劉尚蔚, 黃竟穎, 魏群, 喬鋼, 王英杰

(1.華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450045; 2.中電建路橋集團(tuán)有限公司,北京 100120)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展,山區(qū)橋梁工程越來越受國(guó)家重視,山區(qū)橋梁工程建設(shè)發(fā)展迅速。橋梁工程建設(shè)投資較大,一旦發(fā)生事故,將造成巨大的社會(huì)影響和經(jīng)濟(jì)損失。為保證橋梁工程的安全性,需要對(duì)橋梁工程的地質(zhì)分布情況進(jìn)行深入研究和分析[1]。

現(xiàn)如今,三維地質(zhì)建模無論是在軟件開發(fā)還是實(shí)際應(yīng)用方面都有了很大進(jìn)步,但仍存在許多問題,如建模復(fù)雜、基層地質(zhì)人員難以掌握等。目前,無論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外的三維地質(zhì)建模軟件都過于復(fù)雜,很多都只能由接受過專業(yè)培訓(xùn)的人員才能操作,不能被基層廣大作圖人員所掌握。三維地質(zhì)建模作圖元素需要多次變化,從二維點(diǎn)、線要素轉(zhuǎn)化為三維點(diǎn)、線要素,在二維環(huán)境下可以容忍的小瑕疵，在三維環(huán)境下運(yùn)行就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。另外,建模軟件過多,且不同軟件構(gòu)建的模型數(shù)據(jù)難以共享。這大大增加了工作難度,降低了工作效率。由于地質(zhì)分布情況的隨機(jī)性和復(fù)雜性,其數(shù)據(jù)處理也是一個(gè)較為復(fù)雜的過程。地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)作為三維地質(zhì)模型創(chuàng)建的基礎(chǔ),其處理結(jié)果的準(zhǔn)確性將直接影響地質(zhì)模型的精確度。

為解決以上問題,橋梁工程亟須一種能夠?qū)崿F(xiàn)快速建模、操作簡(jiǎn)單的方法來創(chuàng)建[2]地質(zhì)模型。建模作為BIM工作的基礎(chǔ),是最為繁瑣的環(huán)節(jié)。基于Dynamo能夠更快捷地實(shí)現(xiàn)信息的批量導(dǎo)入和導(dǎo)出,實(shí)現(xiàn)基于Dynamo的參數(shù)化、自動(dòng)化、精準(zhǔn)化建模,提高建模效率,為后續(xù)施工過程中BIM技術(shù)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。本文將BIM-Dynamo技術(shù)應(yīng)用到橋梁地質(zhì)的數(shù)據(jù)處理和建模中,實(shí)現(xiàn)地質(zhì)數(shù)據(jù)的智能處理和地質(zhì)模型的快速創(chuàng)建,解決地質(zhì)模型創(chuàng)建難、效率低的問題,這種新型地質(zhì)處理方法將在效率化和智能化建設(shè)上發(fā)揮重大作用。

1 BIM-Dynamo技術(shù)

近年來,BIM(Building Information Modeling)在建筑業(yè)得到了廣泛應(yīng)用,在信息飛速發(fā)展的時(shí)代背景下,BIM技術(shù)在橋梁領(lǐng)域也大放異彩。國(guó)外學(xué)者得益于圖形軟件(Grasshopper)的啟發(fā)[3],遵循其應(yīng)用參數(shù)化計(jì)算生成的方式,驅(qū)動(dòng)Rhino中形體的思路,在BIM建模軟件——Revit中做類似的開發(fā)與嘗試,并基于可視化編程的基本概念創(chuàng)造研發(fā)了“Dynamo”這一軟件產(chǎn)品。

BIM是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ),集成工程項(xiàng)目中各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型,實(shí)現(xiàn)工程各參與方之間的信息傳遞和共享,從根本上解決“信息斷層”和“信息孤島問題”。隨著BIM技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛,工程師們對(duì)BIM模型的精細(xì)程度要求也越來越高,Dynamo作為一個(gè)可視化設(shè)計(jì)插件,可以通過節(jié)點(diǎn)的可視化編程界面讓用戶自由創(chuàng)建參數(shù)化設(shè)計(jì)模型,操作非常快捷簡(jiǎn)便。BIM-Dynamo技術(shù)的產(chǎn)生大幅提高了建模的效率,提高了模型的精細(xì)度。

