基于Revit 的預制連續梁橋參數化快速精細建模技術研究

朱子翔 胡耀星 錢思凡 顧若凡

（1. 浙江交工集團股份有限公司，杭州 310051；2. 浙江數智交院科技股份有限公司，杭州 310030）

引言

隨著我國數字化建設的發展，公路工程建設行業也不斷嘗試進行著數字化轉型，BIM 技術作為數字化建設過程中的一項新技術，在公路行業橋梁工程中開始應用。目前在橋梁工程中BIM 技術的應用并沒有取得預想的效果，主要原因在于目前主流的BIM 建模軟件Autodesk Revit 主要用于房建模型的創建[1]，對于公路行業橋梁模型的創建存在一定的短板，經常造成模型精度不夠、建模速度跟不上施工進度等問題，因此造成BIM 技術的應用滿足不了實際施工需求。

目前國內外對于Revit 橋梁參數化建模有一定的研究。例如：劉篤興等[2]對現澆連續箱梁參數化建模進行研究，提出了根據橋梁中心線放置箱梁截面輪廓，利用各截面輪廓連接放樣生成連續箱梁的建模思路。仇朝珍等[3]利用Dynamo 進行橋梁建模，提出了“積木法”建模思路和墩臺扇形布設法。張勝超等[4]對預制箱梁的參數化建模進行研究，提出了用“自適應常規模型”族創建預制箱梁模型，并用Dynamo 進行構件放置的建模思路。

雖然Dynamo 橋梁參數化建模技術的研究有很多，但主要還是針對現澆連續梁、預制簡支梁的參數化建模，對于預制連續梁橋的建模技術研究的相關文獻資料較少。因此探索研究一種全新的基于Revit 的預制連續梁橋參數化快速精細建模技術對于BIM 技術能否在公路工程行業橋梁工程中取得理想的應用效果具有重要意義。

1 傳統建模方法及弊端

1.1 傳統建模方法

Revit 傳統建模方法是將CAD 平面底圖導入到Revit 中作為參照依據，然后根據底圖位置手動將橋梁下部結構各類構件（樁基、系梁、立柱、蓋梁、承臺、橋臺和支座墊石等）放至到相應位置，并調整對應的參數。上部結構模型的創建在下部結構模型完成后根據支座墊石的位置放置預制梁板，并調整每片梁的參數，梁板模型完成后再進行橫隔板、濕接縫和墩頂現澆等現澆構件模型創建，最后再進行橋面鋪裝、防撞護欄、伸縮縫和鋼遮板等附屬工程模型的創建。

1.2 傳統方法的弊端

傳統方法在建模過程中存在內在軟件弊端和外在人為因素弊端，這些弊端嚴重影響建模的精細度和效率。

（1）軟件自身弊端

首先，Revit 作為一款在房屋建筑行業廣泛使用的BIM 建模軟件，對于公路行業橋梁工程這類線性工程的建模并不適用，存在一定的弊端，主要表現在以下方面：

第一、Revit 中雖然有坐標系，但軟件建模過程中不支持直接通過輸入坐標進行定位。因此對于橋梁工程這類需要準確定位的模型在構件位置確定上一定的困難；

第二、軟件自身存在一個半徑為16km 的建模范圍，當模型超出這個范圍區域時，模型的顯示精度就會降低，會出現模型變形的情況，如圖1 所示，不利于精細化建模；

圖1 模型變形

第三、當采用CAD 底圖導入的形式進行位置定位時存在兩個問題，一是CAD 圖中有絕對坐標信息時，導入的CAD 一般都會超出Revit 的建模區域范圍。

其次，是如果將CAD 中的絕對坐標信息刪除后導入Revit 中一般都處在項目原點的位置，在各專業模型協同組合的過程中就需要手動進行模型位置調整，影響模型精度和準確性。

（2）手工建模弊端

一個項目的橋梁構件少則上千個，多則上萬個，手工建模需要對每個構件進行人工擺放調整，經常造成現場相關節點已經開始施工而BIM 還沒有建完，BIM 建模進度跟不上施工進度的現象，給人產生“事后BIM”的印象。手工建模在模型細節處理上也存在很大的困難，對于模型精度要求高，手工建模在細節上容易出現錯縫等誤差，會導致數據不準確的問題，如圖2 所示。

