一种用于复杂路线上大规模桥梁信息模型的快速建立方法

一种用于复杂路线上大规模桥梁信息模型的快速建立方法

沈晓燕

沈晓燕安徽省交通职业技术学院230001

摘要：针对复杂路线上大规模桥梁的三维建模以及工程信息输入工作繁琐、耗时、难度大的特点，提出了一种将两次法线定位法与使用共享单元相结合的解决方法，并基于MicroStation平台开发了相应的程序模块。使用该模块可以方便地对沿线所有桩基、桥墩、承台、施工节段等构件进行快速、精确定位，并能实现大规模桥梁部分构件的快速建模与批量工程信息输入。该方法已成功应用于芜湖长江公路二桥部分设计工作以及芜湖长江公路二桥三维数字化信息系统研发过程，经检验，该方法成果可靠，可以较好地提高工作效率。

关键词：桥梁BIM技术快速建模MicroStation二次开发

1引言随着社会的进步和交通事业的发展，交通建设项目越来越趋向于大型化、复杂化与多元化，道路桥梁建设过程中各个环节、各个参与方开展工作也愈加繁杂，传统的二维施工图纸交付模式与零散的文档管理模式已经难以满足项目设计、建设、管理与养护过程中的各种复杂需求。在这种环境下，交通领域对BIM技术的需求日益迫切。越来越多的公路、桥梁行业从业者开始关注BIM技术。

BIM技术的核心在于信息模型（InformationModel）的建立与使用，工程中各参与方共同使用与维护一个信息模型，通过信息的快速流通与传递来实现资源的合理使用与配置。当前公路行业中BIM技术处于初步发展阶段，信息模型的建立仍存在不少问题。

当路线平曲线、竖曲线比较复杂时，大规模桥梁设计过程中所涉及的获取桩基坐标、桥墩承台定位、主梁施工节段定位、创建护栏等建模工作就会面临定位不精确、工作量大等诸多难题，据此本文提出了一种快速建立信息模型的参数化方法。

2快速建立信息模型方法2.1两次法线定位原理桥梁设计过程中，桩基、承台、桥墩的定位以及上部主梁施工节段的坐标和旋转角都与路线中心线平曲线法线和竖曲线法线有关。当路线较长、曲线较复杂，特别是涉及路线分叉时，法线的创建工作极其繁琐与困难，而且作一次法线往往难以凑效。本文提出了一种作两次法线并实现程序化的方法来解决这一难题，如图2.1所示。

b上部结构平曲线定位示意图图2.1两次法线定位原理示意图对于分叉路线，平曲线的左幅设计线、右幅设计线以及路线中心线互不重合且互不平行，为了确定桩基、承台、桥墩以及主梁节段等的中心的X坐标、Y坐标以及其绕Z轴旋转角度，这里采用了作两次法线的方法，详细过程如下：（1）沿前进方向，取一距离总体路线中心线起点L（L为沿总体路线中心线的曲线长度，也即里程桩号，可以为跨径、节段间距等任意长度）的点A；（2）过点A作总体路线中心线的法线m，法线m与左幅设计线交于点B，与右幅设计线交与点B’；（3）分别过点B和点B’作左幅设计线和右幅设计线的法线n和n’；（4）在法线n上取一点C，C与点B相距W（W可以是桩基、承台、桥墩以及主梁节段等中心点距离左幅设计线的xoy平面内距离），这里的点C即为定位点，其坐标Xc，Yc为左幅的桩基、承台、桥墩以及主梁节段等中心点的坐标，法线n与X轴夹角（锐角）的补角θ即为左幅的承台、桥墩以及主梁节段等的绕Z轴旋转角度；同样的可以得到右幅的点C’，和参数W’、Xc’、Yc’、θ’；（5）按照1~4的步骤定位后续构件。

对于简单路线上述两次作法线方法仍然适用：可认为左、右幅设计线与总体路线中心线三者重合，所得A、B、B’三点重合。

通过竖曲线的处理，可以获取桩基、承台、桥墩以及主梁节段等的中心的Z坐标及其绕Y轴旋转角度，如图2.2所示。竖曲线处理详细过程如下：

图2.2竖曲线处理示意图（1）根据竖曲线起点的里程桩号及高程，作出水平直线P，P的起点X坐标为竖曲线起点里程桩号，Y坐标为高程0.000；（2）在直线P上取点A，A离直线起点距离为首施工节段中心距桥梁起点的里程距离；（3）过点A作直线P的法线m，交竖曲线于点B，B点的Z坐标即为主梁施工节段中心的Z坐标；（4）过点B作竖曲线法线n，法线n与X轴的夹角（锐角）的补角β即为主梁施工节段绕Y轴的旋转角；（5）按照1~4的步骤定位后续构件。

至此构件的X、Y、Z坐标及转角均可确定。

2.2信息模型快速建立的程序实现按照2.1节所述两次作法线方法可以实现桥梁部分构件的三维定位，要实现快速建模，还需一个完善的桥梁构件库以及将两者结合使用的简洁工具。作者在Bentley公司的Microstation三维设计平台基础上进行二次开发，使用其“共享单元”这一特殊元素创建桥梁构件共享单元库，实现复杂路线上的大规模桥梁信息模型的快速建立。开发的程序界面如图2.3、2.4所示。程序实现过程如下：

（3）利用构件单元库及构件定位点三维坐标和转角批量放置共享单元，实现模型的快速建立。

3应用实例芜湖长江公路二桥项目全长55.508公里，全线多处出现左右幅路线分叉现象，属于典型的复杂路线上的大规模桥梁项目，全线大部分的桩基、桥墩及承台定位建模均可采用本文提出快速建模方法。依照标准化、工厂化、装配化的先进设计理念，长江两岸共28.826公里的引桥和接线桥梁上部结构均采用了全体外预应力混凝土节段预制拼装箱梁形式。采用开发的程序模块可以实现整个项目共20034榀预制节段和护栏的精确定位和快速建模。最终模型如图2.5、2.6所示。

经多方比较验证：本方法定位结果精确可靠。

使用共享单元可以极大的减小模型文件所占磁盘空间：本项目最终dgn文件不超过150M。

4结语目前BIM技术在公路工程行业内的应用属于起步阶段，很多信息模型建立工作虽然能实现，但是效率较为底下，而且解决方案也亟待优化。

本文提出的一种信息模型建立方法可以实现批量参数化建模，模型建立快速、精确、高效，当前阶段可以较好的解决复杂路线上的大规模桥梁三维信息模型建立困难的难题。同时也为同类桥梁的信息模型建立提供了一种解决思路。

另外由于不同桥梁构件形式不同，为了使本方法的适用范围更广，后续还应不断完善桥梁构件单元库，加入更多类型的标准构件并对其实现参数化。

参考文献：[1]MicroStationV8MDLFunctionReference.[2]MicroStationV8MDLProgrammerGuide.[3]Donald，M.PaulineBaker.ComputerGraphicswithOpenGL[M].ThirdEdition.电子工业出版社.[4]赖青.桥梁三维CAD中实体建模技术的研究[D].长春：吉林大学，2009.研究项目：面向工程一线高职高专地下工程与隧道工程技术专业课程与教学模式研究与实践项目号：2014jyxm568