復(fù)雜鋼桁拱橋全參數(shù)化建模方法

鄧 捷，石峻峰，王 波，趙訓(xùn)剛

(1 湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068；2 中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司，湖北 武漢 430034)

我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平不斷提高，在橋梁工程結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜程度與施工難度普遍增加的挑戰(zhàn)下，建筑信息模型(BIM)的信息化優(yōu)勢已為橋梁工程帶來設(shè)計和施工水平的提高。近年來BIM參數(shù)化建模技術(shù)不斷推動橋梁信息化模型的開拓與創(chuàng)新，但現(xiàn)如今在復(fù)雜鋼桁拱橋建模應(yīng)用中依然存在“參數(shù)化容易，全參數(shù)化難”的實際問題。

在已有相關(guān)文獻中，孫建誠等[1]、趙偉蘭等[2]通過Autodesk公司產(chǎn)品Revit軟件，使用橋梁三維參數(shù)化方法，解決了多跨混凝土橋與互通立交橋建模問題；郝蕊等[3]通過CityEngine軟件與CGA規(guī)則結(jié)合，依據(jù)參數(shù)化驅(qū)動模型方法，完成鐵路橋梁三維模型的構(gòu)建；王茹等[4]運用Dynamo插件對公路立交復(fù)雜橋體進行建模研究，提高建模效率。

以上文獻中建模方法局限于參數(shù)化建模，模型精度停留在LOD100-300階段，在此階段模型僅能進行三維展示與方案設(shè)計方面的應(yīng)用，而構(gòu)件精細尺寸的技術(shù)需求與施工方案推演的應(yīng)用需求均難以完成，此類參數(shù)化建模手段完成的模型仍需后期大量人工合模，作為達到竣工交付和運營維護的模型要求相差甚遠。因此，這里提出全參數(shù)化概念，利用“B-Rep”建模方法以及“R+GH+TS”協(xié)同設(shè)計平臺對復(fù)雜鋼桁拱橋建立LOD500全參數(shù)化信息模型，解決復(fù)雜構(gòu)件建模難、模型協(xié)同實際應(yīng)用難、后期修改模型難等問題，提升設(shè)計效率，降低施工成本，實現(xiàn)模型從設(shè)計到施工全方位應(yīng)用。

1 模型全參數(shù)化方法

現(xiàn)有參數(shù)化方法形成的模型存在LOD等級低、復(fù)雜構(gòu)件建模難、模型協(xié)同應(yīng)用難等實際問題，這里提出BIM模型全參數(shù)化概念，以數(shù)據(jù)層、邏輯層、模型層三個層面，通過邊界表示法構(gòu)建板形，結(jié)合協(xié)同設(shè)計平臺全方位建立三維模型，并達到LOD500模型交付程度，實現(xiàn)4D模擬、輸出構(gòu)件清單表、查詢構(gòu)件吊裝重心等實際應(yīng)用。

1.1 全參數(shù)化概述

全參數(shù)化(Fully Parametric)是參數(shù)化(Parametric)概念的延申，自20世紀60年代起參數(shù)化建模概念被應(yīng)用到數(shù)字化行業(yè)的各種領(lǐng)域[5]，至今參數(shù)化概念中邏輯與關(guān)聯(lián)的特性使得形體與數(shù)據(jù)之間產(chǎn)生聯(lián)系，并由數(shù)據(jù)驅(qū)動模型[6]；傳統(tǒng)參數(shù)化方法常用來解決某異形構(gòu)件特殊形體的建模問題，普遍使用構(gòu)件結(jié)構(gòu)參數(shù)而非利用空間幾何數(shù)學(xué)關(guān)系建立模型，孤立模型信息中各構(gòu)件之間的關(guān)聯(lián)性，且在BIM技術(shù)領(lǐng)域，傳統(tǒng)參數(shù)化難以滿足其信息量大、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性強的模型要求。在復(fù)雜鋼桁拱橋中，傳統(tǒng)參數(shù)化需逐步完成鋼桁拱結(jié)構(gòu)中各單一節(jié)點建模，并參考工序依次完成節(jié)點的拼接與合模，工作效率低且后期修改難度大；而全參數(shù)化基于圖紙整體數(shù)據(jù)，分析模型中空間邏輯關(guān)系以及控制點定位關(guān)系，分類建立數(shù)學(xué)模型以適應(yīng)各零件之間的數(shù)學(xué)聯(lián)系與映射，提高模型數(shù)據(jù)性與關(guān)聯(lián)性，通過其數(shù)據(jù)接口的連接提高了模型的協(xié)同性，實現(xiàn)高精度高效率數(shù)字化建模(表1)。

