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面向结构行为的钢桥BIM信息管理研究
发布时间：2022-12-25 11:14
目 录
西南交通大学硕士学位论文主要工作（贡献）声明 II
摘 要 III
Abstract IV
第 1 章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2BIM 技术相关概述 2
1.2.1 BIM 概念定义 2
1.2.2 BIM 国外的发展 3
1.2.3 BIM 国内的发展 3
1.3BIM 在桥梁工程的应用 4
1.3.1BIM 技术在设计阶段的应用 4
1.3.2BIM 技术在施工阶段的应用 5
1.3.3 BIM 在运营阶段的应用 6
1.4 BIM 在钢桥应用中的特点 6
1.5 本文主要研究内容 7
第 2 章 钢结构桥梁的 BIM 建模 8
2.1BIM 建模软件介绍 8
2.2项目背景 9
2.3 基于 Revit 平台的 BIM 设计应用 11
2.3.1引言 11
2.3.2 斜腿刚构桥模型阶段定义 12
2.3.3 模型构件族库的建立与完善 15
2.3.4 斜腿刚构桥的 BIM 设计 18
2.4本章小结 22
第 3 章 基于 BIM 的钢桥信息分类标准及编码 24
3.1 引言 24
3.1.1 信息分类 24
3.1.2 信息编码 25
3.1.3 国内市政工程 BIM 信息分类及编码标准 26
3.1.4 国外公路交通 BIM 信息分类及编码标准 28
3.2基于 NBI 和 OpenBrIM2.0 标准的桥例说明 29
321美国国家桥梁数据库(NBI)标准 29
322开放式桥梁信息模型(OpenBrIM2.0) 31
3.3桥例分类与编码原因 33
3.4桥例分类与有序编码 37
3.4.1分类码 37
3.4.2结构码 37
3.4.3基于NBI数据库的斜腿刚构桥信息分类 38
3.4.4 基于斜腿 V 构桥的中间层信息分类与编码 39
3.5本章小结 41
第 4 章 基于 Revit 的钢桥 BIM 信息模型搭建 42
4.1基于 Revit 的 BIM 信息模型搭建 42
4.2BIM 信息模型的搭建方法 42
4.2.1Dynamo 软件简介 42
4.2.2Dynamo 可视化编程概念 43
4.2.3Dynamo 可视化编程基本要素 44
4.2.4Design Script 简介 45
4.3斜腿刚构桥的信息模型高效构建 46
4.3.1斜腿刚构桥有限元模型建立 46
4.3.2基于 Revit 及 Dynamo 的信息模型构建 48
4.4钢桥面疲劳信息采集与存储 52
4.5本章小结 57
第 5 章 基于二次开发的钢桥 BIM 信息利用 59
5.1引言 59
5.2Revit 二次开发基本要素 59
5.2.1Revit 的可扩展性 59
5.2.2Revit API 介绍 59
5.2.3SDK 开发工具包 61
5.2.4NET平台和C#语言 62
5.3基于 SDK 的二次开发 63
5.3.1利用外部命令拓展 Revit 功能 63
5.3.2基于 Ribbon 的 Revit UI 界面创建 65
5.4基于 BIM 的钢桥性能信息管理与利用 68
5.4.1 基于规范的手动疲劳检算 68
542基于Revit信息模型的疲劳验算 70
5.4.2.1 基于族库信息框架的校核 70
542.2基于SDK二次开发的信息校核 72
5.5 本章小结 75
结论 76
致谢 78
参考文献 79
第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
目前由于计算机科学的发展迅猛，其与许多传统行业之间的联系也变得更加的紧密， 而工程建设领域也因为计算机科学和互联网、虚拟现实、人工智能等新兴的技术而变得 更具现代化，其中最为主流的 BIM 技术已然将土木工程领域跟计算机领域牢牢的结合为 一体，无论是工民建还是市政交通领域都已经在 BIM 技术的应用上踏出了重要的一步。
由于土木工程领域中细分了各个不同的专业，而每个专业之间的协同工作是十分重 要的，并且不仅仅是实际操作中的协同工作，更是各个专业之间数据的协同，因为工程 领域的信息量大且庞杂，管理困难且易出错，而 BIM 技术的出现则是有效的解决了土木 工程行业的信息管理和交互的难题，使大量的信息能够有序的被分类和编码成为了一种 可能［1］。
在土木工程领域中，BIM技术最主要的作用便是通过其自身平台的特性，将整个工 程建设周期从勘察到设计、施工以及后期的管养阶段串联起来，从前期的三维几何模型 到后期的信息模型创建都是依靠整个工程的全生命周期为基础，再将全生命过程中涉及 到的信息进行整合，使信息能够在各个阶段中存储和传递，达到真正点对点的进行信息 管理的目的。具体的BIM概念如图1-1所示［2］。
图 1-1 BIM 概念图示
本文主要以桥梁工程的BIM技术应用作为研究背景，在其基础上探讨当前BIM技 术的应用。由于在工程建设领域中，桥梁工程的具有结构复杂，自身构件繁多，且所包 含的信息量巨大的特性，因此针对于桥梁工程的BIM应用探究是十分有必要的。桥梁领 域对BIM的研究应用还远远滞后于建筑领域，特别是对于桥梁结构最为重要的性能信息
的分类与管理还未全面开展和推进，因此研究基于桥梁结构的性能信息的分类和编码则 成为了桥梁 BIM 技术研究中的重要环节，且有别于建筑领域的 BIM 研究。
1.2BIM 技术相关概述
1.2.1 BIM 概念定义
2002年‘Autodesk的Phil Bernstein为阐述该公司AEC相关产品的功能设计理念后， 首次提出 Building Information Modeling(BIM)这个术语。之后，Charles Eastman、Jerry Laiserin 及 McGraw-Hill 建筑信息公司等都对其概念进行了定义，目前相对较完整的是 美国国家 BIM 标准(National Building Information Modeling Standard, NBIMS)的定义： “BIM 是设施物理和功能特性的数字表达；是各个领域内信息的集成化和专业化，各方 单位可以通过同一平台来进行协同工作，且信息可共享”。
而在工程设计领域内，从人工的无图时代到现在的信息时代，期间经历了无数次的 设计变革，目前信息时代的产物便是 BIM 技术的应用， BIM 技术可以将工程领域中我 们无法高效操作，或是有效管理的部分集成化，在其自有的体系内形成一套统一的管理 模式，对工程三维模型以及信息模型进行充分高效的管理。而如此一来不仅仅提高了传 统工程领域中的工作效率和后期管理效率，还将传统行业与新兴的行业相结合，两者相 辅相成，传统的工程技术在新兴的技术融合下也将得到长足的发展。工程设计领域经历
的阶段具体如图 1-2 所示。
•亍体■BIM
•目前国fiBIM主要实现对综舍性项目设计
•定制化时代
•亍人开始自主设计，设计过程更加菓单化
图 1-2 工程设计领域的几次变革
1.2.2 BIM国外的发展
BIM思想源于20世纪70年代的美国，当时是Charles Eastman率先提出了 BIM的 概念和核心思想。而后欧洲国家也在20世纪末开始重点关注BIM技术的应用与落地的 发展。二^一世纪初美国建筑科学研究院于2007年发布NBIMS，旗下的Building SMART 联盟(Building SMARTAlliance，BSA)负责BIM应用研究工作［3］。2010年日本也开始 逐步的推广BIM相关技术的应用，目前已经研究的较为成熟。具体的BIM发展史如图
1-3 所示。
Charles Eastman
欧洲开始出现BIM (Building Information Model)—词
图 1-3 BIM 的发展史
在BIM应用初期，国外主要运用BIM技术来进行一些大型的建筑工程设计。例如 有新加坡红河幕墙项目，美国的 Letterman 艺术中心以及欧洲的大型机场等等，因为利 用 BIM 技术来进行前期设计和后期管理可以使得工程项目建设的费用大大降低，并提高 了效率。初期 BIM 应用可以大大增加的工程成本预算的准确性减少了许多不必要的开 支，降低了工程建设的成本。目前国外建筑领域的BIM技术已经研究的十分的成熟，在 市政交通领域运用还才开始推广，制定的规范则主要参照了建筑领域的BIM规范标准。
起初由于各个国家或者行业上的工程实际情况有所不同，因此很多地方政府以及相 关的协会和机构都自定义了适用于自身的BIM技术应用规范和准则。如美国的国家BIM 标准(NBIMS)和美国联邦BIM指导说明(GSA BIM Guide)、澳大利亚的国家数字化建模 指导(National Digital Modeling Guide)，以及英国的 AEC (UK) BIM 标准等［4］，而对于 BIM 标准在国际上仍没有一个统一的定论。
1.2.3 BIM国内的发展
2003年时我国慢慢将注意力转移到了 BIM技术这个领域当中，并逐步学习国外已 有的BIM相关成果，然后在2008年时开启了 BIM技术应用的元年。目前国内应用BIM 技术主要分为三类，首先是部分高校或者研究所主要针对于 BIM 信息管理方面进行研 究，即数据的存储和传递以及如何制定相关的数据编码体系和交互格式［5］；其次是国内 某些大型设计研究院针对于即将设计的项目进行一个前期的 BIM 技术应用，包括但不局 限于前期 BIM 建立几何模型，各个专业之间的碰撞检查以及高程核对等；最后实际应用 较多的便是施工方，其对材料、设备以及施工方案预演等方面较为重视，而 BIM 的施工 模型可以将施工流程更好的可视化、集成化，因此施工方也更倾向于通过已建立好的施 工模型进行施工预演然后指导施工。
起初中国建筑标准设计研究院引用了国际上的 IFC 标准来对建筑类的对象进行定义。 2010年清华大学BIM课题组制定了一套建筑信息模型标准框架，而其中主要包含了 IFC、 IFD 和 IDM 的这三个标准；2015 年 5 月深圳市建筑工务署颁发了《深圳市建筑工务署 政府公共工程 BIM 应用实施纲要》，其通过从国家战略需求、智慧城市建设需求、市建 筑工务署自身发展需求等方面，论证了 BIM 在政府工程项目中实施的必要性，并提出了 BIM应用实施的主要内容是BIM应用实施标准建设、BIM应用管理平台建设、基于BIM 的信息化基础建设、政府工程信息安全保障建设等， 2017年湖南省人民政府办公厅发布 了《关于开展建筑信息模型应用工作的指导意见》并要求到 2020 年底，建立完善的 BIM 技术的政策法规、标准体系， 90%以上的新建项目采用 BIM 技术，设计、施工、房地产 开发、咨询服务、运维管理等企业全面普及 BIM 技术。 2017年 12 月住建部颁发了《建 筑信息模型施工应用标准》，这是针对于 BIM 标准化出台的第一部国家标准规范。
BIM 技术的应用需要 BIM 专业软件的做技术上的支撑，而我国在经过多年的沉淀 后同样开发出了一系列优秀的 BIM 平台软件。例如斯维尔软件、鲁班软件、以及鸿业 BIM 设计软件等。
1.3 BIM 在桥梁工程的应用
目前虽然 BIM 技术在建筑领域内已经得到较为成熟广泛的应用，但是在桥梁工程中 却仍然处于起步阶段，各个地方政府目前也逐渐推行市政交通领域中的 BIM 应用，由于 桥梁工程体量大、构件繁杂、信息指标多，因此我们将其分为设计、施工和管养三个阶 段来进行讨论。
1.3.1 BIM 技术在设计阶段的应用
目前设计院针对于 BIM 技术的研究主要还是在前期效果展示阶段和初步设计阶段 的建模应用，由于 BIM 设计的三维模型具有极强的可视化效果，而其本身也可以配合其 他的渲染软件进行渲染，增强其在视觉上的冲击力，使其可在方案汇报或者项目投标中 获得优势。
利用 BIM 平台的相关软件进行工程项目的模型建立、漫游设计可以优先发现设计中 可能出现的问题，提前进行避免和查错。同时利用可视化设计的思维进行至上而下的设 计可以对项目的总体有一个高度的把握，提高设计的效率，大大的减少了工作量。以下 是 BIM 技术在设计阶段应用的几个特点［6］：
（1） 可视化：传统的二维设计被 BIM 技术的三维可视化设计所代替，可视化的含 义为所见即所得，设计师可以直观的看清每一个细节，使设计变得更加的便捷和精准。
（2） 参数化：桥梁结构中任意部位均可进行参数化，从而便于存储于信息模型中。
（3） 协同性：即各个专业之间对于同一结构的协同操作，不仅几何模型建立的协同， 更是数据之间的协同化。
（4） 自动化： BIM 软件可以在三维模型建立完成后根据设计师的需求进行自动出 图、自动算量和碰撞检测等操作，并帮助设计师找到设计过程中的错误以及更为优化的 方案。
下面的桥例是中铁二院针对沪昆客专北盘江大桥进行的 BIM 设计，利用 Bently 软 件对其进行了初步设计以及施工阶段的模拟，并制作了三维漫游动画，具体情况如图 1-
（C）节段劲性骨架模型 （d）节地质分片视图 （e）节地三维漫游
图 1-4 沪昆客专北盘江大桥施工模型
1.3.2 BIM 技术在施工阶段的应用
在施工阶段中最为重要的便是如何把控施工进度和对施工现场的管理，而 BIM 技术 的应用则充分的解决了施工阶段的两个重点问题。通过 BIM 平台可建立施工阶段的模 型，并同时在其中加入时间轴即得到施工进度预演模型，施工方可以通过其进行模拟施 工，以此来制定施工进度计划，并且施工模型中最重要的还是对于施工信息的收集，将 材料、设备和物料等施工相关信息输入到施工模型中以备随时查询和管理［7］。
（1） 施工模拟： BIM 可以模拟施工阶段中任何时间节点的进度，并可以加上除了时 间以外的其他因素，如光照、通风、节能等等，在前期建立起了施工模型会大大降低后 期的人工成本和时间成本，提高生产效率。
（2） 施工监测信息管理：。 BIM 技术结合红外线扫描仪以及路面机器人等桥检工具 可以将已录入的信息进行集成化管理，并且可按照预先建立的信息模型进行自定义的信 息分类和编码。
(3)物料管理：BIM技术也可应用至物联网技术集成领域。譬如，利用二维码识别 设备技术和射频识别功能，BIM技术可以对整个桥梁构建和施工硬件进行信息编码和智 能识别，实现对复杂物体的跟踪管理。
(4)协同工作：即各个专业之间在同一 BIM平台上进行操作，互相不干扰，三维 几何模型通过各个专业间的协作建立而不断完善，且专业信息共享。
1.3.3BIM在运营阶段的应用
在管养阶段BIM主要的作用便是对于桥梁整个全生命周期内的信息管理，因为管养 部门主要职责便是针对于已建项目进行定期的抽查，如果发现问题则会及时进行维护处 理，而BIM平台的信息化集成正好可以满足管养阶段的要求。以下便是目前运营阶段的 应用情况：
(1)桥梁性能检测：桥梁工程BIM平台上包含了其结构信息和性能信息，而已建桥 梁随着时间变化，其结构数据和性能指标亦会随之而变化，因此通过建立的BIM信息模 型，我们可以随时监控随动的桥梁性能指标，以查看当前桥梁的状况。
(2)多系统联合：在管养阶段有许多专业的解决系统，如GIS系统、健康监测系统、 风险评估系统等，我们可以利用BIM系统，将建立好的BIM信息数据与以上各系统进 行连接，打造一个多系统的协同工作平台，不仅仅可以实时的监控桥梁，还可以在桥梁 出现问题时及时进行预警和防护，充分发挥BIM信息模型大数据的功能。
因此综上可知，无论是在设计阶段还是施工和管养阶段， BIM 技术的融入和发展都 是不可或缺的，因为对于这个快速发展的时代，唯有通过新兴的技术力量才能将传统行 业带入到高速发展的通道［7］。
1.4 BIM 在钢桥应用中的特点
