王 欣， 田石柱

（苏州科技大学 土木工程学院， 江苏 苏州215011）

桥梁工程是土木工程项目开发中的基础设施，在建筑领域中占据重要地位[1]，越来越多地出现在我国城市桥梁建设中。 箱梁结构经济适用、受力性能好，外观线型流畅、美观，从而实际工程中多采用连续箱梁桥。当下，智能城市的呼声越来越高，通过BIM 技术，建立可靠的变截面连续梁桥模型[2]，不仅能够提高桥梁设计的效率及质量，也能节约工程资金、保障施工周期，有助于实现桥梁工程的创新性及进步性[3]，同时日新月异的技术也推动了BIM 在桥梁行业中各工程阶段的价值实现[4]。 本文主要针对变截面连续箱梁桥建模过程中存在的问题进行研究。

现有的桥梁BIM 建模主要采用手动方式逐一拼接梁块构成桥梁模型的方法，这种建模方法主要适用于小跨径或是一些简单构造的等截面连续梁桥。 将该方法用于大跨径变截面连续箱梁桥设计则实用性降低，考虑到所建桥梁沿着道路中心线呈空间曲线[5]，需要逐一在梁块两端设置不同的梁高做成该曲线；通过手动修改每一个梁块两端截面参数用以反应细部构造差异，再依据标高轴网拼接下部结构，只是通过手动逐一添加的方式，在桥梁桥跨长度大、空间线形变化复杂[6]的情况下工作过于繁琐。 此外，足够数量的参数化桥梁族构件是建立BIM 模型的重要前提，对此各企业均投入大量精力建立个体族库，但是企业间缺乏交流、共享，容易导致行业族标准不统一，不同专业族构件拼接困难，不利于桥梁BIM 技术推广与发展。

本文以苏州木渎镇核心区姑苏大桥项目为例，采用拓扑原理参数化控制梁截面轮廓族点图元位置，进行连续梁截面的平面图形绘制，并基于绘制的箱梁轮廓族在Dynamo 中建立变截面连续箱梁桥BIM 模型。

1 Revit 与Dynamo 的BIM 应用

1.1 Revit 的BIM 应用

在BIM 设计软件中,与CAD 同属于欧特克公司的Revit 具有庞大的用户数量，其整合旗下产品线,让各个软件能够优势互补、各展所长，支持完整的设计生命周期，帮助用户高效地完成设计，并最终达到双赢[7]。

Revit 软件主要面向的是房屋建筑工程，提供了三种族构件模板：一是标准构件族库，为内置模板，包含了门窗柱梁墙等；二是自定义模板；三为面向复杂形体的概念体量模板。 对于桥梁工程，Revit 缺乏内置标准族，需要用户自定义参数化族构件，用以项目重复使用。 参数化族的优点是在建立桥梁BIM 项目时，可以直接从族库中调用参数化构件，根据设计思路，受力需要调整族参数及族构件位置，通过这种方式大大减少建模的时间，提高建模的准确度，并且以统一标准建立的族库，部门之间协调性也大大增强。 参数化族的另一优点在于便于修改，将统一类别的族构件存入族库，在遇到族库中没有但却是相似的族构件时，只需将它稍加修改即可，很大程度地降低了重复操作的工作量。

1.2 Dynamo 的BIM 应用

Dynamo 是参数化建筑设计软件中的一种高效的计算机辅助设计工具，起初是基于Autodesk Revit 信息管理平台的开源式插件[8]，现阶段已正式纳入Revit 版本自带的工具模块。 它提供了可视化的编程平台，支持数据计算及图元建模，具有门槛低、调试方便、直观便捷的特点。 Dynamo 具有良好的空间点、线捕捉能力，对于复杂桥梁结构体系，可以根据处理后的点线几何信息，驱动可视化编程程序，对Revit 导入的族构件参数赋值修改，并在相应的空间位置上生成桥梁BIM 模型。

2 变截面连续箱梁桥的Dynamo 建模设计方法

2.1 建立点图元梁截面轮廓族

拓扑关系（Topological Relation），是图形学中的常用概念，本质上是把各种图形抽象简化为各个点之间的关系。 比如正方形、梯形、四边形、菱形等等，尽管在形状上有很多不同，但是在拓扑视角上来看，这些图形都满足依次使点连接成环的关系，属于拓扑等价。