由此可見，預制連續梁橋傳統建模方法存在很大的問題，亟需探索研究一種能夠快速精細化建模的建模方法。

2 Dynamo 參數化快速精細建模

2.1 Dynamo 建模的優勢

Dynamo 的出現使Revit 在預制連續梁橋中參數化快速精細建模成為可能，利用可視化編程的優勢，將Dynamo 自帶封包的節點或用Python 編寫簡單的代碼調用Revit API自定義節點通過邏輯連接形成一個程序。同時Dynamo 還能和Excel 有效結合，事先通過Excel整理各個構件的位置、尺寸、材質等信息，Dynamo 程序可以讀取表格中的數據信息將相應的構件放置在相應位置，并自動調整構件尺寸，同時賦予一些材質、WBS 等施工應用所需的信息。

利用Dynamo 進行建模相比傳統手工建模有以下優勢：

（1）利用程序實現計算機自動建模，極大的減少了工作人員的建模工作量，同時程序自動建模能比手工建模減少約80%的建模時間；

（2）通過Excel 數據調整各個構件的屬性信息，使模型更具可控性，圖紙信息修改時通過修改Excel 數據，利用程序重新生成模型，做到真正意義上的參數化建模；

（3）程序通過Excel 數據生成的模型，位置、尺寸等更準確，做到了精細化建模。

2.2 預制連續梁橋參數化快速精細建模方法

本文通過分析Revit 軟件的建模機制，結合預制連續梁橋的施工流程，研究探索了一套基于Revit 的預制連續梁橋參數化快速精細化建模方法，建模整體思路流程如圖3 所示。

圖3 預制連續梁橋參數化快速精細建模流程

2.2.1 橋梁構件Excel 數據表編制

橋梁構件分為下部結構、上部結構和附屬結構，從設計圖紙中獲取相關構件的數據信息，如圖4（a）～（b）所示。

圖4 橋梁構件數據信息

（1）下部結構Excel 數據表包括以下數據信息：

橋梁路線設計線點數據（1m 一個點，點坐標、高程信息）；

橋梁樁位坐標，樁基立柱的直徑、長度、標高，系梁的尺寸、樁間距、標高等信息；

蓋梁尺寸、橫坡i、標高、類型等信息；

橋臺橫坡i、尺寸等信息；

下部結構WBS（分部分項）編碼信息。

（2）上部結構Excel 數據表包括以下數據信息：

梁的橫坡i、設計高程、尺寸、首尾夾角、懸臂值等信息；

梁的WBS（分部分項）編碼信息。

（3）附屬結構Excel 數據表包括以下數據信息：

橋面鋪裝厚度、橫坡i 等信息；

墊石支座類型、尺寸等信息；

伸縮縫類型、尺寸、橫坡i 等信息；

附屬結構WBS（分部分項）編碼信息。

2.2.2 橋梁構件參數化族創建

橋梁構件均采用“公制常規模型[5]”族樣板進行創建，其中梁板族構件采用嵌套族的形式，將常規模型嵌套進入“公制結構框架-梁和支撐[6,7]”族中。在一座橋中族參數需要頻繁調整的采用“實例參數”，不需要調整的采用“類型參數”[8]。對于構件類型的變化，在參數設置中采用“是/否”的參數類型，結合if 函數進行構件類型的參數化設置，系梁根據施工工藝將族創建成“啞鈴型”，如圖5 所示。橋梁構件參數設置情況如圖6 所示。

圖5 系梁模型

圖6 參數化預制小箱梁參數設置

橋梁構件模型的類型根據橋梁WBS 分類進行最小構件單元的創建。比如橋臺，根據WBS 分類可以將橋臺拆分為臺帽、耳背墻、擋塊和墊石等，在建模過程中為配合每個構件與WBS 編碼的掛接，需要根據WBS 對每個最小構件單元進行建模，然后將最小構件單元組合拼成一個大構件，但這樣的建模方式通過程序實現復雜，且各個最小構件單元之間的銜接精度無法保證。因此在橋臺這類構件族創建的過程中將各個最小構件單元整合在一起創建，然后通過可見性參數實現大構件在項目中拆分成各個小構件，如圖7 所示。