BIM技术在桥梁工程中的应用是十分广泛而重要的，特别是对于钢结构的桥梁而言, 进行BIM技术的应用探究更是不可或缺，因为BIM技术针对于钢桥的应用具有以下几 个方面的优势和特点：
(1)钢桥由于其结构复杂，构件繁多，且构件与构件之间的连接和装配也较为复杂， 需要较高的安装技术，而通过BIM可以有效地建立制造、施工阶段的三维模型来进行预 演，使得技术人员能够提前了解整体结构和局部结构的制造和装配，并且可以通过不断 试错的预演模式来找到解决问题的最佳途径。
(2)钢桥的全生命周期建造过程中最为关注的也是其结构性能指标，而建立钢桥 BIM模型可以专门针对其结构性为进行分析，对其性能指标进行存储和传递，因此钢桥 的结构信息、性能信息有效地贯穿了整个桥梁的全生命周期，不会因建造和时间的推移 而遗失。
(3)钢桥中存在桥面板局部疲劳损伤，加劲肋局部稳定等特殊行为，而通过建立钢 桥BIM信息模型，可以将此类特殊问题进行独立化管理，并将相关设计规范统一输入到 信息模型中以便随时校核，提高了设计的效率，也为后期施工和管养提供了可靠地数据， 使得信息集成化和一体化。
1.5 本文主要研究内容
本文以斜腿刚构桥为背景工程项目，开展了基于Revit平台的三维结构设计和桥梁 工程项目信息管理研究并主要探究了桥梁结构性能信息模型的建立与利用。主要研究工 作如下：
第1章：主要概述目前国内外BIM的发展应用现状，并介绍了 BIM技术在桥梁工 程中存在的优势和现今发展的状况以及在设计阶段、施工阶段以及管养阶段的主要应用 场景。
第2章：研究了基于欧特克公司研发的Revit平台对贵州省贵安新区歆民路跨车田 河桥梁进行全桥三维模型的建立，研究了桥梁结构建模的基本要素以及特殊构件的族库 分类，并阐述了三维全桥建模的整个过程以及桥梁工程三维设计的必要性。
第3章：结合当前国内外的有关于BIM信息的存储和分类等原则，并主要参照了美 国国家桥梁数据库(NBI)和美国联邦公路局开放式桥梁信息模型(OpenBrIM2.0)详细 论述了桥梁顶层信息和底层信息的分类体系和原则，最后探讨了基于桥梁性能的中间层 信息分类和编码。
第4章：首先介绍了 Dynamo可视化编程软件的特点和应用方法，然后通过构建斜 腿刚构桥的钢桥面疲劳信息来举例说明了桥梁性能信息模型的建立方法，最后通过 Dynamo将Revit和Excel连接在一起使属性信息可以批量的输入与输出，提高了信息模 型建立的效率，方便后期信息的管理和变更。
第5 章:主要探究了基于Revit平台的二次开发应用，弓I入了 Visual Studio编程软 件和SDK开发工具包，探索了如何将已有的信息模型更加便捷的调用和查询，同时还结 合二次开发模块将传统的疲劳检算弓入到了信息模型当中进行利用。
第 2 章 钢结构桥梁的 BIM 建模
目前世界上有很多科技公司开发出一系列的 BIM 应用软件平台，其中最为人熟知 的便是 Autodesk 公司出的一整套 BIM 设计软件，例如 Revit、 Civil3D、 Navisworks 等 等，而为了有效提高设计师的工作效率，减少人工错误，其他公司还开发出大量的基于 Autodesk 公司 BIM 平台上的二次开发，例如 Dynamo 可视化编程插件［8］。由于随着社 会的进步，人们对桥梁美学的要求也越来越高而导致桥梁结构变得越来越复杂，因此 BIM 的出现可以使得设计更加可视化，方案更具创造力。
2.1BIM 建模软件介绍
BIM 技术带动了传统行业的变革，使工程领领域信息化、互联化，其意义影响深 远。而实现 BIM 技术的落地则是靠相关的 BIM 软件， BIM 技术不仅仅只依靠一个软 件就能得以实现使用者的需求，它是多个软件的集合的作用。美国的 BIM 应用联盟主 席 Dana K.Smitnz 曾说过“仅使用一款软件就能解决工程行业所有问题的时代已经过 去”。然而由于建筑领域的 BIM 发展较早，目前已有多个成熟的 BIM 平台与之配套， 应用较为广泛，但是在市政交通领域方面，特定的 BIM 软件还没有较为完善的开发出 来，很多平台的 BIM 软件中结构所占的板块仅仅为建筑专业的附属板块，因此有较多 的功能需要设计师通过二次开发插件的功能来实现。以下便是 BIM 系列软件之间的关 系分类图，如图 2-1 所示。
我国大多数设计院和施工方常用于桥梁工程的主流 BIM 软件是 Autodesk、 Bentley
以及Dassault,这三大主流的BIM软件是BIM技术得以落地的前提，同时辅助其他公 司在这三大软件平台上开发的二次插件，便可以解决工程领域中的大多数问题。其中 最基础的是BIM建模软件，而常见的核心建模软件有Autodesk的Revit、Dassault Catia、 Bentley、 Nemetschek Graphisoft。
(1)目前Autodesk公司最为核心的BIM软件是Autodesk Revit，除此之外还有 Autodesk Inventor、 Autodesk Infraworks 360、 Autodesk Civil 3D、 Autodesk Navisworks、 Autodesk Vault等一系列软件来支持BIM在工程全生命期的应用。Revit是欧特克公司 面向建筑、结构以及机电的BIM专门设计的建模软件，是目前国际应用最为广泛的软 件之一。
( 2)Bentley BIM 产品线包括 Architecture、 Structural、 Mechanical System、 Electrical、 Piping和Site等。目前在美国基建设施建设方面Bentley应用的较为广泛，占据了百分 之 70的美国市场，特别是是市政交通领域方面表现得十分突出，其有效解决了多专业 之间的信息共享和结构上的互不冲突的矛盾，在基础建设领域中发挥了重要的作用。
(3)法国的航空航天制造业公司Dassault集团研制的CATIA软件最早是应用于 航天飞机和汽车机械制造方面的建模软件，其在世界上的地位几乎垄断了整个航天机 械制造市场。由于其高精度，能处理复杂构型的能力同样被工程建设领域所青睐。但是 由于其最初是为机械制造而设计的，因此对于工程行业来说缺少特定的相关功能来符 合工程领域。
这三大主流的建模软件不仅仅具备建模的功能，还从建模渲染(Autodesk Revit、 MicroStation 和 CATIA)到计算分析(Robot Structural Analysis> Bentley RM Bridge 和 SIMULIA)以及施工控制(Autodesk Navisworks、Bentley Navigator)等环节都发挥了巨大 的作用。
2.2 项目背景
本课题将以贵安新区歆民路跨车田河桥梁工程为项目背景，桥梁全长130m，桥梁 跨径布置为 32+56+32m 斜腿刚构桥。桥梁主跨下设钢桁梁人行桥，连接车田河两侧步 行道，两侧桥台处设人行梯道，连接歆民路人行道与车田河河滨步行道。
根据规划道路路幅，其分左右对称的两幅，单幅桥面宽21.25m： 3m人行道+2m绿 化带+2.5m非机动车道+2m绿化带+11.25m机动车道+0.5m防撞护栏。
主梁采用钢箱梁、钢桁梁形式，全桥分为上下两层，边跨主梁为正交异形板钢箱梁， 顶底板厚为20mm，梁高为1.8m，主跨梁截面为组合桁梁结构，高1.4m的正交异性板 钢箱梁作为桁梁的上弦杆，腹杆采用0.5X0.8m的矩形截面，板厚为16mm，下弦杆为 1.0X1.6m的矩形截面，板厚为20mm。上弦杆之间采用大小横梁连接，下弦杆顶板也 采用大小横梁连接，大小横梁板厚均为16mm。翼缘板采用板肋和U肋作为纵向加劲， 以此增加局部刚度来承担车田河大桥人行和车道功能。普通隔板厚度为16mm，支座隔 板板厚为25mm，端封板厚12mm。下层人行道楼梯接地段采用C20混凝土。
桥台采用桩接盖梁轻型桥台。1#、2#桥墩为 V 型斜腿型式，单幅桥下设 4 个桥墩， 每个桥墩厚度为3m。桥墩下为承台基础。承台厚3m,墩台的桩基均为钻孔灌注桩, 桩径为2.0m。具体的桥型布置图以及方案效果图如图2-2和图2-3所示。
图 2-4 桥梁边跨横断面图（单位： cm）
图2-5桥梁主跨横断面图（单位：cm）
斜腿刚构桥由于是双层桥面，边跨采用的钢箱梁截面，而中跨截面则是由桁架和正 交异性桥面板构成，边跨和主跨的横断面如图2-5和图2-6所示。而主梁施工则是通过 将已在工厂分段焊接完成的钢箱梁，运输到桥梁施工现场，然后通过满堂支架上进行 现场拼装焊接，最后桥面铺装施工时再拆除所有临时支架体系。本工程不具备水路运 输条件，而陆地交通较为完善，各种大型施工运输车辆可直达现场。考虑陆地运输对大 尺寸构件的限制，钢箱梁拟考虑按纵横向划分节段，按照最大尺寸不超过3mX 30m钢
箱梁节段进行运输。 由于该项目具有结构复杂，异型构件众多，工程信息量巨大等特点，为探索桥梁结 构性能信息的有效管理方法，基于该项目探索桥梁结构性能的BIM信息管理模式具有 代表性和普适性［9］。
2.3 基于 Revit 平台的 BIM 设计应用
2.3.1 引言
通过运用BIM的设计思想，在贵安新区斜腿刚构桥项目中从最初的方案设计到施 工图设计的整个流程均采用三维模型的设计表达方式，将BIM技术和桥梁工程项目在 设计阶段有效地进行融合。
在初步设计阶段时采用了 Revit 自定义大量的族构件三维模型来进行全桥模型的 搭建，贵安新区斜腿刚构桥的全桥模型如图 2-1 所示。团队成员还分工合作分别进行了 等截面主梁、变截面主梁、V形斜腿、中跨桁架杆件的协同设计，并在设计过程中不断 的优化，并配合有限元分析软件计算得到的结果进行各类别、各族库的优化和设计。
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2.3.2 斜腿刚构桥模型阶段定义
由于BIM概念的核心是信息，而信息的载体是三维结构模型，但是并非是建模精 细程度越高越好，因为如果过于精细的建模不仅不能提高设计效率，反而会拖延设计 进度，达不到预期的目标。
所以首先在进行三维建模前应当对结构进行一个划分，即按照建模的深度来进行 制定。就如同传统设计中的方案设计、初步设计、施工图设计流程一样，均是从粗到细 的逐步进行推进和深化，因此三维模型同等如此，并且在近几年一些地方政府出台的 政策中也对每个阶段的模型深度做了一定的要求，即采用Lod1~Lod4来划分对应的这 几个传统的阶段，具体的各阶段模型划分如图 2-9 所示。
道路规划设计
I
图 2-9 BIM 设计各阶段模型等级
在桥梁概念设计阶段，模型等级定为 Lod1 级，此时只需要包含简单的几何轮廓和 参数，并使用 BIM 的自动化统量功能，为工程造价提供准确的工程量，进行投资估算。
在初步设计阶段，模型等级定为 Lod2 级，模型开始具体化，几何模型要反映物体本 身大致的几何特性，同时包含材料材质等基本信息。
在施工图设计阶段，模型等级定为 Lod3 级，此时三维模型必须确定好相应的尺寸， 而且加工厂能够根据该模型进行构件的加工制造。构件除包括几何尺寸、材质、产品信 息外，还应附加模型的施工信息，包括生产、运输、安装等方面。见表 2-1所示。
表2-1桥梁工程模型等级深度
模型等级 桥梁模型 整体模型 模型信息
Lod1 1.主桥或
高架桥形 式；
2.引桥或 匝道及引 道形式；
3.桥梁建 筑及景 观； 1.项目范围内基础设施概况及建 （构）筑物等周边环境；
2.桥梁总体布置；
3.引桥或匝道及引道布置； 道路纵横布置、道路等级、设计车 速、荷载等级、净空、洪水频率、航 道标准、抗震设防烈度、高程系统、 坐标系统；
Lod2 1.主桥或
高架桥的 上部结 构、下部 结构、基 础；
2.引桥或
匝道工程 的上部结 构、下部 结构、基 础； 1.项目范围内基础设施（道路、航 道、管线等）建设现状、规划及实施 情况，地形，场地，建（构）筑物等 周边详细环境；
2.桥梁总体布置；
3.引桥或匝道及引道布置； 1.上一级信息；
2.桥梁结构控制尺寸（例如桥梁全 长、跨度、桥宽等）；
3.初定的各主要部位标高（基础底、 基础顶、墩台的顶面、河道位置梁底 设计道路中心线及桥面中心线等 处）；
4.桩号、基础埋置深度以及控制点
坐标；
5.工程数量表、材料清单及设备清
单；
Lod3 1.上部结 构的细 部；
2.墩柱、 桥台及基 础的细部 和构造；
3.附属结 构细部构 造； 1.基础设施建设现状、规划及实施 情况；
2.桥梁总体布置；
3.引桥或匝道及引道布置；
4.附属设施； 1.上一级信息；
2.钢结构局部构造信息；
3.墩柱、桥台及基础的详细尺寸；
4.工程数量明细表；
基于 Revit 平台的三维几何建模的难点是参数化设计的参数控制，简单的参数无法 表达出设计者的意图，但是复杂的参数设计不仅使得项目的工作量增加，而且对计算机 的性能要求也会相应的提高。所以必须合理考虑参数设定，使其既能够达到基于BIM的 参数化设计的目的的同时又不会过于增加额外的工作量。
本文将斜腿刚构桥的参数化控制分为三个等级，见表2-2。桥梁工程通常配合道路工 程，道路纵断面和横断面的设计控制桥梁工程的外部参照轮廓，这属于桥梁工程BIM设 计的一级控制。主梁高度和V形墩位等输入技术控制，由设计人员在初步设计阶段敲定。
主梁横截面形式、加劲肋类型等为细部设计，属于三级控制。具体见表2-2所示。
表 2-2 斜腿刚构桥三维设计控制线等级
级别 控制线 参数参照
一级控制 桥面纵线、横线；通航孔边界线；地质分层线； 外部参照
二级控制 主梁高度；V形墩位； 技术控制
三级控制 主梁横截面形式，加劲肋类型、杆件局部 细部控制
2.3.3模型构件族库的建立与完善
2.3.3.1构件族的介绍
族（family）是Revit中极其重要的一个概念［10］。族库中包含了结构的通用信息和指 定信息。即使属于同一个族中的不一样的图元可能有着不相同的属性值，但是其参数名 的定义是相同的。例如“结构柱”类别包含可用于创建不同的加宽法兰、预制混凝土柱、 角柱和其他柱的族和族类型。尽管定义的族具有不同的性质跟用途，但它们的用法却是 关联的。这种同一类型相关联的不同的族称为族类型。
在项目中使用特定族和族类型创建图元时，将创建该图元的一个实例。每个图元实 例都有一组属性，从中可以修改某些与族类型参数无关的图元参数。这些修改仅应用于 该图元实例，即项目中的单一图元。如果对族类型参数进行修改，这些修改将仅应用于 使用该类型创建的所有图元实例。可见族是Revit实现BIM参数的信息载体，其扩展名 为 rfa。
Autodesk 公司旗下的 BIM 建模平台软件 Revit 一共包含了三种族构件模板，一为内 置的标准构件族库（如梁、柱、墙等），专门面向建筑工程，二为需自定义的标准模板族构 件，三为可建立空间异形模型的概念体量模板。对于桥梁工程而言，由于缺乏对应的内 置构件族库，首先需自定义大量的参数化桥梁构件，之后才能实现建模。对于较为标准 的箱梁、工字梁、墩柱等桥梁构件，可由第二类模板进行自定义，而对于构造较为复杂 的桥塔、桥台、锚箱、拉索等部分，需结合第二、三类模板共同完成。
2.3.3.2构件族的分类和属性
在贵安新区歆民路斜腿刚构桥项目建模时，利用Autodesk专业建模软件Revit总共 建立了构件族15个，分别为5个钢箱梁构件族、3个钢桁架构件族、2个V形墩构件
族、1个底层人行道构件族、4 个下部结构族，部分构件族如图所示。在建立整体模型之 前先将桥梁按照参数控制优先级分为几大部分，并分别创建相应的族库，构建出了全桥 BIM 三维模型，当需要调整模型某细节时只需要将其隶属的族库作修改并更新模型即可， 因此通过这样的方式来进行三维建模可以极大地提高桥梁工程项目的设计效率。
通过对构件族的信息属性进行合理分类，我们可在 BIM 模型中添加诸如材料、结构 尺寸、造价、性能、制造或施工要求等信息，也可以根据不同阶段、不同单位的需求自 定义添加某些属性。