因为同一座桥梁的梁截面具有可复制性， 看似差异巨大的不同截面可以转化为拓扑等价的点图元轮廓。 根据截面类型确定截面控制点图元数量，依次放置点图元，通过不同参照平面关联尺寸标签约束点图元位置。如图1 所示，在建立尺寸约束时选取一个平行于基准X 轴的参照平面，将每一个点到参照平面的竖直距离设置为参数h，结合参数标签约束相邻图元横向距离，由参数i 用来设置横坡。 用参照线依次连接这些点，作为每一条线段的起点与终点。 这里每一个点只需要考虑其上一个点的位置与下一个相连点的位置，在这种方式下，达成可参数化控制的梁截面轮廓族的创建。

2.2 Dynamo 建模节点原理及架构

（1）整理数据表格。 如图2 所示，采用Civil 3D 软件导出道路中心线数据，同时根据设计信息，将桥梁模型按照设计图纸精度划分为有限个梁段，将梁截面尺寸数据在EXCEL 中整理成表。

（2）拟合桥梁道路中心线。 采用“Data.ImportExcel”节点，导入数据表格中的道路中心线数据， “Point.ByCoordinates”生成中心线上所有坐标点（x，y，z）坐标，“NurbsCurve.ByPoints”节点将坐标点连接成样条曲线。

（3）创建各截面坐标系。 截面轮廓由两条初始的参照平面定位族的基准位置，在导入Dynamo 中之后，两条参照平面作转化为局部坐标系的X 轴与Y 轴，因此在每一个梁截面位置应建立局部坐标系。 方法是采用Curve.ParameterAtPoint、 Curve.TangentAtParameter 节点，得出沿桥路线中心线上对应位置切向量，采用Plane.ByOriginNormalXAxis、Plane.ToCoordinateSystem、CoordinateSystem.Rotate 节点创建定向平面坐标系。

（4）布置放样轮廓族。使用Family Types、FamilyInstance.ByPoint 节点，将Revit 项目文件中轮廓族文件载入Dynamo，并布置于各桩号位置处坐标系上。 使用List.GetItemAtIndex 节点获取梁截面数据，再由Element.SetParameterByName 实现参数修改。 不同项目中，需要修改的参数名称数目各不相同，因此本文调用Python Script 节点二次开发，目标代码可以遍历参数表格，自动获取对应构件尺寸数据，批量赋值族参数。 节点代码如下：

import clr

clr.AddReference("ProtoGeometry")

from Autodesk.DesignScript.Geometry import *

图1 点图元梁轮廓族（单位：mm）

图2 参数化建模数据表格图

clr.AddReference("RevitAPI")

clr.AddReference("RevitAPIUI")

import Autodesk

from Autodesk.Revit.DB import *

from Autodesk.Revit.UI import *

clr.AddReference("RevitNodes")

import Revit

from Revit.Elements import *

clr.AddReference("DSCoreNodes")

import DSCore

from DSCore import *

# 该节点的输入内容将存储为IN 变量中的一个列表。

dataEnteringNode = IN

# 将代码放在该行下面

ls_m=IN[0]

ls_c=IN[1]

ls_f=IN[2]

ls_o=list()

for m in ls_m:

for f in ls_f:

lsfindex=ls_f.index(f)

lsmindex=ls_m.index(m)

value=ls_c[lsmindex][lsfindex]

lsff=Element.SetParameterByName(f,m,value)

ls_o.append(lsff)

# 将输出内容指定给OUT 变量。

OUT = ls_o

调用Function.Compose 节点功能复合Element.Curves、PolyCurve.ByJoinedCurves、Geometry.Transform 三个函数，将导入Dynamo 中的梁截面轮廓曲线转化为Geometry 图元，用以支持Dynamo 对图元计算处理。

（5）实体化Dynamo 图元。由于Dynamo 仅支持单一闭合曲线之间的放样，因此需要将内外轮廓族分组生成实体。 外轮廓可用直接使用Solid.ByLoft 节点放样，内轮廓由于变化复杂需要先调用List.sublists、List.chop节点完成轮廓分组，然后使用Solid.ByLoft 节点，完成相邻轮廓间的放样。 放样完成后调用Solid.DifferenceAll节点计算内外轮廓放样结果的布尔差集，实现箱体内空心部分建立。 调用Spring.FamilyInstance.ByGeometry将Dynamo 中的模型导入Revit 生成实例文件。

（6）布置主桥墩。 调用Curve.PlaneAtSegmentLength、Plane.Normal、Vector.AngleAboutAxis 三个节点，计算各墩台对应位置转角，并沿桥梁桩号线方向按照坐标点位置自动化放置桥台桥墩。

（7）封装节点。如图3 所示，将建模过程中使用的众多节点封装为单个自定义节点，设置对应的输入端与输出端。 该方法可以提供可视化窗口，增强建模设计界面条理性，另一优点在于可以提供给不懂内部代码的人员使用，有助于BIM 在桥梁工程领域推广应用。

