典型結(jié)構(gòu)橋梁三維參數(shù)化設(shè)計技術(shù)研究

元 宇 孟祥蔭

（華設(shè)設(shè)計集團股份有限公司，江蘇 南京210014）

現(xiàn)階段，BIM技術(shù)在典型橋梁上的應(yīng)用是一個熱點話題，為了推動我國鋼結(jié)構(gòu)橋梁和制造企業(yè)向數(shù)字化轉(zhuǎn)型，實現(xiàn)建造業(yè)工業(yè)化、標準化及智能化，BIM技術(shù)的應(yīng)用可以成為制造業(yè)向高質(zhì)量、高標準發(fā)展的突破口。

通過BIM三維參數(shù)化設(shè)計降低設(shè)計難度，同時提高設(shè)計精度，促進典型結(jié)構(gòu)橋梁在橋梁建設(shè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

1 參數(shù)化設(shè)計理論

參數(shù)化設(shè)計應(yīng)用廣泛，對于不同領(lǐng)域具有不同的應(yīng)用價值，早在工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展及應(yīng)用，隨著科技發(fā)展，不斷拓展業(yè)務(wù)，對于建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，也在嘗試性應(yīng)用推廣，所謂參數(shù)化設(shè)計，就是通過設(shè)定邊界條件把影響因素集合在一起，再通過計算機語言編程將數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為另外一種形式，例如：圖像、聲音、行為等。參數(shù)化設(shè)計通過設(shè)計師構(gòu)想把參數(shù)化模型中的其中一個參量進行改變，使其通過另一種形式展現(xiàn)出來，不再像傳統(tǒng)設(shè)計模式，通過設(shè)計構(gòu)想形體，再利用紙質(zhì)形式描述出來，這種設(shè)計流程大大增加了設(shè)計工作難度，并且有一定的局限性。參數(shù)化設(shè)計借助計算機運行處理對于簡單形體不是很明顯，但對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，卻體現(xiàn)的淋漓盡致，通過改變一個設(shè)計條件，幾何形體也隨著發(fā)生改變。對于一個設(shè)計項目來說，設(shè)計方案可能隨時都會發(fā)生改變，同時，設(shè)計參數(shù)也相應(yīng)發(fā)生大幅度改變，隱形的增加了設(shè)計難度，拖延了設(shè)計進度，但如果通過參數(shù)化平臺就可以實時改變參數(shù)，對形體進行重新改變，達到最終設(shè)計效果。

2 典型結(jié)構(gòu)橋梁三維參數(shù)化設(shè)計

2.1 適用于工業(yè)化生產(chǎn)的典型結(jié)構(gòu)橋梁構(gòu)件庫研究

對于BIM設(shè)計，主要以“模型+骨架”的建模思想對典型結(jié)構(gòu)橋梁進行三維模型創(chuàng)建，“骨架”的作用是確定各個構(gòu)件在模型整體中位置關(guān)系的一些簡單元素，可能會以點、線、面等形式作為位置參考標準，利于模型構(gòu)件的組合與創(chuàng)建。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)節(jié)點信息創(chuàng)建系列坐標系，為各個不同位置的鋼橋構(gòu)件提供參考面?！澳０濉庇射摌駼IM標準件和鋼橋BIM模型庫組成，通過發(fā)號信令可實現(xiàn)對模型庫里的構(gòu)件自行裝配，達到快速建模的目的，大大減少了設(shè)計人員對BIM模型更新和修改的時間和程序，降低了工程拖入成本?；贑ATIA 的橋梁構(gòu)件如圖1所示。

2.2 基于構(gòu)件庫的橋梁建模方法研究

2.2.1 鋼箱梁節(jié)段上的球扁鋼、U 型肋板和翼緣板等屬于常用輔助構(gòu)件，與標準件庫里的構(gòu)件比較相似，所以，可以對其進行簡單修改并儲存在BIM模型的構(gòu)件庫里。首先，在CATIA 平臺編輯器里，通過對構(gòu)件精細化設(shè)計，定義尺寸范圍，確定構(gòu)件之間約束關(guān)系，再通過在公式功能編輯器里，對構(gòu)件賦予材料、尺寸等參數(shù)信息，與橋梁三維模型形成一一對應(yīng)關(guān)系，形成聯(lián)動機制，從而使模型受到控制參數(shù)和關(guān)聯(lián)公式的驅(qū)動，經(jīng)過配置后，使模型中的設(shè)定參數(shù)均能被設(shè)計表中的參數(shù)所驅(qū)動，從而得到標準件庫。