图 2-10 斜腿刚构桥构件族
2.3.3.3 构件族库的建立
单元和构件是建筑信息模型的底层模型，理想中的 BIM 建模条件是普通的构件可以 比较容易的获取，而特殊构件则需要根据调整一般构件的参数得到。因此，建立构件族 库并不断充实维护是提高三维设计效率的必然要求，同时服务于结构信息集成管理。
本文将 BIM 构件的标准化流程分为构件族库创建标准、构件信息深度等级标准、构 件编码与命名标准和构件信息创建标准。构件族模型和 BIM 构件标准化流程分别如图如 图 2-10 和图 2-11 所示。
图 2-11 BIM 构件标准化
（ 1）构件族库的创建：桥梁工程项目应按照上部结构、下部结构、附属结构三大板 块，并分别对其进行进一步的划分，然后构建起各自的族库。构件族库的分类建立如图 2-12 所示。
图 2-12 构件族库的分类建立
（ 2）构件信息深度等级：对于桥梁工程来说不仅仅只针对于其全桥模型才有深度等 级，对其下一层级的构件而言同样也有不同深度的等级。例如施工阶段中构件就应当更 加的深化精细，深度更大，为精准施工埋下伏笔。
（3）构件信息模型创建：BIM构件的信息模型创建是实现信息交付标准化的主要 途径，既是构件编码命名和信息深度分级的实现方式，也是构件库创建的基础。通常情 况，BIM构件的模型创建带有很强的个人色彩，因此应强调构件信息模型创建标准化, 保证所创建的 BIM 构件具有统一的信息属性。在不同 BIM 平台和软件下的构件建立方 式有所差异，但其创建流程应符合统一标准，典型创建流程如图 2-13 所示。
图 2-13 构件信息模型创建流程
2.3.4斜腿刚构桥的 BIM 设计
2.3.4.1 协同设计
贵安新区歆民路斜腿刚构桥设计是一项团队间合作的工作，团队成员分别负责主梁 边跨模块、主梁中跨模块、V形斜腿模块和附属模块的设计工作。如V形腿与跨中桁架 连接的关系， V 形腿与边跨主梁的衔接关系等是构造上互相有关联的。因此设计团队分 别就边跨主梁、中跨主梁、底层钢桁架人行道和 V 形斜腿等部分利用 Revit 软件进行协 同设计。
钢箱梁的设计由一级控制线进行精确定位的。边跨由等截面钢箱梁段和变截面钢箱 梁段构成，主跨则是通过桁架和正交异性桥面板组合而成。具体的三维模型如图 2-14所 示。
二级控制中以V形墩作为主要的构件来确定桥梁其他构件的定位精准度和完整度,
V形墩的具体构造以及内部加劲肋构造如图2-15所示。
图 2-15 V 形墩三维设计图
当完成了各个构件的三维模型后，根据控制线和构件之间的定位来实现上一级别的 组建，最后通过各个母族之间的装配使构件形成整体即得到全桥三维结构模型。在整个 设计过程中，如果设计师想要改变全桥的结构，则只需要通过改变各个构件的结构便能 够实现整体模型的同步修改，实现了高效率的协同设计。
斜腿刚构桥采用的协同设计质量较高，钢箱梁、V字桁架以及V形斜腿和底层人行 道板纵横梁体系等构件之间均无缝连接，契合度较高，无碰撞冲突处。各构件之间装配 效果如图 2-16所示。
2.3.4.2 可视化设计
设计师通过BIM平台在设计过程中建立起了较为完整的结构三维模型，在设计过程 中我们通常认为这种设计方法是可视化设计的体现。通过三维模型设计项目可以避免传 统设计中遇到的“碰撞”问题，并且可以让设计师更加直观化的对桥梁细部结构进行处理
和更改，使其在后期施工过程中能够更为完整进行拼装和连接，大大的降低了可能因“碰 撞”导致的错误，提升了设计的效率和准确度。同时还能够将一些施工中较难的问题进行 提前预演，例如本桥进行钢结构焊接时其空间能否满足施工要求，焊接时疲劳细节的处 理是否合理等，都可以通过三维模型进行量测和展示。 V 腿底部局部加劲肋和桁架节点 局部构造如图 2-17所示。
图 2-17 局部构造可视化设计
2.3.4.3 参数化设计
欧特克公司出的 Revit 建模软件本身具有极其强大的参数化性能，通过参数化设计 可以将项目中的一些标准化构件进行批量的设计和出图，提高了整个设计阶段的工作效 率，也使得桥梁构造设计变得更为的容易。如图 2-18展示了一般下部结构中标准化构件 的建立过程，其通过事先导入的图纸和已经标注好的可驱动化参数进行驱动设计，在 Revit 中则直接可以修改相关的参数来快速优化模型。例如下部结构参数化如图 2-18 所 示。
2.3.4.4 “碰撞”检查
桥梁设计中的“碰撞”检查一般不同于建筑工程BIM设计中的碰撞检查，但在施工模 拟中，特别是建立临时施工构造时可以用到和建筑工程一致的碰撞检查，提前了解临时 施工设施和主体结构可能的“打架”问题。桥梁设计中的“碰撞”检查更偏向于空间限位的 检查，特别是复杂空间结构桥梁，人行道净空、车行道净空、通航净空等都是需要检查 的内容。斜腿刚构桥由于采用的是空间构造，因此 Revit 中的“碰撞”检查功能显得非
常的有用，其不仅可以检查底层人行道净空高度是否满足通行要求，还可以检查钢结构
各个构件之间的预留距离是否足够。下面以底层人行道净空高度为例，如图 2-19所示。
2.3.4.5 模型信息传递生成局部计算模型
基于BIM软件Revit构建的三维模型，可以导出模型至ANSYS、Midas FEA等通 用有限元软件进行计算，避免了二次建模的重复建模过程，提高了工作效率。下图2-20 为采用 Revit 软件进行三维设计的边跨钢箱梁几何实体模型以及导入到有限元软件中的
（1） 设计展示：传统设计难以直观地表现设计对象，在概念设计和方案设计阶段， 特别是造型比选方面天生劣势。传统的二维设计只能对设计对象进行平面设计和展示， 无法真实直观地展现具体形态，对设计结构空间状态较难把握。基于BIM的设计是三维 设计，设计成果可以得到直观形象的三维立体模型。
（2） 设计质量：以图纸为主导的二维设计方式，其实是将思维中的三维结构在图纸 上以二维形式进行推敲，并且各专业设计之间沟通协调受阻，在这个过程中出错几乎是 一定的。而已模型为主导的三维设计，思维中的三维结构在设计过程中直接反映在模型 中，设计质量必然高于二维设计方式。各专业之间基于模型的协同设计也能够有效避免 传统设计中较多存在的碰撞和错漏问题。
（3） 设计效率：传统二维设计需要设计人员花费很大功夫进行平面图的绘制工作， 由于绘制的平面图图元间相互独立，没有关联。在设计过程中的变更将导致绘图和工程 量统计工作基本重来，这个过程是繁杂且效率低下的。基于 BIM 的三维设计方式通过自 动出图和工程量自动统计等方式，实现参数化、智能化的联动，可以大幅提高设计效率。 同时，基于三维结构的协同设计模式也使设计效率得到提高。
（4） 信息交互：传统设计的信息交互以人工交互为主，制图、几何建模、计算分析 等工序分离，数据的沟通统筹上容易出错，并且工作量大。基于 BIM 的信息交互是在新 的计算机技术上实现的交互，能有效降低出错率，减少工作量。
（5） 信息存储：传统设计的信息存储以文档、图纸等形式存储，存储量有限，信息 的调用困难。基于 BIM 的信息存储以集成数据库进行，并使信息调用和写入尽量在 BIM 模型上完成，然后由 BIM 模型直接输出相关设计中间资料和设计成果。这种模式下，信 息存储向 BIM 模型高度集成。
（6） 信息传递：传统设计中对于信息传递这一块来说没有特殊的渠道和有用的途径 进行传递，一般使用纸质文件进行记录和归档，即便用电子管理文档其效用也相当有限， 在传输过程中容易错失掉重要信息。
（7） 信息利用：传统设计的信息呈分散状态，信息断层和信息孤岛现象严重，对上 一阶段的信息难以有效利用。基于 BIM 的设计为信息集成提供一个平台，使得信息的继 承利用得以快速实现。基于 BIM 的信息利用在设计阶段表现为与 VR 技术、 3D 打印技 术的结合，在施工阶段表现为施工进度模拟和管理等，在运营维护阶段表现为与多系统 的联合，即将 BIM 与 GIS 系统、健康监测系统、风险评估系统等联合应用。
2.4 本章小结
本章以贵安新区歆民路跨车田河桥梁工程为例，介绍了现阶段三维设计应用，并举 例说明了该桥设计过程中运用到的相关 BIM 技术应用，具体得出结论如下：
（1）一座桥梁进行三维协同设计时应该先对其进行等级划分，即按控制线划分出构件 的等级，以便于设计阶段的协同和施工阶段的安装，基于 BIM 平台的三维可视化设计是 对项目进行系统化的管理，贯穿整个桥梁工程项目的全生命周期，实现了从前期勘察到 后期管养的整个过程，使得桥梁信息化更加完善。
（ 2）通过 Revit 软件对斜腿刚构桥进行 BIM 设计不仅仅可以利用三维模型还原整个 项目总体概况，还能通过 BIM 软件实现了参数化设计和碰撞检查等功能以提高设计效率 和降低人为差错，还能将已建模型导入有限元软件中进行计算，避免二次建模。
（3）目前在市政交通领域范围内 BIM 技术的应用还处于起步阶段，而针对的桥梁工 程的专项 BIM 技术的研究更是匮乏，因为较多的标准仍参考部分建筑 BIM 规范，包括
BIM 信息的分类和编码亦借鉴建筑领域的规范和信息学标准。
第 3 章 基于 BIM 的钢桥信息分类标准及编码
本章对国内外已有的市政交通行业的信息分类和编码体系进行研究比较；详细阐述 贵安新区歆民路跨车田河桥梁工程信息模型在美国开放式桥梁信息模型（OpenBrIM2.0） 标准框架下的信息分类和编码标准；并结合《中国市政行业 BIM 实施指南》和斜腿刚构 桥的自身特性，提出一套基于 OpenBrIM2.0 优化的桥梁工程生命周期内以性能信息为核 心的分类和编码标准，构建斜腿刚构桥的 BIM 信息模型［11］。
3.1引言
为了实现对交通市政领域的各种信息进行标准化、科学化的组织，必须采用一致的 体系为各参与方提供一个信息交流的一致语言，为其信息的管理和历史数据的积累利用 提供一个统一的框架标准和准则，结合当前国际建筑信息分类体系（Construction Information Classification System，CICS）以及中国铁路 BIM 联盟发布的 EBS、IFD 标准 和由美国联邦高速公路管理局开发的开放式桥梁信息模型（OpenBrIM 2.0）并探究市政 交通领域中的桥梁工程信息分类标准和编码体系，使得实现桥梁工程全生命周期信息的 交换、共享，推动桥梁工程信息模型的应用发展具有重要意义［12］。
3.1.1信息分类
信息分类就是依据信息内容（或信息对象）的属性或特征，将信息（或信息对象）按一 定的原则和方法进行区分和归类，并建立起一定的分类系统和排列顺序，以便管理和使 用信息。信息分类要符合科学性、系统性、可扩展性、兼容性和综合实用性的基本原则。
从分类的结构来讲，信息分类的方法有线分类法和面分类法和混合分类法［13］。
（ 1）线分类法
线分类法是将分类对象（即被划分的事物或概念）按所选定的若干个属性或特征逐次 地分成相应的若干个层级的类目，并排成一个有层次的，逐渐展开的分类体系。
（ 2）面分类法
面分类法是一种网状结构的分类法。它先依据事物的若干项特征分别在不同分类段 中划分类目，然后将所有各分类段并置起来进行组合，产生复合类目，形成网状结构的 分类体系。
（ 3）混合分类法
混合分类法是将线分类法和面分类法组合使用，以其中一种分类法为主，另一种做 补充的信息分类方法。
图 3-1 分类方法
3.1.2信息编码
对信息进行分类后，为了便于识别、检索和存档，尤其是利用计算机技术进行信息 处理，需要赋予信息以代码，即赋予信息特定字符或字符组，这就是信息编码的过程［14］。 信息编码是人们统一认识、统一观点和交换信息的一种技术手段，能够最大限度地避免 对信息的命名、描述不一致所造成的误解和歧义。根据编码对象的特征或根据所拟定的 分类方法，所采用的编码方法不尽相同。编码方法不同，产出的代码的类型不同，信息 学中常见的几种代码分类方法见图3-2。
XX XX XX ■
T k第三层代码
►第二层代码
►第_层代码
图 3-2 代码类型［］
一个完善的信息模型，能够连接建筑项目生命期不同阶段的数据、过程和资源，是 对工程对象的完整描述，可被建设项目各参与方普遍使用。 BIM 具有单一工程数据源， 可解决分布式、异构工程数据之间的一致性和全局共享问题，支持建设项目生命期中动 态的工程信息创建、管理和共享。
3.1.3 国内市政工程 BIM 信息分类及编码标准
我国在 2015年正式发布的《中国市政行业 BIM 实施指南》对于市政行业的 BIM 技 术推广和实施起到一个总体指导的作用，并针对于设计的各个阶段制定了不同的目标和 要求： （1）方案设计阶段：使用 BIM 进行造型、体量和空间分析，同时进行成本分析等， 使得初期方案决策更具有科学性；（2）初步设计阶段：各专业建立 BIM 模型，利用模型 信息进行性能分析，进行各种干涉检查，以及进行工程量统计，并且要使得设计成果例 如各种平面、立面、剖面图纸和统计报表都从 BIM 模型中得到；（3）施工图设计阶段： 利用已经建立完毕的初步 BIM 模型自动出一定比例的施工图，并对施工阶段进行分析， 通过四维的施工模拟动画进行施工的前期预演，以及施工进度控制预估［15］。
同时在《中国市政行业BIM实施指南》中还确立了构筑物的内部构件拆分、命名以 及设计参数的总体原则［16］：
（ 1）构件按照类别、和属性进行分类统计；
（ 2）构件拆分层次为三层：
（ 3）构筑物按照功能进行构件拆分；
（4）构件按拆分层次命名；
（ 5）构筑物设计参数满足初步设计要求；
（ 6）设计参数作为交付信息；
贵安新区歆民路跨车田河桥梁为斜腿刚构桥，其属于梁式桥这一类型的桥梁，因此 我们将斜腿刚构桥主要参照梁式桥的构件划分标准来进行分类。（如表 3-1 所示）而每个 构件的分类信息仍采用国际信息编码的方法和模式进行编码。（如表 3-2 所示）
表 3-1 斜腿刚构桥构件拆分、命名和设计参数
上部
结构 构件 单元 设计参数
名称 类型
边跨主梁 箱梁体系 箱梁 材料；箱梁横截面、长、宽、高；加劲 肋形式、板厚
中跨主梁 纵横梁格体系 纵梁 材料；截面
横梁 材料；截面
桥面系 材料；桥面板厚度；加劲肋形式、板厚
桁架体系 上、下弦杆 材料；杆件截面宽、高
竖杆、斜杆 材料；杆件截面宽、高
下层人行道 纵横梁格体系 纵梁 材料；截面
横梁 材料；截面
桥面系 材料；桥面板厚度；加劲肋形式、板厚
底板系 材料；底板厚度；加劲肋形式、板厚
下部
结构 支座垫石 材料；长、宽、高；配筋
V形斜腿 材料；长、宽、高；加劲肋
桥台 材料；长、宽、高、配筋
名称 类型
边跨主梁 箱梁体系 箱梁 材料；箱梁横截面、长、宽、高；加劲 肋形式、板厚
中跨主梁 纵横梁格体系 纵梁 材料；截面
横梁 材料；截面
桥面系 材料；桥面板厚度；加劲肋形式、板厚
桁架体系 上、下弦杆 材料；杆件截面宽、高
竖杆、斜杆 材料；杆件截面宽、高
下层人行道 纵横梁格体系 纵梁 材料；截面
横梁 材料；截面
桥面系 材料；桥面板厚度；加劲肋形式、板厚
底板系 材料；底板厚度；加劲肋形式、板厚
桩基础 材料；直径、桩长、配筋
附属结构 铺装 沥青铺装 材料；铺装厚；铺装形式
超高韧性混凝 土铺装 材料；铺装厚；铺装形式
栏杆 栏杆基座 材料；类型；配筋
栏杆主体 材料；构造参数；配筋
伸缩缝 型钢伸缩缝 材料；伸缩量；横桥向长度；预埋件参 数
模数伸缩缝 材料；伸缩量；横桥向长度；预埋件参 数
梳齿板伸缩缝 材料；伸缩量；横桥向长度；梳齿参数； 预埋件参数
支座系统 板式橡胶支座 橡胶材料；钢板材料、厚、宽、长
盆式支座 橡胶参数；滑板材料、构造；下座板材 料、构造；支座活动参数
球型钢支座 球冠衬板参数；橡胶参数；滑板材料、 构造；下座板材料、构造；支座活动 参 数
其他
表 3-2 斜腿刚构桥构件分类编码
分类对象 表编号 分类名称