應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)中的計(jì)算式BIM-Dynamo是近幾年發(fā)展起來的新型圖形圖像處理及計(jì)算技術(shù)。其實(shí)質(zhì)是,按照數(shù)字圖形介質(zhì)[4](圖形隱含著數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)依附著圖形)的特點(diǎn)和實(shí)際工程需要,對(duì)輸入的數(shù)據(jù)信息和輸出的圖形結(jié)構(gòu)完成自動(dòng)計(jì)算、邏輯判斷、拓?fù)潢P(guān)聯(lián)、分離儲(chǔ)存的設(shè)計(jì)優(yōu)化建模方法。它具有獨(dú)立的計(jì)算和圖形引擎,可以作為可視化交互設(shè)計(jì)的操作平臺(tái),提供了Python、Vlisp等多個(gè)語言融合的交互環(huán)境[5],并可以將圖形生成過程和計(jì)算過程記錄為XML或dyn等文件,為工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、建模、分析提供可獨(dú)立引用的子程序和模板庫[6]。BIM-Dynamo不僅給虛擬的工程結(jié)構(gòu)提供了詳細(xì)完整的數(shù)字圖形信息通道,還保存了生成工程結(jié)構(gòu)的過程。這是BIM從單一參數(shù)化、族庫化建模分析向智能化、集成化發(fā)展的標(biāo)志[7-8]。

Dynamo可視化編程語言可以讓工程師通過基于節(jié)點(diǎn)的圖形化界面創(chuàng)建程序,設(shè)計(jì)師無需編寫程序代碼,僅僅連接定義的功能模塊(節(jié)點(diǎn))就能發(fā)揮Dynamo的計(jì)算能力,對(duì)冗長(zhǎng)煩瑣的生產(chǎn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)可視化,便于改進(jìn)和完善設(shè)計(jì)流程,為Revit和Autodesk Vasari 提供了全新的交換思路[9]。工程師們自由創(chuàng)建和編輯形體,交流可視化流程,快速獲得分析數(shù)據(jù),可進(jìn)行有效的優(yōu)化方案設(shè)計(jì),提高了計(jì)算效能,降低了工程成本[10]?？衫^承到Revit中的BIM信息,為后續(xù)與橋梁模型數(shù)據(jù)整合提供了便利。Dynamo節(jié)點(diǎn)功能靈活強(qiáng)大,多節(jié)點(diǎn)可以串聯(lián)與并聯(lián)成組,并通過導(dǎo)線指示節(jié)點(diǎn)的工作流程,完成多項(xiàng)計(jì)算與建模[11]。

廣大CAE(Computer Aided Engineering)工作者可以用Dynamo強(qiáng)大的計(jì)算能力解決工程設(shè)計(jì)問題,BIM技術(shù)中強(qiáng)調(diào)的可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性、可出圖的五大特點(diǎn),均可利用Dynamo的自動(dòng)化、模擬計(jì)算、腳本編寫、參數(shù)化等多種技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)多種解決方案[12]。

2 基于計(jì)算式BIM-Dynamo的數(shù)據(jù)處理方法

將計(jì)算式BIM-Dynamo技術(shù)應(yīng)用到橋梁工程的邊坡與基巖數(shù)據(jù)處理中,鉆孔數(shù)據(jù)經(jīng)Dynamo處理后形成曲面數(shù)據(jù),配合Dynamo的Geometry節(jié)點(diǎn)系列生成地質(zhì)實(shí)體模型。研究方法的流程圖如圖1所示。

2.1 地層曲面數(shù)據(jù)處理

因鉆孔數(shù)據(jù)較為稀疏、離散,存在數(shù)值空白區(qū)域,直接進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和地層曲面創(chuàng)建得到的曲面不光滑,精度較低,不能很好地反映地質(zhì)情況。鉆孔點(diǎn)的離散分布從總體來看是有規(guī)律可循的,在基于原有地形走向的前提下,勘察技術(shù)人員可基于專業(yè)經(jīng)驗(yàn),并綜合地形曲面走勢(shì)和鉆孔深度進(jìn)行地層走向趨勢(shì)預(yù)測(cè),補(bǔ)全地質(zhì)鉆孔點(diǎn)坐標(biāo),并將鉆孔點(diǎn)數(shù)據(jù)錄入到Excel表中。

為方便后續(xù)地層曲面模型的創(chuàng)建,需要用Dynamo對(duì)記錄鉆孔點(diǎn)數(shù)據(jù)的Excel表格進(jìn)行處理,從而生成地層曲面數(shù)據(jù)。Excel表格處理步驟如下：

