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      基于Revit+Dynamo的橋梁墊石自動布置應(yīng)用研究

      2022-12-29 08:30:02張新元
      交通科技 2022年6期
      關(guān)鍵詞:墊石布置圖坐標(biāo)值

      張新元

      (中交第二航務(wù)工程局有限公司設(shè)計(jì)研究院 武漢 430400)

      在高速公路互通立交橋梁結(jié)構(gòu)中,墊石作為承接橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的構(gòu)件,具有重要意義。墊石不僅可以將橋梁上部結(jié)構(gòu)的受力較均勻地傳遞到下部結(jié)構(gòu),同時可以通過調(diào)節(jié)墊石高度來實(shí)現(xiàn)橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)在施工過程中的安裝精度。

      目前,BIM技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于橋梁工程,主流的橋梁BIM建模軟件有Autodesk Revit+Dynamo、Bentley Open Bridge Modeler及Dassautlt Catia。由于Autodesk平臺具有交通行業(yè)影響力較高,軟件普及率較高,學(xué)習(xí)成本較低等優(yōu)勢[1],因此,國內(nèi)外許多學(xué)者和單位基于Autodesk Revit+Dynamo進(jìn)行橋梁正向設(shè)計(jì)應(yīng)用及快速建模研究,其中聶偉等[2]利用Revit+Dynamo總結(jié)出一套互通橋梁BIM正向設(shè)計(jì)建模方法和流程,包括自動創(chuàng)建橋梁中心線,采用Revit建立互通橋梁樁基、承臺、墩身、蓋梁、支座、墊石、上部結(jié)構(gòu)等族庫模型,利用Dynamo自動完成互通橋梁的創(chuàng)建;李東運(yùn)[3]、佘宇深[4]和朱子翔等[5]研究創(chuàng)建橋梁下部結(jié)構(gòu)模型最小構(gòu)件單元,包括蓋梁擋塊、墊石等,通過邏輯算法關(guān)聯(lián)支座、擋塊等參數(shù),將最小單元進(jìn)行組合拼裝成一個大構(gòu)件,其次,通過可見性參數(shù)實(shí)現(xiàn)大構(gòu)件在項(xiàng)目中拆分,最后,通過Dynamo自動放置模型,完成橋梁的創(chuàng)建。

      以上學(xué)者針對橋梁BIM技術(shù)的研究均能實(shí)現(xiàn)橋梁的快速模型搭建。然而,對于墊石的布置方法,其中聶偉等提出的墊石自動放置通過確定一個墊石坐標(biāo)并根據(jù)墊石間距完成,但是其并未針對橋梁不同設(shè)計(jì)形式進(jìn)行具體分析;李運(yùn)東和朱子翔等將墊石模型內(nèi)嵌到橋墩模型中,通過設(shè)置可見性來關(guān)聯(lián)墊石在項(xiàng)目中的可見與否,這種方法對BIM人員的建模和邏輯水平要求較高。

      本文依托某高速互通橋梁項(xiàng)目,針對橋梁的3種不同設(shè)計(jì)形式,擬采用Revit+Dynamo對墊石的自動布置方法進(jìn)行研究,探索出墊石自動布置方法和流程,以提高橋梁建模效率和準(zhǔn)確性。

      1 墊石建模與自動布置方法

      通過Revit創(chuàng)建參數(shù)化墊石族模型,利用Dynamo可視化編程,可實(shí)現(xiàn)墊石沿著線路按照實(shí)際位置進(jìn)行自動布置,有效地解決構(gòu)件布置問題,提高模型的準(zhǔn)確性。

      1.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

      首先,獲取設(shè)計(jì)線路數(shù)據(jù)。根據(jù)設(shè)計(jì)文件中的橋梁曲線要素?cái)?shù)據(jù),利用Civil 3D,按照1 m的采樣頻率,輸出橋梁設(shè)計(jì)線點(diǎn)數(shù)據(jù)Excel表(包含樁號、東距、北距和高程值),由于線路數(shù)據(jù)獲取的方法比較通用,本文將不在此贅述。