上部结构 10 边跨主梁
11 中跨主梁
12 下层人行道
下部结构 20 支座垫石
21 V形斜腿
22 桥台
23 桩基础
附属结构 30 铺装
31 栏杆
32 伸缩缝
33 支座系统
34 其他
3.1.4国外公路交通BIM信息分类及编码标准
国际上不同领域对BIM的概念不尽相同。对于欧美国家而言与BIM相关的概念有 Building Information Modeling 、 Building Information Management 、 Civil Integrated Management (CIM)，以及 Bridge Information Modeling (BrIM)o 包括美国联邦交通部在 内的多个交通领域部门更倾向于使用CIM来定义用于在基础设施建设、管理和维护的全 过程的信息化技术［17］。得益于计算技术、软件技术、建筑技术和多样性的客户需求，美 国很早就开始了建筑行业信息化研究， BIM 技术是其中的一个重要成果，其研究与应用 都走在了世界前列。
目前，以美国为例，其大量房屋建筑项目已经开始应用BIM，同时组建了各种BIM 协会，并出台了相关BIM标准。根据McGraw Hill的调研，2007年美国工程建设行业采 用BIM的比例为28%，至2009年增长为49%，到2012年已经达到了 71%。74%的建筑 承包商已经在应用BIM技术，超过了建筑师(70%)及机电工程师(67%)。2016年， 有超过四分之三的人赞同BIM技术的全面应用。BIM的价值在不断被认可。
除了在房建领域应用了大量的BIM技术外，美国在市政交通基础设施的建设中BIM 技术的应用率和使用率也处于领先地位，美国联邦公路局鼓励、支持采用BIM技术， 但受限于法律，不能强制推广，只能通过有限的补助进行刺激。各州根据对BIM技术的 认识、自身的条件自由选择 BIM 的应用和推广方式，多数的州交通局正在关注、试用 BIM 技术。由于在 BIM 的大面积推广和应用中最重要的就是数据的标准化和通用化， 并且数据的标准化是BIM技术协调和数据交换的基础，而各个BIM软件平台都有自己 的数据格式，要实现平台间数据交换，需要建立统一的数据标准，即BIM信息标准体系。
在美国，BIM技术标准主要包括国际ISO标准、美国国家标准、各州标准、企业和 协会标准等。IFC标准体系也正在推动交通基础设施相关BIM标准，其中道路部分主要 由韩国牵头、桥梁部分主要由法国牵头、铁路部分主要由中国牵头。美国建筑行业的BIM 标准比较庞杂，公路行业的BIM标准正在制定中，此外，还有Open Bridge Information Model(OpenBrIM 2.0)、Land Topography (LandXML)、 National Bridge Inventory(NBI)、 Bentley OpenBridgeiModel 等相关标准［18］。
总体而言，目前美国的BIM标准仍然处于初级阶段，种类繁杂。掌握核心技术软件 商对数据格式的标准化并不积极，各自建立了自己的数据标准，并排斥与其他软件的兼 容性。IFC等标准目前仍只能在不同软件平台之间传递部分BIM信息，大量有价值的信 息丢失在转换过程中。
目前，在在公路交通行业应用较多的BIM相关信息标准主要有：
(1)开放式桥梁信息模型(OpenBrIM 2.0)。由美国联邦高速公路管理局和红方程 公司联合开发的一种开放式桥梁信息模型标准。
(2)LandXML。一种描述地形、公路路线、管道系统和其他土地测量相关的信息和 开发的数据模型标准。
（3） 美国国家桥梁数据库（NBI）。美国桥梁的数据库。该数据主要包含了桥梁的记 录，如描述桥梁所有者权限、位置、路线的功能分类、桥梁历史、设计标准、桥梁结构、 桥梁跨径信息和一组预定义桥梁组件（用于评估）。该组件包含桥面板、上部结构、下部 结构、通道及通道保护、涵洞。
（4） Bentley OpenBridgeiModel。Bentley®系统软件公司于2015年公布的一种桥梁 信息建模标准，该标准作为 Bentley 公司 i-model 计划的一部分。
以上的 4 种标准中以美国联邦高速公路管理局主推的开放式桥梁信息模型 （OpenBrIM2.0）和美国国家桥梁数据库（NBI）的应用范围最为广泛，应用度最为成熟， 开放式桥梁信息模型（OpenBrIM2.0）主要定义了数据的存储模式及规则，而美国国家桥 梁数据库（NBI）则是从桥梁工程的总控信息出发，通过用属性名代替编码的方式来进行 信息分类。因此，本文通过NBI和OpenBrIM2.0标准，并结合桥梁实例情况来分析信息 分类和编码的有序性和必要性。
3.2 基于 NBI 和 OpenBrIM2.0 标准的桥例说明
3.2.1美国国家桥梁数据库（NBI）标准
美国国家桥梁数据库（NBI）包含了美国数十万座桥梁的详细技术和工程信息[19], 其中包括建造年份，桥梁设计，运营状况和许多其他相关领域情况。其中主要包含了桥 梁具体的工程信息记录，如描述桥梁所有者权限、位置、路线的功能分类、桥梁历史、 设计标准、桥梁结构、桥梁跨径信息等相关桥梁工程现有信息。 NBI 数据库检索界面如 图 3-4和图 3-5所示。
图 3-4 检索界面（ 1 ）
National Bridge Inventory Database Search - 2016
...I... I Place C... Feature Inters... FacilityCarried I Location 1 Built R... Len... 1S... Materi... 1 Designconst... Status 1... View
... PortH... Ve... 'Mugu Lagoon 'Laguna Road 'NBVC Point... 19... 10.0 69.4 Concrete lee Beam ... Vh w w w w w w w w w w w w w w w w w
SanDi .. S . 'BOONE DRIVE VEHICLE RO.. 'NMLMED…19 . 61.0 95.0 Concn. Stringer/Multi... Functi ..… Vk
PortH... Ve... 'Districts C a... 'Main Road 'NBVC Point... 19... 19... 27.0 80.1 Concrete Box Beam or... ... Vh
Port H .. Ve . 'District#2 Ca. . 'Las PosasRo.. 'NBVC Point .. 19 . 19 . 27.0 60.1 Concrete Box Beam or. . Struct...…也
Fallbr... S... "Creek 'SidewinderRd. 'NWSSBRk 19... 9.0 37.0 Concrete Culvert(inclu... ... Vit
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PortH .. Ve . 'Drainage Canal Perimeter Road 'NBVC Point .. 19 . 19 . 7.0 34.0 Wbod . String er/Multi... Struct...…Vk
... Port H... Ve... 'Mugu Lagoon 'Laguna Road 'NBVC Point... 19... 9.0 1... Concrete Culvert (inclu... ... Vh
PortH... Ve... 'Drainage Canal 'Perimeter Road 'NBVC Point... 19. . 19. . 21.0 54.2 Steel Girder and Fl... ... 虫
... Lemo... Fr... 'Morrison Creek 'Entrance Road 'NavyResea... 19... 25.0 37.0 Concr... Slab ... Vit
... Lemo... Ki... 'Morrison Creek 'Entrance Road 'NavyResea... 19... 25.0 97.0 Concr... Slab ... Vh
Naval … Ve .. 'Oxnard Drain. . 'Stethem Road 'NWBASE P. . 19. . 7.0 97.0 Concrete Culvert (inclu... ... W
Seal B... Or... "BolsaChica... 'GolfRoad 'NWS Seal B... 19... 17.0 25.2 Steel Girder and Fl... Functi Vit
Seal B. . Or. . 'Bolsa Chica ... 'GolfRoad 'NWS Seal B. . 19. . 13.0 23.2 Steel Girder and Fl... Struct. 虫
Seal B... Or... "Bolsa Chica... 'GolfRoad 'NWS Seal B... 19... 6.0 36.0 Concrete Culvert (inclu... ... Vit
SanDi... S... 'MCDR Gate 4... 'BELLEAU W... 'Gate 4 at Pa... 19... 43.0 80.5 Concr... Box Beam or... Functi Vh
... SanDi... S... 'ROSE CREEK "MITSCHERW. . '1.5km South .. 19. . 20. . 9.0 S3.3 Concrete Culvert (inclu... ... Vk
... SanDi... S... 'SAN CLEME... 'AUSTIN AVE... ‘2 km South... 20... 21.0 37.0 Prestr... String er/Multi... ...塑虹
... Nebo... S... 'Drainage Ditch 'Natl Trails HWY '0.9KM NWo... 19. . 19. . 16.0 S6.S Concrete Culvert (inclu... ... w w w
Nebo... S... 'Drainage Ditch 'Nafl Trails Hwy '0.6 KM SEof... 19... 17.0 99.0 Concrete Culvert (inclu... ... Vif
Tracy S... 'Delta Mendot... 'Farm Bridge '1.6 KM NW... 19... 19... 32.0 86.5 WOod... String er/Multi... Functi Vh
图 3-5 检索界面（ 2）
在NBI检索系统中以加利福利亚州的圣地亚哥地区2006年所建成的一座实桥为例 来阐述美国国家桥梁数据库内部的信息分类和管理模式。首先我们可以从NBI的初始检 索界面中通过第一栏的State （已建成桥梁所在的美国州府）来进行大方向的检索，即通 过顶层信息一级一级的向下逐级筛选，当我们选择完桥梁所在美国州府信息后，检索系 统下方便会以列表的形式罗列出所在区域的所有桥梁的初步总控信息，例如桥梁所在具 体城市、具体区位、建造时间、桥梁全长、材料等。然后通过条目的最后一项浏览进入 到桥梁详细信息介绍栏当中。
美国国家桥梁数据库（NBI）主要通过桥梁总体控制信息的部分属性名来替代编码 [20]，这是因为数据库中的桥梁分类较为有限，但是其中样本较多，因此采用属性名和类 属性名的方式来进行分类管理也可以达到良好的信息管理效果，但若是仅仅针对一座桥 梁，对其几何信息、结构信息、力学信息、运营维护信息等还不能完整有效地将其表示 出来，为了要将一个桥梁工程从建造初始到后期运营的全生命周期过程中产生的有效信 息集中在BIM模型中的信息空间模型中时，我们仍然需要采用有序的编码方式来进行有 效的信息分类，而编码的方法依据各国各地的不同，其命名的方法和规则也有所不同， 美国联邦高速公路管理局主推的开放式桥梁信息模型（OpenBrIM2.0）则主要规定了工程 项目的最基础的信息存储与传递，相较于分类编码的模式来说更为的底层化、基础化， 这也为美国桥梁BIM信息的构件提供了很好的方向和示范。因此斜腿刚构桥同样可以借 鉴NBI桥梁数据库的参照模型，将其总控信息依次输入到NBI数据框架中，建立起斜腿 刚构桥的顶层信息。NBI某桥例总控部分详细信息翻译如表3-3所示。
表 3-3 NBI 桥梁工程项目信息示例
州/省 加利福利亚
地区名 圣地亚哥
城市 圣地亚哥
NBI结构编号 2CA9342
路线标志前缀 其他
位置 距州府南部2公里
建造年代 2006
所有者 海军
维护责任 海军
功能类 本地，城市
桥梁服务类别 公路
纬度 32 52 05.34 N
经度 117 07 04.56 W
材料设计 预应力混凝土
构造设计 桁架/多梁
结构长度（米） 210
桥面道路宽度（米） 9
车道数 2
日均交通量 100
日均交通量年份 2015
设计荷载 MS 18
冲刷 根据已有计算资料确定桥基是稳定的
历史意义 该桥不符合国家桥梁历史名录
结构是否开放 开放，没有限制
桥面板 状况良好
上部结构 状况非常良好
下部结构 状况良好
结构评估 优
3.2.2开放式桥梁信息模型（OpenBrIM2.0）
开放式桥梁信息模型（OpenBrIM）是由美国联邦高速公路管理局和红方程公司联合 开发的一种开放式桥梁信息模型标准， 2013年时便推出了 OpenBrIM1.0 版本，经过三年 的不断优化和更新，在 2016 年时又推出了较为完善的 OpenBrIM2.0 版本。开放式桥梁 信息模型的建立是为了研究桥梁信息建模的替代标准，它可以在不同的应用程序平台上 进行应用，这是一个为桥梁行业设计的统一的数据存储和交换的模型库。
在 OpenBrIM2.0 的使用过程中，所有使用者都有一个中央数据存储库。对于这个系 统来说，约有30个标准的桥梁构件对象被开发出来，并且都是使用的标准XML数据格式 来描述桥梁组件的尺寸和其他数据参数。桥梁组件库对象是参数化定义的，允许通过改 变几何属性或者物理属性数据来重复使用同一类相似的组件，可以通过定义一系列相似 的族来达到简化结构，方便随时调用和传递模型数据等用途，而通用数据可以在项目中 全局定义，并自动更新所有受影响的对象属性［21］。
但是相较于美国国家桥梁数据库来说， OpenBrIM2.0 所涉及到的内容更加的趋于数 据底层化，它所定义的内容均为数据如何的存储和传递，并使用 XML 基本数据格式来进 行定义桥梁模型信息的流动性。组件库应用程序是 OpenBrIM2.0 中的重要工具，它被用 于开发桥梁构件对象，这是桥梁模型的基本构件。用户必须确定一个参数列表来描述对 象，并且编写代码来显示它，然后正确记录它，类似于创建了 Revit 中的一个族库。其分 为两个对象，如图 3-6 所示。左侧是文字部分的说明，右侧则是对应结构图形的阐述和 剖析。
除了用于创建以三维视图显示的组件对象之外， OpenBrIM2.0 还用于开发文档，以 帮助使用者和管理者了解如何从项目中构建和引用对象，如图 3-7 所示。如果有大量参 数，则可以使用 Category 属性进行分组并且可以分配多个类别名称。桥梁工程结构可以 假设为各个组件之间相•加的集合，如桥面板、桁架、桥墩和桥台等，然后桥墩和桥台 等大的构件又由较小的构件组成，如桩基础、立柱、挡墙、台帽和钢筋。所有这些单独 的组件都可以用相对少量的参数来定义，一个完整的桥梁模型是通过将所有单独的标准 组件组合到一个组件中来进行开发的，因此每个标准组件的参数设置就显得尤为的重要。