表1 傳統(tǒng)參數(shù)化與全參數(shù)化對比

1.2 “B-Rep”法編譯模型

在解決全參數(shù)化模型問題的過程中，軟件開發(fā)者基于Rhino-GH插件，普遍使用“構(gòu)造幾何實體法”(Constructive Solid Geometry ，CSG)和“邊界表示法”(Boundary Representation ，BR)構(gòu)建模型[7]。其中全參數(shù)化建?；跀?shù)據(jù)層提取各構(gòu)件參數(shù)信息，選擇以“B-Rep”法完成構(gòu)件的表面邏輯，通過定義空間邊界面依次連接空間點，從2D線模型至3D體模型逐步實現(xiàn)實體對象的制作。

復(fù)雜鋼桁拱橋節(jié)點板構(gòu)造形式復(fù)雜，且構(gòu)件形體間具有一定數(shù)學(xué)邏輯。以數(shù)據(jù)層為基礎(chǔ)，完成圖紙數(shù)據(jù)提取、EXCEL構(gòu)件類型數(shù)據(jù)分類；以邏輯層為建模核心，逐步完成基礎(chǔ)橋墩橋臺、主桁結(jié)構(gòu)、橋面結(jié)構(gòu)全參數(shù)化邏輯、空間定位點與結(jié)構(gòu)線等建模準備工作；以模型層為應(yīng)用重點，通過模型空間邏輯與拓補關(guān)系形成全參數(shù)化模型。結(jié)合全參數(shù)化建模思路，在數(shù)據(jù)層分析數(shù)據(jù)可執(zhí)行性，提出分類數(shù)據(jù)方法；在邏輯層通過“B-Rep法”完成數(shù)據(jù)到模型的轉(zhuǎn)換，以關(guān)鍵點與關(guān)鍵線段形成模型構(gòu)件邊界，初步形成2D構(gòu)件平面邏輯；并基于整體模型結(jié)構(gòu)，通過放樣、拉伸組合等模型拼裝工作，在模型層結(jié)合2D平面邏輯與模型拓補關(guān)系，初步形成3D參數(shù)化模型(圖1)。形成的全參數(shù)化模型滿足模型構(gòu)件邏輯合理性，提升建模效率；基于真實的工程項目，通過“B-Rep法”形成的全參數(shù)化模型更具有合法性，且BIM信息技術(shù)的現(xiàn)代化和隱含模型信息的廣度決定了在復(fù)雜鋼桁拱橋全參數(shù)化建模解決方案中的必要性與可行性。

圖1 全參數(shù)化模型流程

1.3 “R+GH+TS”協(xié)同設(shè)計平臺

為提高BIM模型精度、提升建模效率、充分發(fā)揮模型應(yīng)用價值，基于全參數(shù)化理念與建模方法，結(jié)合相關(guān)專業(yè)軟件，提出“R+GH+TS”協(xié)同設(shè)計平臺。此模型平臺的設(shè)計集成了建筑學(xué)專業(yè)領(lǐng)域強大的形體設(shè)計軟件Rhino、數(shù)據(jù)化設(shè)計方向的可視化編程語言Grasshopper(簡稱GH)、鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域?qū)I(yè)模型軟件Tekla Structure(簡稱TS)，即以TS為模型核心、“R+GH”為建模手段的全參數(shù)化協(xié)同設(shè)計平臺。