      其次,獲取橋梁設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)資料中的橋墩一般構(gòu)造圖,整理得到墊石尺寸信息及位置關(guān)系Excel表(包含墩臺號、樁號、墊石沿線路前進(jìn)方向距離、設(shè)計(jì)線到最外側(cè)墊石距離、墊石總數(shù)、墊石間距、坡度、蓋梁設(shè)計(jì)高程等)。

      上述數(shù)據(jù)作為墊石自動布置的基礎(chǔ),通過Dynamo讀取相關(guān)數(shù)據(jù),可實(shí)現(xiàn)在Revit中自動生成墊石模型。

      1.2 墊石參數(shù)化建模

      墊石參數(shù)化模型采用“公制常規(guī)模型”族樣板進(jìn)行創(chuàng)建,項(xiàng)目單位的坡度采用“%”,長度單位采用“mm”。墊石以底部中心為建?;鶞?zhǔn)點(diǎn),通過設(shè)置參照平面尺寸約束,將墊石外輪廓與參照平面進(jìn)行對齊并鎖定,利用“拉伸”命令,實(shí)現(xiàn)墊石參數(shù)化模型制作。墊石主要控制參數(shù)包含長度,寬度、高度及坡度i,墊石參數(shù)化族的主要參數(shù)見圖1。

      圖1 墊石參數(shù)化族(單位:mm)

      2 墊石自動布置原理

      墊石自動布置的關(guān)鍵點(diǎn)在于需在Dynamo程序中計(jì)算出每個墊石在蓋梁上的相對平面位置坐標(biāo)值和豎向位置上的高程值。其中墊石的平面位置坐標(biāo)值可根據(jù)橋墩在特定樁號下的法向方向偏距和切線方向偏距來共同確定,墊石的豎向位置可根據(jù)蓋梁的設(shè)計(jì)高程、墊石間的水平間距、蓋梁橫坡等參數(shù)計(jì)算得到。當(dāng)墊石點(diǎn)位坐標(biāo)確定后,再利用Family Instance.By Point節(jié)點(diǎn)自動完成墊石參數(shù)化模型按坐標(biāo)點(diǎn)的放置,墊石自動布置原理圖見圖2。

      下面將針對互通橋梁3種不同設(shè)計(jì)情形的墊石自動布置方法進(jìn)行描述。

      2.1 整體式橋梁

      整體式橋梁是互通橋梁的主要形式,一般情況下,設(shè)計(jì)線與脊線分界點(diǎn)重合。然而,在互通橋梁分流處,也存在設(shè)計(jì)線與脊線分界點(diǎn)不重合的情況。下面針對整體式橋梁這2種情形的墊石自動布置進(jìn)行描述。

      2.1.1設(shè)計(jì)線與脊線分界點(diǎn)重合

      在設(shè)計(jì)線與脊線分界點(diǎn)重合情況下,整體式橋梁蓋梁布置圖見圖3。

      L-蓋梁長度,cm;Lr-蓋梁最右側(cè)到設(shè)計(jì)線距離,cm;dk2-最右側(cè)墊石中心到蓋梁邊的距離,cm;n2-前排墊石個數(shù);d-前排墊石間距,cm;w2-前排墊石到蓋梁設(shè)計(jì)線的法向間距,cm。

      蓋梁上的各墊石坐標(biāo)值,可在Dynamo中通過數(shù)學(xué)計(jì)算方法求出,方法如下。

      首先,利用Dynamo讀取線路數(shù)據(jù)生成設(shè)計(jì)線路;然后,根據(jù)橋墩所在的里程樁號和線路起始樁號,通過Curve.PlaneAtSegmentLength和Geometry.IntersectAll 2個節(jié)點(diǎn)來自動獲取該樁號下的O點(diǎn)坐標(biāo)值(X、Y、高程),其中O點(diǎn)坐標(biāo)系以該樁號對應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn),法向方向?yàn)閄軸,切向方向?yàn)閅軸,Z軸向上。其次,通過該樁號沿設(shè)計(jì)線路方向的法向向量Plane.Normal和Vector.ZAxis進(jìn)行叉積Vector.Cross,可以得到樁號對應(yīng)的切向向量;再次,分別計(jì)算出右下側(cè)墊石和左下側(cè)墊石平面位置坐標(biāo),然后通過Line.ByStartPointEndPoint和Curve.PointAtParameter 2個節(jié)點(diǎn),自動得到每個墊石平面位置坐標(biāo)值;最后,采用Python script程序分別算出各個墊石的高程值。計(jì)算過程中長度單位均應(yīng)換算以m計(jì)。