百尿 RectangularFooting
图 3-7 参数管理
同时为了满足桥梁工程模型信息能在不同公司的不同平台上无阻碍的传递和交流，
OpenBrIM2.0采取基础的XML语言来编写图形对象的代码，如图3-8所示。使用XML 数据格式可以使桥梁的信息变得更容易交换共享和分析利用，使数据文件的个数大为减 少，甚至可将数据输入/输出文件，临时文件等诸多文件作为不同的节点，合并在同一个 XML 文件框架内，极大的简化各种数据和文件的调度和管理。因为采用单向有序树的层 次结构，各节点之间相互隔离，因此不同节点之间数据误操作的可能性也大为降低，从 而使数据的稳健性得到增强，同时便于人工阅读、检查和修复。此外，在 XML 数据文 件以及数据库中可以很方便的随时增加新的子结构和节点，并且不会影响到其他既有节 点，具有良好的开放性、可扩展性和平台无关性。
图 3-8 参数管理
上图中用 XML 写的代码便是一个描述矩形的混凝土基础的简单例子，其中一共有 三个变量，长度、宽度和厚度，通过三个变量的定义便可完整的定义混凝土基础的外轮 廓形状。所有类似的桥梁矩形基础都可以使用相同的几何定义，它们只需要在构件上定 义一个参考点，然后通过偏移量和高程来定位它们在整个结构中的位置就可以较为清晰 地得到构件在结构整体中的定位了。而其他的非几何数据也可以与组件相关联，例如材 料类型或创建的日期等，所有这些参数形成了定义组件所需的标准数据。
3.3桥例分类与编码原因
由于桥梁工程项目所包含的构件繁杂，数量较大，因此需要对其构件的信息进行分
类和编码，而信息编码即为对同一种事物有一种共识，且用特殊的符号将其表达出来以 方便管理的存储，信息编码的优劣直接关系到信息存储、检索和传递的效用。它的作用 具体如下：
(1)编码是识别信息主体的有效手段 在向他人传递信息时，通常要对信息主体的特征进行描述，为了准确地定位到目标
信息主体，需要足够细致的描述。为了简化描述过程，提高信息传输及处理的速度和效 率，可赋予信息主体一定规律性的，易于人或机器识别和处理的符号、图形、颜色、缩 简的文字等，这样便于参与信息传递的各方对于信息主体的一致识别，这个过程就是信 息编码的过程。
(2)编码是信息系统实施的基础 为了应对“信息爆炸”的挑战，人们建立各种信息系统来管理和利用信息。信息编
码可以设定某种符号体系，将具有某种共同特征的信息归并在一起，将不具共性的信息 区分开来，使电子计算机或人工能够识别和处理。
(3)编码是信息互联、互通的基础 信息编码可以作为信息传递和资源共享的统一语言。编码的使用为信息系统间的信
息传递创造了必要的条件，并且为不同信息系统间信息资源的开发、利用和共享创造了 可能性。
因此，信息编码在信息活动中占据重要的地位，它可以提高计算机进行信息处理的 能力与速度，促进系统间信息交换和数据共享及信息系统的自动化程度。这种一致性是 建立在各信息系统对信息的名称、描述、分类和代码共同约定的基础之上的。
目前国外应用的较为广泛的两种数据标准平台 NBI 和 OpenBrIM2.0 均有其各自的 优点和缺点，NBI虽然收录的桥梁样本较多，但是具体到某一座桥梁的信息集成时便显 得有些力不从心，它更偏向于工程项目顶层的总控信息，桥梁BIM中的属性较多，因此 有时候如 NBI 总控方面的信息并不能很好的满足现有桥梁 BIM 信息的分类和管理。 OpenBrIM2.0 则是主要利用基础性的 XML 语言来对桥梁具体信息的存储和传递，更多 的偏向了数据底层交互的设计，因此这两种数据标准较为极端化的将桥梁工程项目信息 顶层和底层部分的内容进行了定义，但是缺少对整个项目的中间段信息进行分类和和编 码，如图 3-9 所示。
图 3-9 模型数据标准
因此对于BIM平台的软件使用者和管理者来说，中间层的桥梁项目信息使用的频率 才是最高的，而中间层的桥梁BIM信息有着灵活有序的特点，并且信息体量也比较大, 需要有一定的组织性才能将一座桥梁的设计信息、施工信息和运营维护信息表达完整， 这就需要我们将信息学中的分类方法和编码方法移植到桥梁BIM信息的应用当中，并摸 索出一套适合我国实际情况的桥梁BIM信息分类与编码体系。具体如图3-10所示。
图 3-10 桥梁中间层信息分类示意图
而桥梁BIM模型中间层信息服务于顶层信息的同时也串联底层信息的传递，起到一 个承上启下的作用，因此自底层信息到模型中间层信息，再到桥梁顶层信息的串接关系 如图 3-11 所示。
图 3-11 桥梁信息分类示意图
信息编码的标准化属于行业内的基础性工作，一般情况下会涉及多学科、多领域， 且伴随着大量的数据整理、编码、代码转换等工作，而且一旦开展，其影响面广且深远， 总结起来其具备以下几个特征：
(1)信息编码标准化本质上属于高层次的标准化 仅仅在行业内某个企业，某种平台进行信息编码标准化工作是远远不够的， 必须在更高层次上进行广泛的协调和统一。采用己有的国际标准、行业标准有利于 大范围信息交换。
（2） 信息编码标准的实施难度大 在桥梁工程信息化的建设中，设计企业和制造企业采用了不同的信息编码标准，要
实现信息编码的统一，需要做大量的工作。
（3） 信息编码标准化不仅仅为了解决标识问题 从概念上讲，信息编码标准化工作不只是为了解决一物一码的问题，还应当
包括信息的分类。因此，从系统工程的角度出发，桥梁工程信息编码是一个体系，其标 准化既包括体系构建的标准化，也包括信息编码具体方法的标准化。如图 3-12 所示。
图 3-12 信息编码标准化
信息编码体系的标准化是指在一定范围内所有信息编码的标准，按其内在联系所组 成的有机整体，是宏观调控和管理的基础。信息编码体系标准化的前提是信息分类体系 的标准化，只有统一和规范的分类体系，才能使各系统、各行业和各个层次开发和实施 的信息系统能够实现数据和信息的兼容与共享［22］。
信息编码方法的标准化是指信息编码的取值是否科学和合理，并直接关系到信息处 理、检索和传输的自动化水平和效率，编码是否规范影响并决定了信息的交流与共享等 性能。因此，信息编码必须遵循科学性、系统性、可扩展性、兼容性和综合性等基本原 则，合理的信息编码以合理的信息分类为基础。 BIM 信息利用全过程如图 3-13 所示。
图 3-13 BIM 信息利用全过程
因此就桥梁 BIM 的应用来看，最重要的便是针对于桥梁 BIM 模型中的中间层信息 进行一个提取和整合，然后根据信息编码标准化的原则对中间层的信息进行有序的分类 和编码，使得信息得以有效地利用和传递，这样一来发展到终极的阶段便是整个土木行 业AI人工智能的时代，AI的本质就是信息智能化、标准化、有序化的流动和传递。
3.4桥例分类与有序编码 前文已经阐述过信息学代码的几种常见分类方法，这里我们采用代码中特征码下属 的分类码和结构码两种方法对桥梁BIM项目的中间层主要信息进行复合分类和编码。
3.4.1 分类码
分类码所标识的集合是由具有相同或类似特征的若干事物组成的，代码对应于一个 类目。我们把标识类目的代码或标识某一类事物的代码称为分类码或者分类特征码。例 如，在《建筑产品分类和编码》中的类目表中“T”代表“通用产品”，“T”即是一种分 类码，分类代码如表 3-4 所示。
表 3-4 建筑产品分类表
类目代码 类目名称 类目代码 类目名称
T 通用 J 建筑
G 结构 S 设备
3.4.2 结构码
结构码所标识的对象是事物对象之间的结构关系，表示了在结构中某个事物对象或 某一类事物对象处于什么位置。我们把用来表示事物对象之间的结构关系的代码称为结 构关系代码，简称结构码。例如，可以用来表示工程项目中体现分解关系的编号，即分 部工程可以分为若干个子分部工程，每个子分部工程又可以分为若干分项工程。
只有树形的结构才容易编码，所以一般结构码指的是树形结构码，代表事物所在的 节点在树形结构中所处的位置，如图 3-14所示。
3.4.3 基于 NBI 数据库的斜腿刚构桥信息分类 以贵安新区歆民路跨车田河桥梁工程作为城市桥梁实例，基于美国国家桥梁数据库
NBI的分类标准，对斜腿刚构桥进行顶层信息的分类和总结，如表3-5所示。
表3-5斜腿刚构桥桥梁工程信息表
州/省 贵州省
地区名
城市 贵阳市
贵安新区
NBI 结构编号 GZ0851
路线标志前缀 其他
位置 贵安新区主干道
建造年代 2016
所有者 贵州省
维护责任 贵州省
功能类 本地，城市
桥梁服务类别 城市道路
纬度 26 26 32.17 N
经度 106 29 23.05 E
材料设计 钢材
构造设计 斜腿刚构、桁架
结构长度（米） 130
桥面道路宽度（米） 单幅21. 25m,双幅44m
车道数 双向 6 车道
日均交通量 150
日均交通量年份 2017
设计荷载 城-A
冲刷 无
历史意义 该桥不符合国家桥梁历史名录
结构是否开放 开放，没有限制
桥面板 状况良好
上部结构 状况非常良好
下部结构 状况良好
结构评估 优
344基于斜腿V构桥的中间层信息分类与编码
前文曾提到过而桥梁 BIM 模型中间层信息对于实际的工程项目从勘察阶段到最后 的建成管养阶段是十分重要的，而当前无论是国外还是国内对此部分研究的内容都较为 贫乏，主要还是更多的在关注顶层信息和底层信息的建立，此外针对每一个项目的中间 层信息都有所不同，有着很大的个性化需求，因此本文利用贵安新区歆民路跨车田河桥 梁工程作为特例，结合国内外信息编码规则以及相关设计院和施工单位等具体情况，对 斜腿刚构桥进行信息的分类与编码。具体分类如表3-6所示。
表 3-6 斜腿刚构桥信息分类与编码
上部结构-0
检测( 20)
下部结构-1
人工(01)
自动(02)
联合(03)
外部粘钢(01)
粘贴碳纤维(02)
加大截面(03)
预应力(04)
上表格中的分类和编码是主要根据美国国家桥梁数据库(NBI)和开放式桥梁信息 模型(OpenBrIM)的部分原则以及结合桥梁设计计算书中的相关内容进行总结，主要 适用于本文中斜腿刚构桥，另有部分计算信息是直接录入到构件库当中，成为构件的本 身属性，不包含于此处公共信息当中。
3.5 本章小结
本章主要介绍了基于桥梁BIM信息的分类和编码原则，并引入国外当前应用的部分 体系，结合本项目自身情况总结了一套分类和编码的方法，具体结论如下：
(1)信息的分类和编码在各个领域都有所不同，但是其根本还是在于三个信息分类的 基本原则，引入美国国家桥梁数据库(NBI)和开放式桥梁信息模型(OpenBrIM)是因 为前者在桥梁顶层信息的建设中较为完善，而后者定义了桥梁底层的信息存储和传递原 则，因而可以借鉴这两套系统对本项目的信息进行归类和编码。
(2)由于桥梁工程中最为重要的便是其性能信息的存储和传递，因此基于斜腿刚构桥， 重点的对其桥梁中间层信息进行编码和分类，目前国内外均没有相关成体系的方法或系 统，因此采用顶层和底层信息的分类和编码原则，结合斜腿刚构桥的设计计算书来对其 性能指标进行分类和编码，最后形成自身的一套信息模型。
(3)目前桥梁信息系统的建立仍有许多不足和缺陷，各个国家都有自己的一套标准， 国际上仍然不能无缝衔接，由于桥梁工程信息繁杂，性能信息的指标也较多，因此需要 继续完善桥梁性能信息系统的建立和优化并建立大数据库以找到一个通用的模块和标准 来进行信息的管理和利用。
第 4 章 基于 Revit 的钢桥 BIM 信息模型搭建
4.1基于 Revit 的 BIM 信息模型搭建
前文阐述了如何通过 BIM 技术将桥梁工程项目中的全生命周期信息进行有效的分 类和编码，并通过引入美国的NBI和OpenBrIM2.0两种信息分类和存储标准阐明了当前 各国对于桥梁工程项目信息都侧重于其顶层的总体信息归类和底层的信息传输标准的定 制,缺乏对于项目中间层信息的分类和编码，因而在NBI和OpenBrIM2.0准则的基础上 提出了适用于我国桥梁工程项目情况的中间层信息分类以及编码，并将 BIM 技术跟项目 的实际情况的融合为一体，使得项目 BIM 化［23］。而如何将已经分类和编码的信息高效的 输入到 BIM 平台当中进行有效地储存和传递亦成为了高效建立 BIM 信息模型的重中之 重， BIM 平台的不同，其利用的传输工具也不尽相同，下面以 Autodesk 平台的 Revit 软 件为例，并主要采用了 Dynamo 插件来提高信息输入和输出的效率。
贵安新区歆民路跨车田河桥梁工程项目是基于 Revit 平台建立的三维几何模型，因 此利用同一个 BIM 平台构建桥梁信息模型将会有利于信息在项目的全生命周期内无损 的存储和更为流畅的传递，并且引入与欧特克平台相联动的辅助式插件可以提高信息模 型构建的效率，使得信息的输入与输出更加的智能化［24］。
4.2BIM 信息模型的搭建方法
4.2.1Dynamo 软件简介
Dynamo 是一个运行在 Autodesk Revit 上的基于结点的可视化编程开源插件，其可 以让用户自由创建计算式设计模型或者其它自动化处理过程。用户在使用过程中不仅可 以完善数据处理，提高几何模型和信息模型之间的契合度。Dynamo插件本身是开源的, 允许设计师对插件内部的程序进行修改，以符合个人使用的习惯。
Dynamo 提供了与 Autodesk Revit 的全新交互思路，设计师可以创建完整的构件族 可视化流程。而可视化编程界面很大程度上扩展了使用 BIM 驱动设计迭代的方法。其 可以运行在Revit2013及以上的各版本中。Dynamo在独立运行时，除Revit相关的结点 无法使用外，其它功能都可正常使用。同时 Dynamo 也正在尝试集成到其它平台上［25］。 目前已经出现了基于 Rhino 平台的 Rhynamo 插件等。 Dynamo 初始界面如图如图 4-1 所 示。
图 4-1 Dynamo 界面
基于桥梁工程的B即技术应用
4.2.2 Dynamo 可视化编程概念
传统的常规编程是通过程序语言和一定的逻辑顺序组成整个能够实现功能性的程序 框架，对于非计算机编程专业的设计人员来说有一定的入门门槛和难度，程序语言较为 枯燥，并且易错，需要多番调试［26］。例如常规的编程代码为：
myPoint = Point.ByCoordinates(0.0,0.0,0.0);
x = 5.6;
y = 5.6;
attractorPoint = Point.ByCoordinates(x,y,0.0);
dist = myPoint.DistanceTo(attractorPoint);
myCircle = Circle.ByCenterPointRadius(myPoint,dist);
可视化编程如图4-3所示。
从上面我们可以看出两种不同的编程方法，得到的结果是一致的，但是显而易见的 是通过可视化编程的方法可以使得我们的编程过程更为简单易懂，逻辑思路更为清晰， 也更易于进行程序性排错［27］。
4.2.3 Dynamo 可视化编程基本要素
在 Dynamo 的整个可视化编程流程中节点是最基本的要素，也是程序构建最重要的 因素。
节点（Nodes）：是Dynamo中连接不同的板块的中转站，具有特定的功能。
Point. ByCoordinates
图 4-4 单个节点窗口
1.节点的名字；2.节点的主体；3.输入/输出端口
接线（Wires）：节点与节点间的连线，起到传递数据的作用，是各个节点板块之间 的纽带。
4.2.4Design Script 简介
