公路常规桥梁BIM模型结构化组织方法研究

2023-03-15肖春红

公路交通科技 2023年1期

肖春红，朱明，袁松

(四川省交通勘察设计研究院有限公司，四川成都 610017)

0 引言

随着国家交通强国战略部署的实施和新基建的深入推进，交通信息化也从单一的阶段性应用逐步转向覆盖设计阶段、建设阶段、运营养护阶段的全生命期应用。BIM技术作为信息化的重要组成部分，是实现交通资产数字化的有效手段，发挥着越来越重要的作用。

目前，桥梁工程的设计成果主要以二维图纸、文档和表格等方式呈现，这些工程数据的结构化程度非常低，计算机识别难度大，严重阻碍交通建设的信息化发展。桥梁BIM模型是对传统桥梁设计成果的数字化表达，主要包括工程构件的三维模型和设计数据，这些构件的分解方法和设计数据的结构化组织方式与工程建设各阶段的应用需求息息相关，是工程建设各阶段数据有效流转的重要保证，也是实现交通信息化建设的关键环节。

为推动设计成果的数字化，许多学者在桥梁BIM建模领域已有较多研究，赵伟兰等[1]探析了桥梁BIM参数化建模方法；李长江等[2]探讨了BIM桥梁模型创建工作流程及其在优化设计和三维可视化等方面的应用；林友强等[3]基于Revit,AutoCAD,Midas等平台在快速建模、结构分析和自动出图等方面进行了研究，并开发了桥梁信息模型系统；涂俊等[4]基于Revit和Dynamo实现了城市景观桥梁BIM模型的参数化创建，并研究了Midas有限元分析软件与BIM模型的衔接应用。以上这些研究主要集中于桥梁建模，未在工程建设应用领域开展具体的研究工作。

目前也有部分学者基于BIM模型开展桥梁工程建设管理及后期运维阶段的应用研究。刘智敏、宋冰、陈文宝等[5-7]基于桥梁BIM模型对设计检查、工程量清算、二维施工图生成及施工等方面的应用进行了研究；林述涛[8-9]在多源数据融合和协同管理方面开展了相关研究；张裕超等[10]基于BENTLEY平台架构了桥梁全生命周期BIM系统解决方案，分别在三维结构设计与力学计算、施工现场模拟、工程资料管理、协同管理及碰撞检查等方面进行了研究与实践；文献[11-13]以港珠澳跨海大桥工程为例，提出了用于桥梁运维管理的桥梁BIM模型交付方案，并在施工进度管理和交通工程联合设计方面开展了应用研究; 郭树彬[14]将激光扫描技术应用于大跨度转体斜拉桥钢球铰精细化安装管理中，取得了良好的效果。这些学者分别在桥梁建设管理及后期运营维护阶段对BIM模型及相关数据需求进行了探索，但研究成果针对公路常规桥梁全生命周期应用很难具有普适性，且部分学者是基于特定平台、特殊桥梁或特定需求展开的应用研究(如张裕超、董莉莉等)。勾红叶等[15]总结了桥梁信息化及智能检测等领域的研究现状,同时对这些领域的后续发展方向及研究重点进行了分析展望；专著《桥梁工程BIM技术标准化应用指南》[16]讲述了基于Revit平台创建桥梁标准化构件库并组装成桥梁BIM模型的方法，但基于公路常规桥梁全生命周期应用所需的BIM模型实体分解和数据结构化方法的研究还比较少见。

现有桥梁BIM软件[17-18](Revit，OpenBridge及Catia等)无法针对不同的BIM标准实现BIM模型构件分解、层级划分及数据结构化的自动化创建，以Catia为例，构件分解及层级划分虽可在建模过程中自定义，但当应用所需的构件层级划分标准不一致时，需对建模流程进行更改，或采用手工调整BIM模型，BIM模型的普适性较低。

1 结构化组织方法

通过研究近5 a四川省内多条高速公路近900座桥梁的BIM模型构建过程和数字化交付流程，制定了桥梁BIM构件划分原则及桥梁工程节点层级关系配置方案(上部结构、下部结构、桥墩、墩柱等均为桥梁工程节点，但各节点的层级关系不同，下部结构为桥墩的父级节点，墩柱为桥墩的子级节点)，提出了常规桥梁BIM模型分解和结构化组织方法，具体包括以下几个步骤：

(1)分离模型和属性，并建立模型与属性文件的关联关系。基于BIM几何模型及设计信息构建与应用需求匹配的桥梁工程节点，创建对应的模型id及属性，并在BIM几何模型中设置模型id，通过此id实现几何模型与属性的一一对应；

(2)根据工程建设应用需求，创建模型分解方案及层级关系配置表；

(3)在步骤(1)和步骤(2)的基础上，建立模型分解及其层级关系；

(4)基于步骤(3)得到的模型分解及其层级关系构建BIM模型结构树，并通过二次开发在软件界面实现模型及对应属性的展示和面向用户的管理，最后得到结构化的BIM模型。