圖7 參數控制橋臺構件拆分

通過參數控制的方式在項目中將大構件拆分成最小組成構件單元比在項目中將最小構件單元組合拼接成大構件的方式實現難度更低、模型精度也更高。

2.2.3 編寫Dynamo 自動建模程序

為確保程序運行效率，根據橋梁施工流程，將建模程序分三部分進行：下部結構建模、上部結構建模、附屬結構建模[9]，建模流程根據實際施工流程自下而上依次建模。

下部結構建模首先通過Dynamo 讀取Excel 表格數據信息，將讀取的樁位坐標數據用Dynamo 統一扣除一個固定值（即坐標扣減值），將圖紙中的絕對坐標轉換成相對坐標，并在Dynamo 中生成點，使坐標點都在Revit 軟件的建模范圍內，然后用FamilyInstance.ByPoint[10]節點將樁基族放置在相應的點坐標位置上，最后用節點Element.SetParameterByName[11,12]將Excel中樁基的尺寸、高程、材質等數據賦予給對應的樁基族，以此實現通過程序來快速調整構件參數，而立柱的建模思路與方式與樁基相同。使用該方法能有效的解決Revit 軟件精準定位困難的弊端，利用相對坐標（坐標扣減）的思路避免傳統手工建模導入CAD 超出軟件自身建模范圍使模型現實精度降低的問題，保障了精細化建模，同時各專業模型的相對坐標都是唯一的，也避免了專業協同時還需要挪動模型的問題。樁基立柱Dynamo 快速建模程序節點如圖8 所示。

圖8 樁基立柱Dynamo 快速建模程序節點

系梁、蓋梁、橋臺的建模則是根據相應墩的樁位坐標自動算出墩中點的坐標，并放置對應構件，由于Revit 中構件是基于內置的坐標系正向放置，而一般橋梁的路線走向與坐標系坐標軸存在一定角度，因此需要將放置的構件旋轉一定角度，在Dynamo 程序中通過每個墩樁位坐標點形成向量，用節點Vector.AngleAboutAxis 自動計算每個墩的向量與X 軸的夾角，然后運用FamilyInstance.SetRotation[13]節點將系梁等構件繞Z 軸旋轉相應的角度，再通過程序自動調整構件的尺寸，使系梁等每個構件都能保證尺寸準確無誤并放置在正確位置和角度，由于蓋梁、橋臺需要進行構件的拆分，因此在程序中要比系梁多調整一個實現構件拆分的可見性參數。系梁等構件Dynamo 快速建模程序節點如圖9 所示。

圖9 系梁等構件Dynamo 快速建模程序節點

上部結構梁的生成利用Dynamo 程序自動拾取每個墩的支座墊石構件，然后墩與墩之間的支座墊石生成一條線，再用程序拾取墊石與墊石之間的線生成梁，通過讀取Excel 表格數據自動調整每片梁的標高和尺寸數據，使梁放置在正確的標高位置上，如圖10 所示。

圖10 Dynamo 程序自動放置梁板

濕接縫、墩頂現澆等現澆部分的模型創建是預制連續梁橋建模中的難點，為解決Dynamo 程序對現澆部分的快速精細建模，放棄常規自動放置構件的思路，采用面與面之間自動生成實體的形式進行現澆部分的模型創建。

先用Dynamo 程序識別梁與梁之間的面，用節點Surface.PerimeterCurves 將拾取的面轉換成Curve 曲線，再將Curve 曲線轉換成PolyCurve 曲線，利用Solid.ByLoft 節點在橫截面封閉曲線之間放樣創建實體。最后用Springs.FamilyInstance.ByGeometry 節點在Revit中生成常規模型，Dynamo 生成現澆部分模型程序節點如圖11 所示。

圖11 現澆部分模型Dynamo 程序節點（部分）

通過面與面生成實體的形式創建現澆部分模型，模型與模型之間的貼合度更精準，避免了放置構件導致模型與模型之間存在的細微錯縫等誤差，提高了模型的精細度，通過Dynamo 程序生成現澆部分模型效果如圖12 所示。