Design Script是Dynamo的编程语言。其主要通过代码块(Code Block)进行快速的 实现用户的功能需求，虽然通过代码块进行可视化的编程较为简单和便捷，不需要太多 的计算机专业编程基础，但是要想写出一个高效可用的程序还是必须得具备一定的编程 基础知识和基本的编程逻辑［28］。 Dynamo 同时提供了一个非常有用的功能，就是可以系 统化的将庞大的可视化编程好的节点和接线直接变为代码块(Code Block)中的编程语 言代码，通过下图我们可以看到代码块(Code Block)中的程序语言的实现效果跟通过 节点实现是一样的，都可以达到设计师最终的需求。
4.3 斜腿刚构桥的信息模型高效构建
4.3.1斜腿刚构桥有限元模型建立
我们以贵安新区歆民路斜腿刚构桥的特殊部位 V 形腿为例，以 Revit 中族类型属性 栏作为信息搭建的基本骨架，将桥梁整体模型拆分为各个构件族作为信息构建的基本单 位进行信息模型的组建［29］。
图 4-8 全桥模型
对于单独的V形腿，先将其在各个工况下的腿底的支座反力求出，再进行信息构建。
斜腿刚构桥在温度荷载整体升温和整体降温的作用下支座反力分别如图4-9和图4-10所
示。
图 4-9 整体升温
图 4-10 整体降温
表4-1 V腿支座反力（单位：kN）
支座反力 整体升温 整体降温
Max 3286.1 2987.5
Min 104.2 94.7
从表4-1中我们可以看出V腿支座反力在整体升温和整体降温两个荷载工况下分别 得到的数值。此为桥梁结构本身的性能信息，通过有限元分析方法先将各个性能指标信 息计算出来并进行汇总，以此为基础来构建桥梁性能信息模型。
同时，在温度荷载的作用下，V形腿底会产生局部的应力，因此通过计算可得腿底 的应力如图 4-11 和 4-12所示。
图 4-12 整体降温
表 4-2 V 腿底部应力（单位： MPa）
V腿底部应力 整体升温 整体降温
Max 43.78 39.80
Min 2.88 2.62
4.3.2 基于 Revit 及 Dynamo 的信息模型构建
结合前文中斜腿刚构桥的信息分类和编码以及 V 形斜腿的特殊构造性，将 V 形腿 整体作为一个母族，而下面则分为三个子族， V 形腿母族的总归信息的初步分类和编码 框架是建立在具体的实桥和基本的信息分类基础上的，其下包含的三个子族继承母族的 部分属性的同时各自也具有自身的特性，以母族和腿底加劲肋子族为例，其信息初步分 类框架如图 4-13和图 4-14所示。
图 4-13 V 形腿母族信息框架
图 4-14 V 形腿子族信息框架
以上信息框架的搭建一般是通过设计人员参照相关分类标准进行人工的手动输入或 修正，由于桥梁工程项目中的构件繁多，各个构件族信息量巨大，若采取人工手动输入 的方法会增加设计师巨大的工作量，并且后期对信息的修改和管理也不方便，因此引入 Dynamo 插件进行信息的可视化编程，减少人工操作，实现信息的批量输入、修正和输 出，提高工作效率［31］。
首先在 Excel 中建立跟构件族同等情况的信息模型，由于 Dynamo 是通过可视化的 程序语言将 Revit 同 Excel 连接在一起进行信息的双向传递的，因此 Excel 中的信息与 Revit 的构件族信息需一一对应，因此先在 Excel 中构建出自己所需的信息框架，以桥面 板族库为示例，如图 4-15 所示。
V形腿子族 数量 V形腿底部加劲肋 数量
V形腿横隔板 V形腿底部加劲肋（横向） 18
V形腿底部加劲肋 32 V形腿底部加劲肋（纵向）
V形腿外表钢板 21 1000104 20
构件材质 钢-Q345qD 腿底应力温升（Max） 43.78MPa
支座力反力温升 3286.lkN 腿底应力温降（Max） 39.SOMPa
支座力反力温降 2987. 5kN 产地 武钢钢铁加工厂
腿部应力温升 43.78MFa 施工 SG11006
腿部应力温降 39.SOMFa 管养 GY12001 GY12102
构件代码 1011403 URL 9.379E+11
加工方式 悍接拼装 制造商 武钢集团
产地 武很钢铁抑工厂 型号 350+360
施工 SG11006 成本 3000
管养 GY12001 GY12102 类型注释 梯形钢板加劲肋
补充说明 子族继承母族属■性 说明 型号为按加工厂原料尺寸计
桥面板子族 数量 桥面板子族 数量
顶板 ] 顶板 1
底板 ] 构件材质 钢-Q345qD
横隔板 26 厚度 • 20
腹板 7 顶板最犬纵向应力 31. 04MPa
U肋 39 顶板最犬横向应力 32.3SMPa
板肋 19 顶板最犬应力幅 32.38MPa
构件材质 ^-Q345qD 构件代码 E；R2J00U2022D
厚度（T、E、F） 20 产地 武很钢铁加工厂
厚度（Hg） 16 施工 BRSG01006
厚度（U肋） 8 管养 BRGY12001 BRGY12102
厚度（板肋） 14 URL 932476587663221
顶板最大应力幅 32.38MFa 制造商 武钢集团
U肋最丈应力幅 41.33MFa 成本 3000
横隔板最丈应力幅 31.75MFa
图 4-15 Excel 部分信息框架图
然后再在 Dynamo 中建立 Excel 输入端程序，将 Excel 表格中的数据按照一定的程 序化语言导入到 Dynamo 的程序模块里，然后再将 Excel 中的每一栏表头名粘贴进 Code Block 中，并以双引号和逗号将每个元素名按照一定的语法结构隔离开，如此便形成了 信息框架中的元素框架，而具体的数值就通过 Excel 输入端导入即可，具体的可视化程 序编写如图 4-16 和图 4-17所示。
图 4-17 元素名信息输入
最后通过Element. Set Parameter By Name这个模块将Excel输入端程序和Code Block 元素名框架连接在一起便形成了最开始手动输入后的信息框架模型，如图4-18所示。
图 4-18 节点连接程序
图 4-19 Dynamo 可视化程序全流程
在图 4-19 中我们可以看到 Select Model Element 节点是通过鼠标点击模型中设计人 员所需要建立信息框架的模型单元，即将下图中的V形腿点击确认后再运行Dynamo的 程序便可以得出V形腿母族的信息模型，如图4-20所示。
图 4-20 V 形腿母族信息模型
4.4钢桥面疲劳信息采集与存储
首先利用 Midas FEA 建立桥面的局部结构，其长度选为四个桁架之间的节间跨度， 即总长为21m，采用自动划分网格[32],由于正交异性板各疲劳细节对车载元素不敏感, 仅对轮载敏感，因此模型荷载采用疲劳荷载计算模型III中的单车模型进行加载，根据板 单元受力特点可知，由纵腹板和横隔板隔出的板件在集中力的作用下，其最大变形位移 发生在板的中间位置，而在车辆行驶的过程中就相当于多个集中力在纵桥向与横桥向移 动，此时便可以求出最大应力幅。
根据《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64—2015)中的小节5.5抗疲劳设计，单 车模型的布置情况如图 4-21 所示。
荷载布置采用四种工况，横向位置两种，纵向布置两种，如图 4-22 所示。
a）横向加载位置一
b）横向加载位置二
c）纵向加载位置一
d）纵向加载位置二
图 4-22 荷载加载位置布置 因此桥面板各个结构在四种工况下能分别得到各个应力计算结果。首先顶板在四种 荷载工况作用下的应力分别如表 4-3 和表 4-4 所示。
234
顶面
工况 横向 纵向
2D ELEMENT STRESS
+1 66069e+004
*9.330696+003
+2.05445e+003
-3.70960e*002
•2.79637e+003
-5.22178e+003
'*1 41815e+004
+1.17561 e+004
+&90528e+003
♦4.47987e+003
B-7.64720e*003
J.00726e+004
•1.24980e+004
gw
-1.73488e*004
-1.97743e+004
-2.21997e*004
2D ELEMBIT STRESS SYY,kNAn-2
一♦163097e+004
—-♦159961e*004 1^*'皿曲
■ *9.36905e*003
0.3%
--♦705551e*003 -% +4.74l96e*003
-*2.42842e*003 I訣囲" . -2.19868e+003
■黑仙逐*003
■— -6B2577e*003 1^-9.1393^*003
-I I4529e+004
■ ° l% -1 37664e*004
0.0%
-I 6O799e*O04
「： -1.83935e*004
0.0%
-2070708*004
20 ELEMENT STRESS
SXX,klW2
« ♦! 70240e*004
Kj%*'233076*004
■♦9.98407e*003 r~io.3%
Hj +7fi3742e*003 L-l03% +529076e*003 ^-^-♦2.94411e*003 ■加 977
■-1.749216*003
105% .8.789176*003
0.3%
-1 11358e*0O4
1-' —
—--158291e*0O4
817S8e*0O4
2052256*004
2D ELEMENT STRESS
SYY,kNAr>A2
■-一-+1.67R9+004
■0.1%
■ +1.46630e*004
♦1.26083e+004
*1.055356+004
*4.38935e*003
♦2.33462e*003
.798936+002
774846*003
■7.9390364-003
•9.99376e*003
+&49882e+003
+&44408e+003
-3.82957e+003
•5.884306+003
J20485e+004
|oo%.1.41O32e+OO4
•— 1.61580ei004
FE
2D ELEMENT STRESS
SYY, kNAnA2
■ +2.245869+004
+1.93012e*004
普善+1.61439e+004
+1.29863+004
.■- 0.2% '
- +9.82919e+003
-+務+6.67l84e+003 | ^-^+3.514486+003 I ^^+3.57133e*002 .0 6% 2800226*003 ■ ^^.5.95757^03 ■^--9.114926*003 ■茁；-U2723e+004 -1.54296e+004
85870e*004 H— 2.17443e+004
權-2皿04
-2.80S90e*004
2D ELEMENT STRESS
+2.37317e+004
+1.39978e+004
+2.04872+004
+1.724256*004
—t 0 3% +1 07S32e*004 --^+7.50854e*003 | -^^+4.263896*003 I -^+1.01925^013
加2253923
I ——-5.47003e+003
I 8.71468e*003
Bl° 2% -1.19593e+004
I —-5.47003e+003
-2.16932e*004
-2.49379e*004
■1.52040e+004
-1.84486e+004
-2.81825e+004
顶板在四种荷载工况作用下的最大应力如表 4-5 所示。
表 4-5 顶板最大应力表（单位：MPa）
工况 1 2 3 4
顶面 -22.37 -23.06 30.96 31.04
纵桥面 底面 -20.71 16.72 -28.06 -28.11
顶面 -23.41 -22.63 30.68 32.38
横桥面
底面 -22.20 -20.52 -27.69 -28.18
其中Ml max= 32.38MPa
同理，U肋在四种荷载工况作用下的最大应力如表4-6所示。
表 4-6 U 肋最大应力表（单位： MPa）
工况 1 2 3 4 ^^2max
顶面 26.32 -30.32 -20.00 -19.54 41.33
纵桥面
底面 -33.84 -33.56 -31.93 -41.33
横隔板在四种荷载工况作用下的最大应力如表4-7所示。
表 4-7 横隔板最大应力表（单位： MPa）
工况 1 2 3 4
顶面 -29.38 -29.29 -31.75 23.33 31.75
横桥面
底面 -29.40 -29.23 -30.04 15.09
综上所述，各结构应力幅汇总表如表4-8所示。
表 4-8 各结构应力幅汇总表（单位： MPa）
位置 顶板 U肋 横隔板
^^max 32.38 41.33 31.75
上表可以看出U肋的应力幅是最大的，当利用有限元软件计算出桥面板的各个结构 的最大和最小应力以及应力幅后借鉴前面Dynamo可视化编程的方法将与结构疲劳相关 因素的信息输入到主梁桥面板结构族中，以此来构建更加完善的桥梁性能信息模型，具
体的编程流程如图 4-23所示，而桥面板母族及其子族的的信息框架如图 4-24所示。
图 4-24 桥面板族库信息框架
4.5 本章小结
本章主要阐述了如何在 Revit 中利用 Dynamo 插件的可视化编程功能来进行信息的 批量输入与输，提高桥梁信息模型建立的效率，并方便后期信息的管理和维护，具体得 出结论如下：
(1)首先我们利用基于Revit平台的二次开发插件Dynamo对模型进行可视化编程, 而这种方法可以使得我们的编程过程更为简单易懂，逻辑思路更为清晰，也更易于进行 程序性排错。
（2） 斜腿刚构桥中的几何信息、性能信息等较为庞杂，而在Revit平台上只能人工的 手动操作，且不能实现批量化的输入与输出，后期信息的修改和完善也显得比较困难， 效率较低［33］。通过 Dynamo 的批量化操作将 Excel 中的信息模型导入到 Revit 当中不仅 大大提高了工作效率，而且对于后期信息的修改和完善也更加便利，可以利用 Excel 进 行辅助管理。
（3） 通过有限元软件计算出钢桥面板在不同荷载工况下的应力水平，再通过规范中的 抗疲劳设计算出应力幅大小并人工进行校核，而后利用Revit中的族模板对疲劳信息进 行输入构建出疲劳信息框架模型，同时也建立起疲劳规范的构件族来独立管理以便于在 模型中进行校核，达到了有效利用性能信息的目的。
第 5 章 基于二次开发的钢桥 BIM 信息利用
5.1引言
Autodesk 公司研发的 Revit 系列软件是目前应用较为广泛的 BIM 平台，上面集成了 建筑、结构、管廊等领域的 BIM 设计和技术应用，并为全世界的设计师提供了一个良好 的共享数据平台［34］。但是单单只凭借 Revit 进行 BIM 的技术应用还远远不够，因为在市 政交通领域内存在较多复杂且不规则的大型的项目需要集成庞大的信息库，因此前文中 引入的Dynamo可视化编程插件有效地解决了 Revit中大量数据批量输入与输出的问题, 提高了设计效率，而信息可视化管理方面就需要通过基于Revit SDK开发工具包来对其 进行用户自定义需求的功能拓展与设定。
5.2Revit 二次开发基本要素
5.2.1Revit 的可扩展性
从2005年开始Autodesk公司便开始提供Revit API,版本从Revit 8.0到Revit 2017。 Revit API是应用程序接口，其英文全称为Application Programming Interface,是软件二 次开发中不可或缺的基本因素。
起初， Revit 8.0 的 API 只能访问文档中的对象。经过长时间的研究之后便可以在 Revit 2010 版本的 API 进行文档对象的过滤以及族库的建立［35］，而自从 Revit 2012 版本 的面世以来，其 API 已经可以实现大量的定制拓展，以满足各个领域的需求。