BIM模型分解和结构化组织方法如图1所示，此方法适用于不同BIM软件创建的BIM模型及不同的 BIM交付标准。本研究利用Visual Studio平台，采用C#语言基于Revit软件平台进行二次开发，创建公路常规桥梁BIM模型，并根据BIM模型分解原则生成模型对应的模型节点、模型信息及不同模型之间的层级关系(模型节点、模型信息及模型层级关系采用JSON格式存储)，再通过模型节点及模型层级关系构建桥梁BIM模型结构树，形成结构化的BIM模型。

图1 BIM模型分解和结构化组织方法Fig.1 BIM model decomposition and structured organization method

基于上述研究方法，公路桥梁结构化的BIM模型主要由几何模型、模型结构树及属性组成。其中，几何模型代表构件的几何形状信息；模型结构树代表工程构件的层级划分信息；属性主要包括构件相关的信息，如几何尺寸、设计参数及工程信息等。由于效率、应用需求及软件技术等条件的限制，桥梁BIM几何模型无法表达出所有的工程对象，如桥下清方等，本研究所述的研究方法为通过定义虚拟节点模拟无几何模型的工程对象，通过定义实体节点模拟存在几何模型的工程对象。

2 模型分解及构件层级划分

2.1 模型分解

BIM模型分解与模型创建密切相关，首先建立三维参数化构件库(构件为工程对象分解的基本构件)，然后对参数化构件根据工程设计实例化并赋值后进行拼接装配，最后完成桥梁模型的创建。

BIM模型主要应用于工程建设阶段及运营养护阶段，其中，建设阶段所需求的模型分解程度高于运营养护阶段，且运营养护的基础数据应继承自建设阶段。分部分项工程是建设阶段业务流程的关键要素，因此，模型分解应充分考虑建设阶段的分部分项规则，这是确定BIM模型构件层级划分的主要依据。

按照常规公路桥梁分部分项工程划分原则，桥梁结构主要包括上部构造、基础及下部构造、桥面系及附属工程，图2为某工程分部分项工程层级关系。

图2 分部分项工程层级关系图Fig.2 Hierarchical relationship diagram of sub-projects

2.2 构件层级划分

通过研究桥梁建设分部分项规则，本研究制定了系统默认的公路常规桥梁BIM模型构件层级划分规则，并按照此规则为每个构件层级分配了节点编码,系统默认的构件层级划分及对应的层级节点编码如表1所示。

为适应不同BIM标准及不同工程需求下分部分项工程划分原则的变化，研究采用分部分项工程层级关系配置表作为BIM模型创建的输入条件，其将作为构件节点关系表的主要依据。当构件划分规则与系统默认的划分规则不一致时，用户可针对具体的分部分项工程划分需求调整构件层级，并在配置关系表中设置与默认规则不一致的节点层级关系，从而实现BIM模型结构树的普适性。

分部分项工程层级配置表如表2所示，表中所述的配置参数代表将下部结构的桥墩父节点由默认的下部结构节点调整为桥梁工程节点，并将桥墩的盖梁父节点由默认的桥墩节点调整为下部结构节点。

通过表1及表2中的分部分项层级关系，可获得任意工程节点对应的父节点及子节点，再通过节点id建立与几何模型的关联关系，从而实现桥梁BIM模型的结构化组织。

表1 节点层级划分及节点编码Tab.1 Node hierarchy division and node coding

表2 分部分项工程层级关系配置表Tab.2 Hierarchical relationship configuration table of sub-projects

3 模型信息

信息是BIM模型的关键要素，是所有基于BIM模型开展业务应用的前提条件。根据本研究所述的模型组织方法，当无BIM几何模型时，所有工程节点均为虚拟节点，除三维可视化等与BIM几何模型息息相关的业务外，可基于虚拟节点及对应的模型信息进行正常的BIM应用；当无节点信息时，BIM模型仅有三维几何，无法与业务逻辑相衔接。模型信息主要包括模型id、模型编码、模型节点编号、位置信息、几何信息及设计信息。

(1)模型id

模型信息采用单独的文件进行存储，其通过模型id与BIM几何模型建立连接，BIM几何模型中每个构件都有一个id参数，其值与对应的模型节点id值保持一致，本研究采用计算机随机生成的GUID为模型节点id赋值。

(2)模型编码

模型编码主要用于标识模型节点的工程类型，公路常规桥梁模型节点类型一般主要包括桥梁、上部结构、下部结构、桥墩、桥台、T梁、箱梁、湿接缝、横隔板、盖梁、垫石、墩柱、桩基、承台、墩系梁、地系梁等，这些模型节点均有其对应的唯一模型编码，如表1所示。