      右下側(cè)墊石平面位置坐標(biāo)值計(jì)算方法如下。

      X右下=O.X-Vector法向.X*w2/100+Vector切向.X*(Lr-dk2)/100

      Y右下=O.Y-Vector法向.Y*w2/100+Vector切向.Y*(Lr-dk2)/100

      左下側(cè)墊石平面位置坐標(biāo)值計(jì)算方法如下。

      X左下= X右下+ Vector切向.X*n2*d/100

      Y左下= Y右下+ Vector切向.Y*n2*d/100

      得到墊石最右側(cè)和最左側(cè)2個點(diǎn)坐標(biāo)點(diǎn)后,再根據(jù)Line.ByStartPointEndPoint和Curve.PointAtParameter,可自動獲取直線上的n2個等分點(diǎn)坐標(biāo)。

      各個墊石對應(yīng)的高程可按照左側(cè)和右側(cè)分別計(jì)算得到,方法如下。

      最右側(cè)墊石個數(shù)=math.ceiling((Lr-dk2)/d)

      最左側(cè)墊石個數(shù)=n2+1-最右側(cè)墊石個數(shù)

      通過Python script計(jì)算出高程值。其中程序輸入端參數(shù)為5個,分別為墊石個數(shù)num、橫坡slope、蓋梁基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)計(jì)高程值ele、墊石間距jianju,以及最外側(cè)墊石到設(shè)計(jì)線距離len;輸出結(jié)果為各個墊石對應(yīng)的高程值el,程序計(jì)算方法如下。

      for i in range(int(num)):

      str=(len-i*jianju)

      ele1=str*slope/100

      el=ele±ele1(左側(cè)為負(fù),右側(cè)為正)

      listout.append(el)

      因此,根據(jù)上述計(jì)算,利用Dynamo自動算出每排各個墊石的點(diǎn)位坐標(biāo),再利用FamilyInstance.ByPoint和FamilyInstance.SetRotation節(jié)點(diǎn)完成墊石模型的自動布置。

      2.1.2設(shè)計(jì)線與脊線分界點(diǎn)不重合

      在設(shè)計(jì)線與脊線分界點(diǎn)不重合情況下,整體式橋梁蓋梁布置圖見圖4。

      圖4 整體式橋梁蓋梁布置圖2(尺寸單位:dm)

      對于此種情況,可按脊線分界點(diǎn)將墊石劃分為在脊線左側(cè)和在脊線右側(cè)2種情況,利用上述橋梁墊石計(jì)算方法分別按脊線左、右側(cè)運(yùn)行2次,完成墊石自動布置。此情況下,左側(cè)墊石總數(shù)為脊線分界點(diǎn)左側(cè)墊石個數(shù),設(shè)計(jì)高程為設(shè)計(jì)線與蓋梁交點(diǎn)處高程;右側(cè)墊石總數(shù)為脊線分界點(diǎn)右側(cè)墊石個數(shù),設(shè)計(jì)高程為脊線與蓋梁交點(diǎn)處高程。

      2.2 分離式橋梁

      對于分離式橋梁,墊石位于設(shè)計(jì)線一側(cè),墊石的坐標(biāo)計(jì)算方法與整體式橋梁的計(jì)算方法略有區(qū)別,下面將針對左幅和右幅橋梁分別進(jìn)行描述。

      2.2.1左幅橋梁

      左幅橋梁蓋梁布置圖見圖5。

      L-蓋梁長度,cm;Lr-蓋梁最右側(cè)到設(shè)計(jì)線距離,cm;dk2-最右側(cè)墊石中心到蓋梁邊的距離,cm;n2-前排墊石個數(shù);d-前排墊石間距,cm;w2-前排墊石到蓋梁設(shè)計(jì)線的法向間距,cm;D-蓋梁最右側(cè)到設(shè)計(jì)線距離,cm。