在全球范圍內(nèi)，Trimble公司旗下TS軟件在鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的專業(yè)程度遠遠領(lǐng)先其他建模軟件，對于以鋼結(jié)構(gòu)為主的BIM模型，TS以清單化模型管理、全方位標準型鋼構(gòu)件庫、開放的文件接口等優(yōu)勢，為鋼結(jié)構(gòu)項目提供快速、標準、多樣的建模方式以及批量化、可視化的模型管理方式。在異形構(gòu)件、空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鋼桁拱結(jié)構(gòu)橋體中，將EXCEL數(shù)據(jù)處理為GH數(shù)據(jù)列表與空間點坐標數(shù)據(jù)，形成以GH為基礎(chǔ)的邏輯結(jié)構(gòu)和以Rhino為基礎(chǔ)的空間骨架，完成構(gòu)件定位工作；結(jié)合TS軟件與GH的數(shù)據(jù)互通原則，將構(gòu)件型材的信息生成CLB數(shù)據(jù)文件并導(dǎo)入TS軟件，形成全參數(shù)化模型；并基于其模型精度高、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性強等特點，完成LOD500模型交付，將4D模擬、構(gòu)件清單表、構(gòu)件吊裝重心應(yīng)用于實際項目，實現(xiàn)平臺的應(yīng)用功能。此協(xié)同設(shè)計平臺充分利用TS軟件優(yōu)勢進行鋼結(jié)構(gòu)模型深化應(yīng)用，并基于GH插件二次開發(fā)再次打通與TS軟件無格式轉(zhuǎn)化連接的技術(shù)瓶頸，保證模型從數(shù)據(jù)層到應(yīng)用層的連續(xù)性，真正實現(xiàn)全參數(shù)化、全過程協(xié)同設(shè)計。協(xié)同設(shè)計平臺如圖2所示。

圖2 協(xié)同設(shè)計平臺

2 復(fù)雜鋼桁拱橋全參數(shù)化建模應(yīng)用

2.1 項目概況

1)工程概況 此項目為武漢市城市規(guī)劃第七座跨漢江通道江漢七橋工程，全長約2.754 km，主橋鋼梁采用132 m+408 m+132 m三跨連續(xù)系桿拱橋，鋼梁全長674 m，主橋標準桁寬34 m，標準橋面寬度47 m，兩側(cè)邊跨為變高度桁梁，中跨為鋼桁系桿拱。主桁立面布置圖如圖3所示。

圖3 主桁立面布置圖

2)工程特點 該項目主跨408 m，屬于國內(nèi)同類型橋梁第二，單根拱肋桁架桿件吊重100 t，單個鋼橋面板階段吊重250 t，屬于國內(nèi)同類橋梁結(jié)構(gòu)桿件最大吊重，拱肋上弦部分線形采用二次拋物線，并與邊跨上弦之間采用圓曲線進行過渡?；谠摌蛄喉椖靠缍却?、單個構(gòu)件吊重大、鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點連接形式具有數(shù)學(xué)邏輯性、施工工序繁多、多專業(yè)協(xié)調(diào)困難等特點，因此該工程利用全參數(shù)化BIM技術(shù)進行建模以及模型深化應(yīng)用，從設(shè)計到施工全參數(shù)化把控鋼結(jié)構(gòu)出場、構(gòu)件吊裝以及相關(guān)工程數(shù)量核對工作。

2.2 全參數(shù)化建模

在復(fù)雜鋼桁拱橋全參數(shù)化建模過程中，以鋼桁拱橋結(jié)構(gòu)特性將其分為鋼桁拱與橋面板兩部分建模，提取拱圈某節(jié)點與橋面板某特殊跨段，借助全參數(shù)化建模方法完成構(gòu)件表面局部邏輯，由模型協(xié)作平臺完成全橋建模。

2.2.1 鋼桁拱結(jié)構(gòu)形體全參數(shù)化本項目鋼桁拱結(jié)構(gòu)中，拱圈上下弦桿為焊接箱型截面，主桁節(jié)點與上下弦主桁桿件構(gòu)成整體結(jié)構(gòu)，聯(lián)結(jié)系拱肋上弦設(shè)置縱向通長的菱形桁式平縱聯(lián)，各節(jié)點構(gòu)造形式一致，借助全參數(shù)化工具完成此類局部映射整體的模型思路。