(3) 模型节点编号

模型节点编号主要用于标识模型节点的身份，在模型层级关系文件中，采用模型节点编号来表达模型节点与其子模型节点之间的关系。

(4)位置信息

位置信息用于标识模型空间位置。本研究结合公路常规桥梁工程建设习惯建立模型位置信息编码规则，编码采用16个字符组合而成，位置信息编码的含义如图3所示，第1个字符表示路线信息(M表示整幅，L表示左幅，R表示右幅)，第2～4个字符表示模型联号，第5～7个字符表示模型跨号，第8～10个字符表示顺桥向编号，第11～13个字符表示横桥向编号，第14～16个字符表示竖向编号。

图3 位置信息编码Fig.3 Location information coding

位置信息编码规则是计算机解析模型空间位置信息的唯一依据。根据本研究所述的位置信息编码规则，起始顺桥向编号、起始横桥向编号及起始竖向编号均为001，顺桥向编号从小桩号到大桩号依次递增；横桥向编号从左至右依次递增，竖向编号从下向上依次递增。

(5)几何信息

几何信息即BIM几何模型外表面包含多个三角网面，三角网面是由一系列的点组合而成的，BIM几何模型可采用一系列点的坐标进行表达，从而实现几何模型的结构化数据存储；

(6)设计信息

设计信息丰富度应满足工程建设业务需求，主要包括构件尺寸、坐标、材料、体积及施工注意事项等。

4 BIM模型创建及数据结构化

4.1 BIM模型创建系统

常规桥梁BIM模型创建系统共分为3个子模块，分别为设计参数录入、数据结构化及BIM模型创建，基于Revit开发的常规桥梁BIM模型创建系统界面如图4所示。

图4 常规桥梁BIM模型创建系统界面Fig.4 System interface for creating conventional bridge BIM model

系统的建模流程主要包括以下几个步骤：

(1)在设计参数录入子模块中录入桥梁设计参数，并对设计参数按照工程逻辑及相关规范进行数据校验；

(2)通过数据结构化子模块对步骤(1)录入的设计参数进行数据处理，得到结构化的BIM模型数据；

(3)基于步骤(2)中的结构化BIM模型数据，采用BIM模型创建子模块，在Revit软件中创建BIM几何模型；

(4)结合步骤(2)得到的结构化BIM模型数据及步骤(3)得到的BIM几何模型，在Revit软件界面生成对应的模型结构树。

上述建模流程中，步骤(1)～步骤(2)为纯数据计算，与建模软件无直接联系，常规公路桥梁BIM模型创建流程如图5所示。

图5 BIM几何模型创建流程示意图Fig.5 Schematic diagram of BIM geometric model creation process

4.2 BIM模型数据结构化

通过研究业务应用需求，并结合本研究提出的分部分项工程构件层次划分规则和数据结构，本研究基于行业规范分别对节点信息及层级关系数据建立了BIM模型结构化数据标准。

随着“万物互联”和“大数据”的提出和发展，交通建设信息化逐渐与互联网及物联网交汇融合，JSON作为前后端数据交互的标准格式，可实现项目变更过程中BIM模型与BIM数据的同步更新，确保几何模型与数据的一致性，系统采用JSON格式对BIM模型数据进行结构化存储，例4-1为节点信息JSON格式数据,例4-2为分部分项工程节点层级关系JSON格式数据：

例4-1：节点信息JSON格式数据

{

"id": "c2374c09-653f-483c-a530-54c13e14a78a",

"nodeCode": "18-05.02.03.02",

"nodeNum": "23",

"locCode": "M001001001001001",

"attributes": […],

"geometry":[…]

}

例4-1中，nodeCode为节点编码，nodeNum为节点编号，locCode为位置信息编码，attributes用于存储节点的设计信息，geometry用于存储BIM几何模型信息。

例4-2：分部分项工程节点层级关系JSON格式数据

{

"relatingNode": 23,

"relatedNodes": [5，6，7，8，9，10，11]

}

例4-2中，relatingNode为父节点编号，relatedNodes为子节点编号集，此JSON数据含义为“23号节点的子节点编号分别为5,6,7,8,9,10,11”。

4.3 BIM模型结构

如例4-1及例4-2所示，JSON格式数据为高度规则化的BIM模型数据，计算机可根据数据标准较好地识别数据的内容和含义，但这种数据在工程应用时可读性较差，非程序人员识别难度较大。为便于BIM模型创建系统使用人员对数据的核验和管理，研究基于Revit软件的二次开发，在软件界面中实现例4-1节点信息及例4-2所示节点层级关系数据的可视化呈现,桥梁BIM模型结构树如图6所示，BIM模型结构树中每个层级对应一个桥梁节点，并与BIM几何模型建立了一一对应的关联关系。