1)讀取Excel表格數(shù)據(jù)。使用Excel.ReadFromFile節(jié)點(diǎn)將Excel數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Dynamo中。輸入端file輸入Excel文件,該文件首先通過節(jié)點(diǎn)File Path瀏覽文件儲(chǔ)存的路徑,然后通過節(jié)點(diǎn)File.FromPath轉(zhuǎn)換到Dynamo中。節(jié)點(diǎn)String經(jīng)由輸入端sheetName輸入需要讀取表格的名稱,該名稱需要與Excel文件對(duì)應(yīng)。

2)選擇Excel表格中某行某列數(shù)據(jù)。使用List.GetItemAtIndex節(jié)點(diǎn)來完成Excel表格中所需的地質(zhì)數(shù)據(jù)的選擇。先在Excel.ReadFromFile節(jié)點(diǎn)中找到所需數(shù)據(jù)的位置,然后，通過自定義節(jié)點(diǎn)Code Block輸入數(shù)字選擇某行,得到這一行的數(shù)據(jù)生成新列表;再通過節(jié)點(diǎn)Code Block輸入數(shù)字選擇某列,通過行和列可以定位到需要的數(shù)據(jù)。

3)表格數(shù)據(jù)處理完成后,將得到的地層曲面數(shù)據(jù)寫入新的Excel表格。數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。

2.2 生成地層曲面模型

將地層曲面數(shù)據(jù)經(jīng)過Dynamo處理后,可生成地層曲面模型。將Excel表格中地層曲面數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Dynamo中,Code Block節(jié)點(diǎn)定義將坐標(biāo)X、Y、Z列表下的數(shù)據(jù)分成3個(gè)list歸類,Point.ByCoordinates節(jié)點(diǎn)通過坐標(biāo)生成點(diǎn),Topography.ByPoints節(jié)點(diǎn)由點(diǎn)生成曲面,Topography.Mesh節(jié)點(diǎn)獲取基本三角形網(wǎng)格。地層曲面模型的創(chuàng)建流程如圖3所示。

Dynamo節(jié)點(diǎn)的功能較為簡(jiǎn)單,在處理列表、理清邏輯關(guān)系中,尤其是使用循環(huán)時(shí)特別麻煩。而Python Script節(jié)點(diǎn)提供的直接編寫Python程序和引用Python程序的功能,使在Dynamo中進(jìn)行節(jié)點(diǎn)二次開發(fā)非常方便。且在Dynamo中二次開發(fā)生成的程序可以存儲(chǔ)為dyn格式文件從而成為子程序,方便在當(dāng)前或多個(gè)Dynamo文件中使用。從而實(shí)現(xiàn)橋梁工程模型信息互通,避免重復(fù)工作,提高工作效率。

3 基于Dynamo的筍溪河特大橋地質(zhì)模型

筍溪河特大橋的地形和地質(zhì)條件較為復(fù)雜,為了更好地滿足橋梁施工的要求,需要清楚地了解其地質(zhì)構(gòu)造,可采用BIM-Dynamo技術(shù)對(duì)其地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合處理。

3.1 情況簡(jiǎn)介

筍溪河特大橋全長(zhǎng)1 578 m,主橋?yàn)橹亓﹀^式鋼桁架懸索橋,主跨660 m,索塔高約200 m,橋面距河谷高約280 m。主桁采用鋼桁加勁梁,桁高5.5 m,桁寬28 m。該項(xiàng)目投資大,建設(shè)周期長(zhǎng),涉及面廣,數(shù)據(jù)和信息處理工作量大,施工管理復(fù)雜。

3.2 邊坡與基巖數(shù)據(jù)處理

筍溪河工程地質(zhì)資料包含5個(gè)地質(zhì)剖面,50個(gè)鉆孔點(diǎn),210個(gè)虛擬鉆孔點(diǎn)。可將各鉆孔點(diǎn)坐標(biāo)錄入到Excel表格中,經(jīng)Dynamo處理后,生成曲面數(shù)據(jù),配合Dynamo的Geometry節(jié)點(diǎn)系列生成地質(zhì)實(shí)體模型。筍溪河特大橋的地質(zhì)平面如圖4所示;地質(zhì)資料剖面圖共有a、b、c、d、e 5部分,其中剖面圖a、b如圖5所示,地質(zhì)鉆孔點(diǎn)與虛擬點(diǎn)位置如圖6所示。圖7為鉆孔點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)的Excel表格截圖。