利用“B-Rep”法，通過分析典型下弦桿件立面圖并建立如下數(shù)學(xué)關(guān)系(圖4)：桿件中心點為原點O，下弦桿五肢對應(yīng)方向逆時針定義為長度參數(shù)Ln(l1、l2、l3、l4、l5)與關(guān)鍵點標號A、B、C、D、E，由各關(guān)鍵點與原點O連線的法向量方向分別定義模型邊界點標號A'、A”、B’、B”、C’、C”…，其長度參數(shù)為H(ha、hb、hc、,hd、he)，節(jié)點突出部分板截面斜率為a=1/4，b=1/2，且兩肢之間連接線相切得到的原切角半徑為參數(shù)R=r，此處r=600(不同節(jié)點部分下弦桿件半徑不同，故定義為參數(shù)R)。通過完整的閉合邏輯提取所有的控制點形成結(jié)構(gòu)線，結(jié)合空間坐標形成三維形體。邊界表示法中所有數(shù)據(jù)均以參數(shù)表示，n表示節(jié)點分支數(shù)與關(guān)鍵點個數(shù)，依照相同計算方式，亦能形成n肢節(jié)點的三維實體。

圖4 下弦桿立面

通過以上方式，生成聯(lián)結(jié)系、肋板等所有同類型構(gòu)件，且通過協(xié)同設(shè)計平臺打開數(shù)據(jù)對接端口，給出數(shù)據(jù)即可生成全參數(shù)化鋼桁拱結(jié)構(gòu)部分模型。數(shù)據(jù)驅(qū)動主桁模型如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)驅(qū)動主桁模型

2.2.2 橋面板結(jié)構(gòu)形體全參數(shù)化對于本橋橋面結(jié)構(gòu)采用正交異性鋼橋面板，頂面由道路中心線向外側(cè)設(shè)置2%橫坡，底部采用縱向通長的U型閉口肋及I型肋加勁，結(jié)合橋面系面板構(gòu)造形式相同、參數(shù)不一的特點，此處以全參數(shù)化方式生成橋面橫隔板Q1至Q5共五跨橋面板結(jié)構(gòu)。

Q1橋面板結(jié)構(gòu)部分由節(jié)點衡梁、U型加勁肋、I型加勁肋、橫梁、底板等構(gòu)成，節(jié)點橫梁部分結(jié)合數(shù)學(xué)關(guān)系以及邊界表示法完成全參數(shù)化面板建立，U型、I型加勁肋沿基線長拉伸形成精準長度的標準構(gòu)件，U槽截面中心點O(x，y，z)依次放置標準構(gòu)件至面板部分Un(u1、u2、u3…), 和主桁部分In(i1、i2、i3…) 。平面布置圖如圖6所示，節(jié)點橫梁依據(jù)橫梁頂點坐標Pn(x1，y1，z1)依次沿關(guān)鍵點坐標拼接并基于主桁中心線生成多個面板依次鋪設(shè)Q1、Q2、Q3等。數(shù)據(jù)驅(qū)動橋面模型如圖7所示。

圖6 平面布置圖

圖7 數(shù)據(jù)驅(qū)動橋面模型

2.2.3 全參數(shù)化平臺模型“R+GH+TS”全參數(shù)化平臺是江漢七橋BIM模型的核心，實現(xiàn)模型的全參數(shù)化互通。本項目鋼結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、種類繁多，單靠參數(shù)化建模對模型進行后期修改與合模任務(wù)量大，此平臺聯(lián)通三個建模功能強大的軟件，解決了特殊節(jié)點建模難的問題；通過“GH for Tekla”插件完美對接Tekla數(shù)據(jù)接口，基于鋼桁拱結(jié)構(gòu)與橋面板結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模，以“R+GH”為數(shù)據(jù)層和邏輯層核心生成CLB數(shù)據(jù)文件、Tekla為模型層核心提取CLB數(shù)據(jù)，將多個分離的模型通過空間結(jié)構(gòu)線聯(lián)結(jié)形成完整全參數(shù)化模型，且模型互通過程中無數(shù)據(jù)丟失；其中CLB數(shù)據(jù)中包含鋼桁拱結(jié)構(gòu)和橋面結(jié)構(gòu)等所有構(gòu)件定位點信息以及構(gòu)件尺寸參數(shù)信息，突破了模型后期設(shè)計變更以及修改模型任務(wù)量大的技術(shù)瓶頸。此平臺的應(yīng)用將江漢七橋建模項目從60 d周期縮短為14 d周期，建模人員從三位專業(yè)BIM技術(shù)員減少為一位，并極大提高模型應(yīng)用效率，真正實現(xiàn)全參數(shù)化模型應(yīng)用?！癛+GH+TS”協(xié)同設(shè)計平臺工作面板如圖8所示。