      蓋梁上各墊石坐標(biāo)值可在Dynamo中通過數(shù)學(xué)計(jì)算方法求出,方法如下。

      首先,利用Dynamo讀取線路數(shù)據(jù)生成設(shè)計(jì)線路;然后,根據(jù)橋墩所在的里程樁號和線路起始樁號,通過Curve.PlaneAtSegmentLength和Geometry.IntersectAll 2個節(jié)點(diǎn)來自動獲取該樁號下的O點(diǎn)坐標(biāo)值(X、Y、高程),同時,需要用到Geometry.Translate節(jié)點(diǎn),使O點(diǎn)沿切向方向做平移運(yùn)算,將坐標(biāo)O換算到蓋梁設(shè)計(jì)線O’點(diǎn)處,平移距離為Lr+D。其中O’點(diǎn)坐標(biāo)系以該樁號對應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn),法向方向?yàn)閄軸,切向方向?yàn)閅軸,Z軸向上。其次,通過該樁號沿設(shè)計(jì)線路方向的法向向量Plane.Normal和Vector.ZAxis進(jìn)行叉積Vector.Cross,可以得到樁號對應(yīng)的切向向量;再次,分別算出右下側(cè)墊石和左下側(cè)墊石平面位置坐標(biāo),然后通過Line.ByStartPointEndPoint和Curve.PointAtParameter 2個節(jié)點(diǎn),可以自動得到每個墊石平面位置坐標(biāo)值;最后,采用Python script程序分別算出各個墊石的高程值。計(jì)算過程中長度單位均應(yīng)換算以m計(jì)。

      右下側(cè)墊石平面位置坐標(biāo)值計(jì)算方法如下。

      X右下=O’.X-Vector法向.X*w2/100+Vector切向.X*(Lr-dk4)/100

      Y右下=O’.Y-Vector法向.Y*w2/100+Vector切向.Y*(Lr-dk4)/100

      左下側(cè)墊石平面位置坐標(biāo)值計(jì)算方法如下。

      X左下=X右下+ Vector切向.X*n2*d/100

      Y左下=Y右下+ Vector切向.Y*n2*d/100

      確定最右側(cè)和最左側(cè)2個點(diǎn)坐標(biāo)點(diǎn),再根據(jù)Line.ByStartPointEndPoint和Curve.PointAtParameter自動獲取直線上的等分點(diǎn)坐標(biāo)。

      墊石對應(yīng)的高程按照左側(cè)和右側(cè)分別計(jì)算,方法同整體式橋梁。

      2.2.2右幅橋梁

      右幅橋梁蓋梁布置圖見圖6。

      圖6 右幅橋梁蓋梁布置圖

      蓋梁上的墊石的水平位置坐標(biāo)值和高程值計(jì)算方法與左幅橋梁墊石計(jì)算方法相同,其中各里程樁號下的O點(diǎn)坐標(biāo)值(X、Y、高程)需要用到Geometry.Translate節(jié)點(diǎn),使O點(diǎn)沿切向方向做平移運(yùn)算,將坐標(biāo)O換算到蓋梁設(shè)計(jì)線O’點(diǎn)處,平移距離為L-Lr+D。

      至此,針對互通橋梁的不同設(shè)計(jì)情況,采用Dynamo編程來實(shí)現(xiàn)墊石點(diǎn)位自動計(jì)算和自動放置,達(dá)到了墊石快速準(zhǔn)確生成的目的。

      3 橋梁墊石自動布置應(yīng)用

      3.1 工程簡介

      某互通橋梁由1座左線橋,1座右線橋和13個匝道橋組成。本文以左線橋、右線橋,以及A匝道橋?yàn)槔?,進(jìn)行墊石自動布置具體描述。某互通橋梁BIM模型見圖7。

      圖7 某互通橋梁BIM模型

      3.1.1A匝道

      A匝道為整體式橋梁,起止里程為AK0+180.238-AK0+756.784,全長576.546 m。本文以A匝道前2聯(lián)為例,上部結(jié)構(gòu)采用3×26 m+2×25 m預(yù)應(yīng)力混凝土先簡支后連續(xù)T梁,下部結(jié)構(gòu)采用樁柱式墩+系梁+蓋梁。A匝道墊石參數(shù)見表1。

