Dynamo软件中List的数据批量输入和输出功能,将地质钻孔点坐标形成的Excel表格数据导入到Dynamo中进行处理,生成地层曲面数据。Dynamo处理过程如图8所示,地层曲面数据的Excel表格如图9所示。

图8 Dynamo处理过程

图9 Dynamo处理后的地层曲面数据(Excel表格截图)

Dynamo计算产生的dyn文件部分数据如下：

X="66.5851652530985"

Y="335.317959578664"

zoom="0.549411011482668"

ScaleFactor="1"

Name="Home"

Description=""

RunType="Manual"

RunPeriod="1000"

HasRunWithoutCrash="True">

resolvedName="Autodesk.DesignScript.Geometry.Point"

assemblyName="ProtoGeometry.dll"/>

resolvedName="DSCore.List"

assemblyName="DSCoreNodes.dll"/>

guid="5fc15281-019a-4187-969c-c506acd-

90fe2"

type="Dynamo.Graph.Nodes.CodeBlockNodeModel"

nickname="Code Block"

X="1021.21470397837"

Y="415.813437173854"

isVisible="true"

isUpstreamVisible="true">

……

guid="f937d4d0-697a-418e-8b3d-a58a58-

04adc7"

type="CoreNodeModels.Input.Filename"

nickname="File Path"

X="1829.85343250751"

Y="-231.83819934079"

isVisible="true">

3.3 地质模型生成

首先由曲面数据生成地层曲面,然后将两个地层进行垂直连接,形成地质三维实体模型。根据图形图像学原理“立方体每个面的轮廓线都是逆时针闭合的”,进行三维实体创建,可根据坐标点利用Python Scrip进行编程,再与PolyCurve.ByJoinedCurves节点连接生成线,通过Surface.ByPatch节点由线到面,最后由Solid.ByLoft节点生成实体模型。建立地层曲面模型的Dynamo处理过程如图10所示,地质整体模型如图11所示。

图10 建立地层曲面模型的Dynamo处理过程

图11 地质整体模型

3.4 块体分割

桥梁工程岩层特性比较复杂,每部分的物理特性不同,且地质模型形成的文件太大,会影响力学计算速度。因此,为了方便力学计算,使计算结果更加精确,需要对地质模型进行分块处理。笋溪河特大桥整个地域岩层总长度为1 640 m,将其划分为8个子块,首块长度240 m,其余子块均按200 m的长度进行分割。子块依据X、Y、Z轴3个方向进行切割,切割参照距离为10 m参照线,形成多个多面体。块体分割坐标见表1,分割情况如图12所示。分割之后可单独对单一区域地质块体进行计算,提高了计算速度。

表1 块体分割坐标

图12 块体分割图

4 结论

本文利用Dynamo各类节点灵活、强大的功能对地质数据进行处理,充分利用了Excel和Dynamo的强大功能,实现了地质数据的智能处理和地质模型的快速创建,解决了地质模型创建难、效率低的问题,为复杂繁琐的地质数据处理找到了一个较为简单的方法,大幅提高了建模的效率和精细度。使用工程结构中的计算式BIM-Dynamo,BIM工程师并非只是简单地来进行数字建模,而是应用Dynamo这一可视化的编程建模工具进行地质数据整合处理,从而提高设计工作的效率,减少甚至避免设计错误。利用Dynamo可打包存储的功能,将图形生成过程和计算过程记录为XML或dyn等文件，实现其他项目的复用,为Dynamo在桥梁基岩设计中的发展、应用提供了便利。

BIM技术作为未来的发展方向,在复杂结构工程的设计施工中,Dynamo等参数化设计软件将发挥越来越重要的作用。