Revit API能够提供软件各种应用的功能接口，促进Revit可视化功能和数据分析的 信息集成。 Revit 使用者可以根据操作需求进行功能拓展。 Revit API 则是通过与计算机 工作环境 Microsoft.Net Frame work 兼容的语言如：Microsoft Visual C#或 VB.Net 来进行 调用的。
5.2.2Revit API 介绍
5.2.2.1API 功能介绍
设计人员一般进行建模操作时只需要使用菜单栏中的按钮功能就可以实行。而 Revit 还提供了协助调用外部命令的程序接口 API,使得设计人员可以通过编写外部程序［36］, 从而对Revit中建立的模型数据进行批量操作。其能够实现的功能如下：
1） 可以通过插件的开发来达到访问模型信息数据的目的。
2） 在建模过程中,本来要进行多步才能完成的操作,通过一键化操作完成。
3） 通过接口对外部应用程序进行引用来实现对模型的操作。
5.2.2.2API 开发方式
当使用外部命令方式进行软件开发时，主要分以下几步进行操作［37］：
1 )需要新建类，并从 IExternal Command 接口派生；
2)然后重载 IExternal Command.Execute()方法；
3)添加用户代码实现命令功能。
Revit API开发工具有两种：一种是Visual Studio，针对Revit各种版本，一般选择 Microsoft Visual Studio 2013，引用接口组件文件 Revit API.dll、Revit API UI.dll，然后将 接口组件通过本地引用到模型上便可以执行相应的功能。第二种开发工具是 VSTA (Visual Studio Tools for Application)，是 Revit 自带的开发环境，这就类似于 Auto CAD 中的VBA或OFFICE中的VBA开发工具，VB.NET和C#语法都可以适用于VSTA的 操作。通过生成脚本宏的基本原理将程序附着在模型之上，通过宏的运行实现功能的操
运行程序查看结果
程序功能满足要求
图 5-1 Revit 二次开发流程示意图
5.2.3 SDK 开发工具包
在 Autodesk 官网上为全球的用户提供了 Revit SDK （Software Development Kit,软 件开发包）［39］, SDK 是指为特定的软件包、软件框架、硬件平台、操作系统等建立应用 软件的开发工具的集合。其通常包括用于调试和其他用途的实用工具,以及包括示例代 码、支持性的技术注解或者其他的支持文档。 SDK 文件中提供了大量示例代码、程序加 载工具、调试工具Revit Lookup、开发参考文档、Revit API使用说明性文档。通过SDK 文件基本上能够了解 API 的用法,开发者可以根据这些使用说明轻松访问建筑模型参数 信息,并进行查询和变更等操作。
下面以 Revit 2016 SDK 为例。 Revit 2016 SDK 就是专为 Revit 2016 版软体提供的开 发套件,在 SDK 资料夹中包含诸多文件如图 5-2 所示。
图 5-2 Revit SDK 工具包所包含的文件
Revit API接口需装配两个dll文件，Revit API.dll和Revit API UI.dll,它们在每个产 品安装目录中。从 Revit 2011 开始, dll 分成两个文件, DB 和 UI 各一个文件,之前只 有 Revit API.dll 一个文件。 Revit Architecture, Structure and MEP 包含相同接口装配 dll, 只要版本相同,三个产品的接口文件一样。如果对 Revit Structure 开发,可以引用 MEP 中的接口装配dll,但是有些接口只适用于特定的产品，比如使用了荷载类的二次开发程 序,只能在 Revit Structure 当中正确运行［40］。
图 5-3 Revit 2016 API 的命名空间
同时Revit 2016 SDK也提供了非常便捷的的加载项(Add-In Manager)，以及Revit Lookup等工具，如图5-4所示。Revit Lookup最早是随Revit 2011 SDK发布的一个开源 工具［41］。它的起初只是为开发者提供一个分析Revit数据结构的途径。不过随着其开发 团队的不断更新，目前Revit Lookup的功能已经较为完善，比如可以读取Revit对象属 性和参数、快速获取源代码以及快速查看对象数据等。
5.2.4 NET平台和C#语言
.NET 平台是一个微软推出的新型开发平台［42］，它建立在开放互联网络协议和标准 之上。.NET管理代码的执行不仅包括启动代码、分配内存、存储数据、权限管理，还帮 助释放某些不再需要的资源和内存。从技术角度划分， .NET 平台主要包括两个内核： CLR (Common language Runtime)通用语言运行时和NET平台类库，二者共同提供底 层技术支持使.NET平台得以实现。CLR负责中止线程和进程、强化安全系数和管理内 存分配、启动等工作，而.NET平台类库是一组可面向对象的集合，它可以为应用程序提 供各种高级的服务和组件，使绝大多数以前需要通过Windows API来完成的可以直接简 单的通过类库得以实现。
.NET 平台具有很多的优点［43］： 1)它支持多种编程语言，方便实用，操作简单；2) 它的内存管理机制和垃圾回收机制，可以防止发生内存泄漏现象；3)它能简化发布和管 理，缩短产品开发时间，从而提高运行效率。由于其诸多的优点， Auto Desk 公司从 Revit 的设计之初就开始全面支持.Net平台的API,其公开了 Revit的API,并提供了大量的托 管外包类供软件开发人员使用。 .NET 平台可以让用户通过编程的方法，运用许多不同的 汇编语言和程序集对Revit进行访问和拓展。并且在.Net框架下，开发人员可以使用任 何支持.Net的语言，如C++、C#、VB等。
图 5-5 .NET 平台优势
C#语言派生于C/C++,是一种专门用于.NET运行时的新型面向对象的编程语言。 C#的语法风格兼有C/C++的强大和Visual Basic的高效。C#不仅仅添加了托管执行环境， 更容易掌握［44］；还与 Web 结合紧密，完全面向对象设计，使得语言语法简洁、灵活性和 兼容性较强。因此在Revit二次开发中常常将C#语言作为理想的建筑结构信息模型的开 发工具，以此来提升开发效率和接口插件的质量。
5.3基于 SDK 的二次开发
5.3.1 利用外部命令拓展 Revit 功能
对于非计算机编程专业的工程设计师来说或许编写庞杂的代码比较有难度，难以编 写出高效的程序和算法来实现自身的需求，此时利用 Visual Studio 和 Revit API 相结合的 外部命令的方式来添加 Revit 执行命令可以使得问题得以简化［45］。
下面通过一个简单的算例来阐明创建外部命令的一般流程：首先在 Visual Studio 中 创建一个类库工程(Class Library),并引用Revit接口的定义文件RevitAPI.DLL和 RevitAPIUI.DLL ， 并 在 命名空间中引用 Autodesk.Revit 、 Autodesk.Revit.DB 、
Autodesk.Revit.UI，然后对命令类加属性，最后通过重载Execute()的方法在括号中添加 代码就能实现命令的功能，而此处的命令可以进行自定义的设置。
5.3.2基于 Ribbon 的 Revit UI 界面创建
在通过 Revit 建立的信息模型中最常利用到的便是查询各个构件信息的功能，而在 庞杂的海量信息中又以构件的属性值最为重要，在 Revit 中若想要查询构件的属性值， 需要每次都去选择所需的构件，再去点击功能栏中的属性值一栏才能查询相应的属性值。 [47]而如果通过 Visual Studio 的代码编写则可以实现自定义添加 Ribbon 选项页，创建属 于自己的按钮，并将所需的功能项赋予给自定义的按钮，如此一来便能实现功能的便捷 性查看，下面以构件的属性值功能为例，自定义属性值按钮，使设计师需要查看构件属 性时直接点击 Ribbon 选项页的自定义按钮，再点击所需查看的构件对象便能获取到其 属性值，而后再点击其他的构件对象便能切换到其他构件的属性值，无需通过系统原先 反复点击构件和族属性按钮，不仅提高了查询效率，而且可以任意自定义个性化的UI界 面，将许多常用的命令进行窗口化。
首先如果要创建自己的命令启动按钮，我们需要在 Ribbon Tab 页面内建立一个 Panel，
然后 Revit 启动时其自身需要调用一个名为 OnStartup 的函数来实现启动的功能，此 时我们便可以利用这个启动函数来创建出一个能够在 Revit 启动后看见属于自定义的那 个功能按钮，具体的操作步骤如下［48］： 1）在Visual Studio中新建一个类，实现IExternal Application的接口。2）重载OnStartup（）函数。3）在这个函数里面创建在Ribbon中自定 义的按钮和面板（Panel）。
在这个过程中最重要的是创建第三步中自定义的按钮，需要设计师提前将按钮定义 的数据创建好，并将其添加到 Panel 对象中，生成真实的按钮，然后对按钮进一步的定 义图片和说明信息。具体按钮生成的如图 5-11 所示。
Glue Clash Equipment Pinpoint Properties
图 5-11 Button 示意图
以上过程为自定义按钮创建的一般步骤及最终在 Ribbon 上呈现的效果展示，具体 的在 Visual Studio 中如何引用函数进行功能按钮的编程则如下图命令流所示，在编程过 程中需要注意的是函数名的引用要与 Revit API 内置的函数名一致[49]，否则无法实现功 能函数的窗口化。具体的命令流如图 5-12 和图 5-13 所示。
电 RevitDgv,GetAllParamgterValues Execute(External'CommandData CommandData, ref string
b using Sygtem：
using em. Collections. Generic:
using Eystem. Linq;
using. System. Text;
using Autodesk.Revit.DE：
using Autodesk. Eevit. UI:
using x^utodesk. Revit. Applicat-ionS er vices;
using, x^utodesk. Rev it. Attributes ;
us ing Sy st em. Vf indows. Forms :
using Autodesk. Eevit. UI.Selection：
E- namespace Re'；it-Dev
[Autodesk. Revit. Attributes. Transaction(x^utodesk. Revit. Attributes. TransactionMode. Manual)]
0个引用
public class G e+ Al IP ar:anet e r Value s : IE:< tgrn：alCommand
{ 0个引用
public Autodesk. Revit. UI. Flesult Execute (ExternalCojiuriandDat a CommandData, ref string messages, Element Set elements)
UIApp1ication uiApp = ConmandData. Application：
Autodesk. Revit* Jipp 1 icat-ionServices. Application app = uiApp. ^Application:
Doci.urient doc = uix^pp. ActiveUIDociurient-. Dociunent-;
Selection sei = uiApp.ActiveUIDocmnent. Selection：
图 5-12 命令流实现（1）
七 RevitDev.GetAllParameterValues Execute(ExternalCommandData Co
//please select an elenient
// sei. StatusbarTip = "Please select an element*:
sei. PickPoint("Please select an element*):
// sei. PickOne ();
Element elemPick = null ：|
foreach (Element elem in sei. E^enmits)
{
eleiTLF'ick = elem;
break;
string strParamlnfo = null:
foreach (Parameter param in elemPick. Parameters)
{
if (param. AsValueString ()! =null)
strParamlnfo R param. Definition. Name + "value is :" + param. AsValueString() + "\n" else
strParamlnfo R param. Definition. Name + "value is :" + param. AsString() + "\n";
}
MessageBox. Show(strParamlnfo);
return Autodesk. Revit. UI. Result. Succeeded:
图 5-13 命令流实现（2）
当完成以上所有的步骤之后，便可以使用自定义的这个Property功能按钮进行构件 属性的相关查询[50],此时不仅仅可以调出原有Revit自带的属性栏，同时还能生成一个 引用的项目管理器，这个管理器可以直接通过点击功能按钮弹出，里面包含了项目所有 的属性信息，而每一个族中的小构件都由系统自动生成了一个特有的编号，从而我们可 以通过拥有编号的的构件查询构件的相关信息，同时每一个构件对应的属性信息也包含
了共有属性信息和特定属性信息，具体的属性栏和项目管理器如下图所示。
图 5-14 自定义按钮的功能实现
图 5-15 项目管理器中的属性查看
5.4基于BIM的钢桥性能信息管理与利用
在 BIM 平台上将几何模型和信息模型建立好以后，接下来最重要的便是如何去管理 和使用信息模型中的信息，几何模型相当于一个人的骨骼所在，而信息模型则构建出了 人的血肉，信息的利用和传递则成为了人体血液循环的象征，因此要使一个模型建立得 有所价值就必须利用其中的关键信息对工程项目进行服务，上一章中我们讨论了桥面板 中存在的疲劳问题，并分别计算得到了顶板、横隔板以及u肋在四种不同的荷载工况下 的最大疲劳应力幅，并将相关的疲劳信息通过Dynamo批量输入到Revit的族属性栏里， 建立起了相关的疲劳信息模型，但是还未对这几个关键的构件进行疲劳检算，因此为了 能完善信息模型，并能让设计师在后期可以直接利用信息模型进行验算和审核，信息模 型中还将建立规范中疲劳检算的细节和内容［51］。
5.4.1 基于规范的手动疲劳检算
首先采用传统手算的方法根据《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64-2015)采用疲 劳荷载计算模型III的公式进行验算：
YFf“E2 < 需； 5-1
曲“2 < 丫皿『 5-2
YFf“E2 3 YFf^TE2 \ 5-3
(Ks^ac/yMf) (^Tc/yMf) < .