      表1 A匝道墊石參數(shù)表

      通過Dynamo讀取表1數(shù)據(jù)和線路數(shù)據(jù),可自動布置A匝道墊石,A匝道墊石自動布置見圖8。

      圖8 A匝道墊石自動布置

      3.1.2左線橋梁

      左線為分離式左幅橋梁,起止里程為K5+419.244-K7+910,全長2 490.756 m。本文以左線第一聯(lián)為例,上部結(jié)構(gòu)采用3×31.7 m預(yù)應(yīng)力混凝土(后張)簡支連續(xù)T梁,下部結(jié)構(gòu)采用樁柱式墩+蓋梁,左線墊石參數(shù)見表2。通過Dynamo讀取表2數(shù)據(jù)和線路數(shù)據(jù),可自動布置左線墊石,左線墊石自動布置圖見圖9。

      表2 左線墊石參數(shù)表

      圖9 左線墊石自動布置圖

      3.1.3右線橋梁

      右線為分離式右幅橋梁,起止里程為K5+403-K6+335,全長932 m。本文以右線第一聯(lián)為例,上部結(jié)構(gòu)采用5×30 m預(yù)應(yīng)力混凝土(后張)簡支變連續(xù)T梁,下部結(jié)構(gòu)采用樁柱式墩+蓋梁,右線墊石參數(shù)見表3。通過Dynamo讀取表3數(shù)據(jù)和線路數(shù)據(jù),可自動布置右線墊石,右線墊石自動布置圖見圖10。

      表3 右線墊石參數(shù)表

      圖10 右線墊石自動布置圖

      3.2 拓展應(yīng)用

      3.2.1支座自動生成

      支座采用“公制常規(guī)模型”族創(chuàng)建,建模基準(zhǔn)點(diǎn)為支座底面中心。通常,支座布置在墊石頂面,通過Dynamo程序計(jì)算出墊石的坐標(biāo),支座的坐標(biāo)確定只需將墊石的高度值加上即可算出支座的坐標(biāo)。通過應(yīng)用同一套墊石程序,即可實(shí)現(xiàn)墊石和支座的自動布置。

      3.2.2T梁自動布置

      T梁采用“結(jié)構(gòu)框架-梁和支撐”族創(chuàng)建,單跨T梁的首尾定位點(diǎn)為相鄰前后一跨墊石的坐標(biāo)點(diǎn),可考慮將前一跨墊石坐標(biāo)和后一跨墊石坐標(biāo)進(jìn)行兩兩分組,再通過Line.ByStartPointEndPoint和StructuralFraming.BeamByCurve節(jié)點(diǎn)完成T梁的自動布置,T梁自動布置圖見圖11。

      圖11 T梁自動布置圖

      4 結(jié)論

      互通橋梁墊石自動布置,需要根據(jù)設(shè)計(jì)路線、橋梁的具體設(shè)計(jì)形式和墊石參數(shù)化模型,應(yīng)用Dynamo程序,按照設(shè)計(jì)意圖,快速實(shí)現(xiàn)墊石自動布置。通過研究得出以下結(jié)論。

      1)基于Dynamo可適應(yīng)不同橋梁互通設(shè)計(jì)形式,完成墊石坐標(biāo)自動計(jì)算,通過參數(shù)驅(qū)動并快速完成墊石自動布置,該方法可有效提升模型精度和效率。

      2)基于Dynamo的墊石自動布置,可以衍生到支座和梁板的自動生成和布置,實(shí)現(xiàn)一套程序多構(gòu)件使用,提高了其應(yīng)用價值。

      3)相較于墊石的傳統(tǒng)下部結(jié)構(gòu)建模和布置方法,該方法只需要建立單個構(gòu)件模型即可,大大降低建模人員對下部結(jié)構(gòu)族模型的嵌套搭建要求。

      本文根據(jù)3種互通橋梁設(shè)計(jì)形式,完成了墊石的自動布置。然而,對于主線橋和匝道橋連接處的斜交情況,本文暫未考慮,后續(xù)將針對斜交工況進(jìn)行改進(jìn),以滿足實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用。

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