图3 Dynamo 变截面连续梁桥建模节点

3 工程实例

3.1 项目背景

本文将变截面连续梁建模方法应用到苏州木渎镇核心区姑苏大桥拆除重建工程中， 选择主桥段 （55+90+55）m 三跨混凝土变截面连续箱梁段进行建模。 主桥位于直线上，桥面设计横坡为单向2%，最大纵坡为3.5%，纵面位于半径为R=900 m 的凸曲线上，横断面为单箱双室结构，箱梁共两幅，每幅由单箱双室箱形截面组成，箱梁根部梁高5.2 m，跨中梁高2.4 m，箱梁顶板宽16.8 m，底板宽11.8 m，翼缘板悬臂长为2.5 m，箱梁梁高及底板厚度从距跨中1 m 处至距主墩中心1.5 m 处按2.0 次抛物线变化。 主桥主墩采用钢筋混凝土圆端型桥墩，矩形承台，钻孔灌注桩基础。 主墩墩身厚3.5 m，桥墩高度3.5 m，主墩承台厚3.0 m，平面尺寸为14.0 m×10.0 m，单个承台桩基为12 根φ1.5 m 的钻孔灌注桩，桩长70 m。

3.2 采用Revit 建立桥梁构件族

（1）箱梁截面轮廓族。本桥中箱梁结构形式为单箱双室，箱梁横桥向底板保持水平，控制箱梁中心梁高为设计梁高，顶板横坡按道路相关数据调整，相应调整两侧腹板高度。 图4 为参照主桥箱梁构造图对应得到的箱梁BIM 轮廓族，图中五种截面轮廓均由一个箱梁轮廓族修改参数建成。

（2）桥墩基础族。 采用公制常规模型族构件，选定工作平面绘制二维图形轮廓，使用拉伸命令构建桥墩、承台、桩基础族，并嵌套为一个主墩基础族，图5 所示为桥墩二维构造图及桥墩BIM 模型族。

图4 参数化箱梁轮廓族

图5 主墩图纸及BIM 族（单位：mm）

3.3 完成整体桥梁模型

生成桥体模型见图6。 桥梁上部结构由高精度梁截面轮廓族分组放样构成，快速准确地反应工程参数。

3.4 模型细部构造

采用Dynamo 建立变截面连续梁桥模型，可以用更高的精度进行设计，设计出的桥梁模型能在一定层面上反应细部构造，可以直接导出施工图纸，进行施工模拟等。 如图7 所示为桥梁BIM 模型三维视图，图中顶部良好地反应了箱梁内部构造。采用Dynamo 建立的全桥双幅BIM 模型精度较高，其模型体积能较好地吻合设计图纸工程量统计（单幅7 376.4×2=14 752.8 m3），如图8 所示。

图6 姑苏大桥主桥段BIM 模型

图7 姑苏大桥模型三维视图

图8 材料统计图纸与BIM 模型属性

3.5 箱梁钢筋模型

箱梁钢筋主要分为两种，一是用于增强箱梁整体性，承受横向弯矩的横向预应力束，可以在梁截面用Revit 自带钢筋族布置；二是存在于箱梁纵向的不同功能要求的预应力钢筋，这一类预应力钢筋由于数量多，构造复杂，故布置这类钢筋存在较大难度。 目前主要有两种解决办法：其一是分梁块布置预应力钢筋，需要处理好相邻梁块钢筋接头位置；其二在连续梁每一个控制截面处用参照平面线确定钢筋布置点，并制作自适应预应力钢束族，自适应预应力钢束族的自适应点的数量等同计算截面的数量，最后在梁体模型中依据自适应点载入预应力钢束族。 钢筋模型如图9 所示。

3.6 模型明细表

采用高精度的BIM 设计模型，可以对工程量实现更加精准的预算。如图10 所示，通过Revit 明细表功能，可以统计出桥墩混凝土材料用量及箱梁钢筋用量。在大跨径桥梁中，由于更多的计算由计算机完成，便于校核直接生成项目成本，为业主控制成本提供了方便[9]。

图9 箱梁钢筋模型

图10 明细表材料统计

4 结论

本文研究了变截面连续箱梁桥BIM 建模设计方法， 采用Dynamo 驱动Revit 点图元构建而成的箱梁截面轮廓族，结合参数修改、分组、放样、空心剪切等功能，建立变截面连续箱梁桥BIM 模型。 以姑苏大桥项目为例，采用该方法建立的BIM 模型从精度上满足设计要求，提高了设计质量，同时有助于工程量预算及桥梁工程产业化的发展，也丰富了可修改可重复使用的桥梁BIM 族库。 研究结果表明，该建模方法值得在变截面连续箱梁桥BIM 建模设计中进一步推广、应用。