= (1 + ^^)Y(^pmax — Opmin) 5-5
”E2 = (1 + — Tpmin) 5-6
根据规范中的抗疲劳设计取值，疲劳荷载分项系数yFf=1.0,疲劳抗力分项系数顶板、 横隔板取YMf=1.35, U肋取YMf=1.15，尺寸效应折减系数饥=1.0。A0是验算伸缩缝附近 构件时，疲劳荷载乘上的放大系数，此处验算根据情况取A0=0。Y为损伤系数，Y=YiY2Y3Y4, 且Y < Ymax。Y1~Y4按规范的附录D计算。按最不利考虑，因此取Y = Ymax = 2.0。
A) 顶板验算
查得顶板纵向和横向均为对接焊缝，顶板为轧制截面横向全截面对接焊缝， 不设过焊孔的疲劳细节类别=110Mpa。
1.0 • AOl = (1 + A0)Y(°pmax _ Opmi/n) =64.76MPa 又因为有：
Ks^ac 1・0 • 110
—_-=…=81・ 48MPa
YMf 1.35
所以顶板疲劳设计满足规范要求。
B)横隔板检算
同理，查得横隔板横向对接焊缝，横隔板为轧制截面横向全截面的对接焊缝，其不 设过焊孔的疲劳细节类别=110Mpa。
1.0 • AO4 = (1 + A0)Y(°pmax _ 加)=63.50Mpa
所以横隔板横向疲劳设计满足规范要求。
C) U 肋检算
U肋的纵向接头，无垫板的全熔透对接焊缝疲劳细节的类别为Abc=110Mpa, U肋 与顶板焊接处，疲劳细节类别为=70Mpa。
1.0 •卜。2 = (1 + △0)Y(°pmax _ ^pmin) =82.66Mpa
所以 U 肋纵向疲劳设计满足规范要求。
1.0 • ^2 = (1+ ^0)Y(^pmax 一 ^pmin) =60.64Mpa
即卩： (1 + A0)Y(Opmax _ ^pmin) <
所以 U 肋与顶板交界疲劳设计满足规范要求。
综上所述，顶板、横隔板以及 U 肋在四种不同的荷载工况下计算得到的最大疲劳应 力幅满足规范要求。
5.4.2基于Revit信息模型的疲劳验算
在桥梁工程BIM技术应用中最为重要的是使用已建的信息模型去存储、传递和利用 所需要的信息，例如在桥梁设计阶段重点关注的便是如何有效的去根据一些桥梁性能信 息指标来反映当前桥梁设计中存在的问题［52］，例如钢桥面板的疲劳验算、局部构件的稳 定性验算等等，下面以钢桥面板的疲劳为例列举几种利用信息模型来验算计算结果。
5.4.2.1 基于族库信息框架的校核
按照前文的思路，首先仍然可以将疲劳验算一些相关录入到信息模型中的族库当中， 即第一种方法便是针对于每一个族库自身性能信息的构建，并结合规范进行校核［53］。
A）以横隔板的疲劳验算为例，首先完善横隔板族库的信息框架，即将我们所需要的 几个疲劳验算的指标通过Dynamo输入到Revit横隔板构件族库中,完善疲劳相关信息， 如下图5-16所示。
图 5-16 横隔板族库
图 5-17 疲劳细节参数查询栏
图 5-18 疲劳族信息框架
图 5-19 疲劳族信息框架
B）除了针对于每一类构件建立相关的校核信息以外，还可以单独的定义一个“空 族”来填充进疲劳部分的性能指标信息，这里也可以把它叫做“疲劳族”，将其定义好之 后便可以作为一个通用族的指标来衡量各个钢构件的抗疲劳设计是否满足设计规范，可 以将其他的族来与疲劳族一一对应校核，因此利用同样的方法用Dynamo将Excel中的 信息输入到Revit族库中建立疲劳族，如上图5-18所示。
同理，当建立完疲劳族库信息之后，还需要将规范上定义的九类疲劳细节录入到族 库的图像管理器里面，以方便设计者在进行抗疲劳设计时具体使用到哪一类的疲劳细节 可以直接通过疲劳族里面的疲劳细节这一栏当中点击查看，如图 5-19所示。
5.4.2.2 基于 SDK 二次开发的信息校核
由于疲劳族信息框架是在 Revit 构件族的模板基础上建立的，因此疲劳族本质跟构 件族一样，而有时候我们为了更加的方便系统化的查询和管理，通常还通过前面已开发 出的UI界面进行信息管理，即将其和Revit自身族库模板进行串联，使得信息模型更加 立体化。同时在新建的 UI 界面管理器中也可以存储疲劳相关的性能指标，从而达到点 对点的对相关构件进行疲劳验算。
首先打开Revit之后，在工具栏里找到之前自定义的属性查看图标，点击打开“Snoop
Objects”，并找到需要进行疲劳验算的那一块横隔板编号，再点击进入到二级属性查询栏
当中就会显示出当前横隔板的一些基本信息，具体操作如下图 5-20 所示：
叫 Snoop Objects
图 5-20 横隔板信息框架 然后再按上一节中介绍的利用 SDK 开发工具包在 Visual Studio 中进行 Revit 族查询 栏的调用，设置为验算类型选项栏，即可以直接通过点击<疲劳验算>这一栏调用出建立 好的通用疲劳族进行校核［54］。
同理，桥面板族中的顶板和 U 肋的信息管理系统建立如下所示：
□J Snoop Objects
图 5-21 顶板信息框架
图 5-22 U 肋信息框架
以上方法是通过SDK开发工具包进行的UI界面的应用开发，是独立于Revit自身 族库模板的，因此具有良好的拓展性和延伸性，可以将项目栏进行扩充的同时也可以再 次使用Excel对于信息后期的辅助管理。此外，在“Snoop Objects"中也有编辑属性的功 能阿，同样可以利用Dynamo进行疲劳相关信息的批量输入来建立一个跟疲劳族同样的 疲劳信息查看栏，如此会更加方便的进行所对应构件的抗疲劳设计和疲劳验算，建立完 成的疲劳信息查询栏如下图 5-23所示。
图 5-23 疲劳信息查看栏
上述的疲劳信息查询栏“Snoop Objects"中的二级引用栏，换而言之，我们可以通 过其再次引用已编辑好的通用疲劳栏进行疲劳校核，即不用再次调用通用疲劳族便可在 “Snoop Objects"中二级链接的疲劳验算进行相关规范的查询。
5.5 本章小结
本章主要阐述了如何通过SDK开发工具包和Visual Studio进行UI界面的简单开发, 并初步建立了桥梁性能信息管理查询界面和疲劳验算信息界面，进行疲劳验算校核。具 体得出结论如下：
（1） 设计人员一般进行建模操作时只需要使用菜单栏中的按钮功能就可以实行。而 Revit还提供了协助调用外部命令的程序接口 API[56],使得设计人员可以通过编写外部程 序批量操纵和访问 Revit 并实现对模型的可视化操作和参数分析的集成，而二次开发技 术则可以实现较多的自定义功能，延申了软件的可操作性。
（2） 在通过 Revit 建立的信息模型中最常利用到的便是查询各个构件信息的功能， 而在庞杂的海量信息中又以构件的属性值最为重要，在Revit中若想要查询构件的属性 值，需要每次都去选择所需的构件，再去点击功能栏中的属性值一栏才能查询相应的属 性值，而如果通过Visual Studio的代码编写则可以实现自定义添加Ribbon选项页，如此 一来便可以更为方便的对自己所需要的功能进行模块化，为后面的信息管理提高效用。
（3） 最后通过二次开发可以将桥梁性能信息和所需要的抗疲劳设计相关规范信息 进行独立化管理，即可以不依附于原有的Revit构件族，而通过自定义进行信息的整合， 如此一来不仅仅可以提高效率，而且使得信息的管理更加的规范化和透明化。
结论
本文以贵安新区歆民路跨车田河桥梁工程为例，介绍了现阶段三维设计应用，并举 例说明了该桥设计过程中运用到的相关BIM技术应用，同时引入国外当前应用的部分体 系，结合本项目自身情况总结了一套分类和编码的方法，阐述了如何在 Revit 中利用 Dynamo 插件的可视化编程功能来进行信息的批量输入与输，提高桥梁信息模型建立的 效率，并借助SDK开发工具包和Visual Studio进行UI界面的简单开发，初步建立了桥 梁性能信息管理查询界面和疲劳验算信息界面，进行疲劳验算校核［57］。主要结论如下：
（1） 一座桥梁进行三维协同设计时应该先对其进行等级划分，即按控制线划分出构件 的等级，以便于设计阶段的协同和施工阶段的安装，基于BIM平台的三维可视化设计是 对项目进行系统化的管理，贯穿整个桥梁工程项目的全生命周期，实现了从前期勘察到 后期管养的整个过程，使得桥梁信息化更加完善。
（2） 信息的分类和编码在各个领域都有所不同，但是其根本还在于三个信息分类的基 本原则，本文引入美国国家桥梁数据库（NBI）和开放式桥梁信息模型（OpenBrIM）并 结合自身桥梁的特点建立了一套符合斜腿刚构桥的信息分类和编码框架。将桥梁性能信 息指标作为重点引入到信息模型中使桥梁BIM模型具备了自有属性，桥梁BIM模型便 具备了真正意义上的移动数据库功能，能为后面的管养阶段提供重要数据支撑。
（3） 斜腿刚构桥中的几何信息、性能信息等较为庞杂，且不能实现批量化的输入与输 出，后期信息的修改和完善也显得比较困难，通过Dynamo的批量化操作将Excel中的 信息模型导入到 Revit 当中不仅大大提高了工作效率，而且对于后期信息的修改和完善 也更加便利。利用基于Revit平台的二次开发插件Dynamo对模型进行可视化编程［58］, 可以使得建模过程更为方便快捷，省时省力，更易于进行程序性排错。
（4） 通过有限元软件计算出斜腿刚构桥桥面板在不同荷载工况下的应力水平，再通过 规范中的抗疲劳设计算出应力幅大小并人工进行校核，而后利用Revit中的族模板对疲 劳信息进行输入构建出疲劳信息框架模型，同时也建立起疲劳规范的构件族来独立管理 以便于在模型中进行校核，达到了有效利用性能信息的目的。
（5） 在通过Revit建立的信息模型中最常利用到的便是查询各个构件信息的功能，而 通过Visual Studio的代码编写则可以实现自定义添加Ribbon选项页，对自己所需要的功 能进行模块化，为后面的信息管理提高效用。通过二次开发可以将桥梁性能信息和抗疲 劳设计相关规范信息进行独立化管理，即可以不依附于原有的Revit构件族，而通过自 定义进行信息的整合，不仅仅提高效率，而且使得信息的管理更加的规范化和透明化。
不足和展望：
（1）由于BIM技术范围较广，而本课题难以全部包含，因此仅仅基于斜腿刚构桥的 特例进行BIM技术应用的研究。
（2） 目前国内外对于市政交通领域内的 BIM 信息分类和编码规则仍然不够完善，各 个国家没有一套相对通用的规范，而本文中的 BIM 信息框架的构建也是参照美国的相关 规范，并结合自身桥梁结构的特殊性进行探讨，有待于进一步的完善和拓展。
（3） 本文中利用 Dynamo 和 SDK 开发工具包对 Revit 平台上的 UI 界面的开发仅仅 是一个初步的探索，其美观性和功能性尚需要加强。
致谢
首先非常感谢我的导师何畏老师在本文写作过程中给予的引导和启发，老师的独特 的见解常引领我思考。十分感谢导师在研究生期间对我在学术和课业上悉心的栽培，以 及生活上的照顾。感谢导师带领我参加国际学术会议，使我获得宝贵的宣讲经验和人生 经历，让我可以将知识与实践相结合，做到学以致用，何老师渊博的学识和广阔的胸怀 是我毕生所要努力追求的目标，我将继续努力学习，将老师所传授的知识灵活运用到今 后的工作当中，以不辜负老师的厚望。
同时感谢我的师兄王昌杰、赵喻贤和陈人龙对我论文中计算和编程部分内容的指导 和帮助，以及同门鲁思宁和师弟肖柯利、李林、靳彦军的陪伴与付出。
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