圖12 程序生成現澆部分模型（白色）

附屬結構的模型創建與下部結構和上部結構模型的創建方式類似。其中橋面鋪裝和防撞護欄通過將前期準備好的橋梁中心線點數據用Dynamo 生成擬合曲線，然后將橋面鋪裝和防撞護欄的界面輪廓沿著擬合的路線曲線放樣生成實體模型，而伸縮縫、交安設施等則利用程序根據表格數據放置在對應位置并調整好參數尺寸即可，最終生成完整的橋梁模型效果如圖13所示。

圖13 Dynamo 程序生成的完整橋梁模型

3 Dynamo 參數化快速精細建模實際應用效果

3.1 某高速公路工程概況

某高速公路項目路線全長10.7km，雙向六車道標準高速公路設計，設計速度100km/h，橋梁寬度33m，全線設置主線橋梁7 座，樞紐式互通立交1 處，一般互通式立交2 處，全線橋梁共計33 座，橋梁總長10 073.51m。橋梁樁基共計1 275 根、立柱984 根、系梁206 個、蓋梁300 個和預制梁板1 885 片。

3.2 產生效益

對于傳統建模方式，需要將所有橋梁構件進行一一建模，在實際項目建模過程中，梁板這類復雜的構件一個熟練的建模人員完成一片梁板的模型創建至少需要30 分鐘，整個項目光梁板的建模就需要至少1 885*30=56 550 分鐘=942.5 小時，按照每天工作8 小時計算需要大約118 天，橋梁構件手工拼裝成一座完整橋梁需要1 ～2 天，全線33 座橋需要約33 ～66 天。該項目純手工創建橋梁模型保守預計最快需要至少約118+33=151 天，即5 個月時間，很難在項目施工前完成所有模型的創建。

考慮到項目時間緊，為了讓BIM 的價值最大化，采用參數化快速精細建模。不需要對每個構件都進行建模，只需分類將同類型的構件創建一個參數化族即可。創建一個參數化梁板族只需要1 ～2 天，通過參數調整實現尺寸變化。相當于花費1 ～2 天時間就實現了1 885 片預制梁板構件的創建，橋梁所有參數化構件的建模一共花費約5 天時間。利用Dynamo 程序生成一座完整的橋梁模型，從數據整理到模型創建一座橋需要0.5 ～0.7 天，33 座橋一共花費21 天左右。采用參數化快速精細建模方法后，一個人完成全線所有橋梁模型只需要不到1 個月時間。通過實際項目的運用，證明該方法的使用能大大減少建模時間，從預估一個人手工建模最短用時5 個月，到實際花費1 個月時間，節省了建模時間至少4 個月，縮短約80%的時間，且模型精度也有大幅度提高。

4 結論

根據預制連續梁橋的施工流程，分析Revit 軟件建模原理，結合傳統橋梁建模方式，對基于Revit 的預制連續梁橋參數化快速精細建模技術進行了研究和應用，編寫出一套完整的通用性強、操作方便、高效快捷、精細標準化的預制連續梁橋參數化快速精細建模方法。

此方法結合分析了大量現有的Revit 參數化橋梁建模方法和思路，并在此基礎上進行了創新改進，此方法具有如下創新點：

（1）通用性強

此方法有別于現有的僅針對單一類型梁的橋梁建模，能夠適用于所有預制連續梁的橋梁建模，包括預制T 梁、預制箱梁、預制空心板梁等不同類型的梁。

（2）靈活性高

此方法主要針對預制連續梁橋的快速建模，但也適用于預制簡支梁橋，在程序運行過程中去掉生成墩頂現澆的程序節點即可用于預制簡支梁橋的快速建模，方法更靈活變通。

（3）流程簡單

運用“積木法”的思路創建橋梁模型，需要清楚計算知道每個構件的準確位置以及各構件之間的相對關系，“積木”構件越多，需要計算的過程越多、邏輯性越強，操作流程上就越繁瑣，此方法運用“面生體”的思路創建現澆濕接縫和墩頂現澆，除去了濕接縫和墩頂現澆的“積木”構件放置的計算過程及構件參數化族的創建，減少了整個建模流程中的計算過程和邏輯關系，使整體建模操作流程更簡單。此方法的研究和應用解決了Revit 在橋梁建模上建模難度大、效率低、誤差大、精度無法保證等問題，尤其是對濕接縫、墩頂現澆等現澆部分快速精細建模提供了建模思路，同時對其他類型橋梁的參數化快速精細建模提供了參考價值。