圖5 地質(zhì)資料剖面圖(僅列a、b)

圖6 地質(zhì)鉆孔點(diǎn)與虛擬點(diǎn)位置圖

圖7 鉆孔點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)的Excel表格(截圖)

利用Dynamo軟件中List的數(shù)據(jù)批量輸入和輸出功能,將地質(zhì)鉆孔點(diǎn)坐標(biāo)形成的Excel表格數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Dynamo中進(jìn)行處理,生成地層曲面數(shù)據(jù)。Dynamo處理過程如圖8所示,地層曲面數(shù)據(jù)的Excel表格如圖9所示。

圖8 Dynamo處理過程

圖9 Dynamo處理后的地層曲面數(shù)據(jù)(Excel表格截圖)

Dynamo計(jì)算產(chǎn)生的dyn文件部分?jǐn)?shù)據(jù)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 地質(zhì)模型生成

首先由曲面數(shù)據(jù)生成地層曲面,然后將兩個(gè)地層進(jìn)行垂直連接,形成地質(zhì)三維實(shí)體模型。根據(jù)圖形圖像學(xué)原理“立方體每個(gè)面的輪廓線都是逆時(shí)針閉合的”,進(jìn)行三維實(shí)體創(chuàng)建,可根據(jù)坐標(biāo)點(diǎn)利用Python Scrip進(jìn)行編程,再與PolyCurve.ByJoinedCurves節(jié)點(diǎn)連接生成線,通過Surface.ByPatch節(jié)點(diǎn)由線到面,最后由Solid.ByLoft節(jié)點(diǎn)生成實(shí)體模型。建立地層曲面模型的Dynamo處理過程如圖10所示,地質(zhì)整體模型如圖11所示。

圖10 建立地層曲面模型的Dynamo處理過程

圖11 地質(zhì)整體模型

3.4 塊體分割

橋梁工程巖層特性比較復(fù)雜,每部分的物理特性不同,且地質(zhì)模型形成的文件太大,會(huì)影響力學(xué)計(jì)算速度。因此,為了方便力學(xué)計(jì)算,使計(jì)算結(jié)果更加精確,需要對(duì)地質(zhì)模型進(jìn)行分塊處理。筍溪河特大橋整個(gè)地域巖層總長(zhǎng)度為1 640 m,將其劃分為8個(gè)子塊,首塊長(zhǎng)度240 m,其余子塊均按200 m的長(zhǎng)度進(jìn)行分割。子塊依據(jù)X、Y、Z軸3個(gè)方向進(jìn)行切割,切割參照距離為10 m參照線,形成多個(gè)多面體。塊體分割坐標(biāo)見表1,分割情況如圖12所示。分割之后可單獨(dú)對(duì)單一區(qū)域地質(zhì)塊體進(jìn)行計(jì)算,提高了計(jì)算速度。

表1 塊體分割坐標(biāo)

圖12 塊體分割圖

4 結(jié)論

本文利用Dynamo各類節(jié)點(diǎn)靈活、強(qiáng)大的功能對(duì)地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,充分利用了Excel和Dynamo的強(qiáng)大功能,實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)數(shù)據(jù)的智能處理和地質(zhì)模型的快速創(chuàng)建,解決了地質(zhì)模型創(chuàng)建難、效率低的問題,為復(fù)雜繁瑣的地質(zhì)數(shù)據(jù)處理找到了一個(gè)較為簡(jiǎn)單的方法,大幅提高了建模的效率和精細(xì)度。使用工程結(jié)構(gòu)中的計(jì)算式BIM-Dynamo,BIM工程師并非只是簡(jiǎn)單地來進(jìn)行數(shù)字建模,而是應(yīng)用Dynamo這一可視化的編程建模工具進(jìn)行地質(zhì)數(shù)據(jù)整合處理,從而提高設(shè)計(jì)工作的效率,減少甚至避免設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。利用Dynamo可打包存儲(chǔ)的功能,將圖形生成過程和計(jì)算過程記錄為XML或dyn等文件，實(shí)現(xiàn)其他項(xiàng)目的復(fù)用,為Dynamo在橋梁基巖設(shè)計(jì)中的發(fā)展、應(yīng)用提供了便利。

BIM技術(shù)作為未來的發(fā)展方向,在復(fù)雜結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計(jì)施工中,Dynamo等參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件將發(fā)揮越來越重要的作用。