圖8 “R+GH+TS”協(xié)同設(shè)計平臺工作面板

2.3 應(yīng)用效果

全參數(shù)化模型主要利用了數(shù)據(jù)化的方式將復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型與空間幾何關(guān)系進行整合，通過“B-Rep”法則編譯模型，提高模型數(shù)據(jù)準確性與關(guān)聯(lián)性，且“R+GH+TS協(xié)同設(shè)計平臺”參數(shù)可提取、可修改等特性為模型帶來更有價值的利用空間。其應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下方面。

1)4D模擬應(yīng)用。基于此協(xié)同設(shè)計平臺模型數(shù)據(jù)化，其導(dǎo)出模型格式眾多的特點，將模型整體導(dǎo)出為Navisworks軟件可接收的FBX文件，保留源模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，結(jié)合項目施工進度計劃添加構(gòu)件日期[8-9]，并輸出視頻格式文件進行可視化施工管理。

2)構(gòu)件清單表。通過全參數(shù)化協(xié)作平臺建立的模型，基于Tekla管理器模塊有效地導(dǎo)出用戶所需模型信息。管理器包含類別中包含屬性類別、材質(zhì)、位置信息、以及構(gòu)件基本參數(shù)屬性，本項目根據(jù)施工進度要求依次導(dǎo)出橋面板節(jié)點橫梁、橋面加勁肋、主桁橫隔板、主桁螺栓等構(gòu)件參數(shù)信息(表2)，施工方依據(jù)表格數(shù)據(jù)與模型結(jié)合進行復(fù)核，復(fù)核無誤后傳至鋼構(gòu)加工廠進行構(gòu)件加工與預(yù)拼裝，提高施工方信息準確性，并促進鋼構(gòu)出廠效率的提升。

表2 主桁螺栓信息參數(shù)表

3)構(gòu)件吊裝重心?；诒卷椖繂蝹€構(gòu)件吊重大，運送吊裝構(gòu)件交通情況復(fù)雜的實際情況，構(gòu)件抵達現(xiàn)場后大型器械姿態(tài)轉(zhuǎn)體調(diào)整十分困難，所以構(gòu)件出廠前需提前確定吊裝點以及裝車姿態(tài)，以保證其結(jié)構(gòu)運輸拼裝等階段一次完成。全參數(shù)化模型通過模型數(shù)據(jù)提取，精準的確定桿件重心位置，并自動生成相關(guān)尺寸標注，為設(shè)置構(gòu)件合理吊點提供數(shù)據(jù)支持，極大提高鋼構(gòu)出廠吊裝效率、減少施工周期以及現(xiàn)場施工器械租賃成本。構(gòu)件重心尺寸見圖9。

圖9 構(gòu)件重心尺寸圖 mm

3 結(jié)束語

橋梁工程建設(shè)周期長、施工難度大，鋼桁拱橋結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，構(gòu)件種類繁多，對此類橋梁工程進行BIM全參數(shù)化建模的過程中，技術(shù)管理人員在設(shè)計、施工階段通過模型與實際情況的融合進一步優(yōu)化設(shè)計施工方案尤為重要。鑒于此，對比全參數(shù)化與傳統(tǒng)參數(shù)化的不同，并提出基于全參數(shù)化的“B-Rep”法建模手段以及“R+GH+TS”協(xié)同設(shè)計平臺，克服傳統(tǒng)參數(shù)化模型局限性、單一性、精確性的問題，提高模型數(shù)據(jù)準確性，加強模型數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)程度以及建模協(xié)同性，解決了復(fù)雜鋼桁拱橋特殊節(jié)點、特殊構(gòu)件建模難題，實現(xiàn)了模型指導(dǎo)施工的現(xiàn)場拼裝應(yīng)用方法，方便技術(shù)交底、減少施工周期、節(jié)約建設(shè)成本，真正體現(xiàn)了BIM模型在復(fù)雜鋼桁拱橋中全階段、全參數(shù)化的協(xié)同與應(yīng)用。