圖1 基于CATIA 的橋梁構(gòu)件

2.2.2 針對鋼箱梁節(jié)段模型，利用知識工程的二次開發(fā)功能進行橋梁結(jié)構(gòu)BIM模型庫的創(chuàng)建，以產(chǎn)品知識庫的建立為基礎(chǔ)進行模型的參數(shù)化建模，預(yù)先建好節(jié)段參數(shù)化模型，添加模型對應(yīng)的參數(shù)，為幾何模型定義尺寸約束關(guān)系并進行公式編輯，實現(xiàn)用參數(shù)變量驅(qū)動幾何尺寸。在模型參數(shù)化的基礎(chǔ)上，針對模型中存在的參數(shù)設(shè)計人機交互界面，用戶通過制定的參數(shù)輸入對話框來進行所有相關(guān)操作，后臺調(diào)用CATIA 軟件提供的二次開發(fā)接口API 和運行編制的程序修改模型中關(guān)聯(lián)的參數(shù)值，同時，根據(jù)用戶選擇的標準件型號從本地標準件庫加載到產(chǎn)品中進行自動裝配，進而創(chuàng)建非特定結(jié)構(gòu)參數(shù)模型。為滿足用戶定制化需求，訪問后臺模型信息數(shù)據(jù)庫，進行一些基本信息的保存與編輯。

2.3 典型結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計參數(shù)數(shù)據(jù)及力學分析信息構(gòu)成研究

2.3.1 BIM模型與局部分析數(shù)據(jù)融合研究

局部計算后形成的云圖數(shù)據(jù)文件，將其一一映射到BIM模型上，使其能滿足后處理的要求。計算數(shù)據(jù)與BIM模型融合的關(guān)鍵就在于能否在BIM模型中識別到計算時軟件劃分的網(wǎng)格，在BIM模型中找到對應(yīng)的計算分析網(wǎng)格位置點，并將計算軟件的數(shù)值作為一個屬性賦予給該節(jié)點，通過對數(shù)據(jù)的重構(gòu)即可完成BIM模型與力學分析數(shù)據(jù)的融合。

2.3.2 整體計算與局部計算集成研究

基于BIM模型，得出的力學分析數(shù)據(jù)包括整體計算和局部分析兩大部分。兩部分數(shù)據(jù)是采用不同軟件進行計算分析，導致無法同時查看兩個數(shù)據(jù)庫，無法校核整體與局部分析的準確性。因此，首先將整體計算一一映射到模型實體中，然后，根據(jù)局部計算的區(qū)域清除整體計算的數(shù)值，并重新賦予局部計算的力學數(shù)值。通過兩者的結(jié)合可以清楚地展示出兩者計算的準確性。

圖2 BIM 模型與力學分析數(shù)據(jù)融合

2.3.3 力學數(shù)據(jù)與模型的聯(lián)動

實現(xiàn)力學數(shù)據(jù)與模型的聯(lián)動，需要對路線初始骨架進行特殊補償處理，當未進行力學計算時，CATIA 模型中的路線力學補償值為0，當進行計算后，補償值則按照各節(jié)段的變形值作為補償值，路線的縱斷面則會發(fā)生相應(yīng)的變化，而基于“骨架+模板”技術(shù)，實體模型會隨著骨架發(fā)生自適應(yīng)變化。

3 基于三維數(shù)字模型的快速出圖方法研究

在初步設(shè)計與施工圖設(shè)計階段，通過參數(shù)化設(shè)計手段對設(shè)計方案進行比對及調(diào)整后，在BIM 模型平臺中，可直接正向出圖，且二維視圖與三維模型可以相互關(guān)聯(lián)及轉(zhuǎn)化，只要一方對模型進行調(diào)整，相應(yīng)一方也會隨著發(fā)生改變，利用BIM 平臺出圖的優(yōu)勢在于可以通過參數(shù)化程序修改三維模型即可修改二維圖紙的效果，極大地提高了設(shè)計效率。未來設(shè)計提交的成果將是包含完整的橋梁力學數(shù)據(jù)、文字類型的設(shè)計數(shù)據(jù)及三維幾何模型的三維數(shù)字模型，為滿足當下設(shè)計行業(yè)規(guī)定，需要提交圖紙作為設(shè)計成果。解決方案是通過對三維數(shù)字模型進行解析，讀取其設(shè)計數(shù)據(jù)及三維模型，以實現(xiàn)二維圖紙快速生成，選用BIM協(xié)同平臺對橋梁結(jié)構(gòu)進行正向出圖，圖3 所示為數(shù)字化設(shè)計三維圖。

圖3 數(shù)字化設(shè)計三維圖

4 結(jié)論

工業(yè)化制造中制造決策與信息追蹤是典型結(jié)構(gòu)橋梁為日后大規(guī)模推廣應(yīng)用現(xiàn)階段想要解決的關(guān)鍵問題，本文根據(jù)典型結(jié)構(gòu)橋梁結(jié)構(gòu)特征，基于CATIA 平臺對典型結(jié)構(gòu)橋梁三維模型進行拆分，對各構(gòu)件賦予信息屬性，形成橋梁標準構(gòu)件庫和模型庫，對典型結(jié)構(gòu)橋梁三維參數(shù)化設(shè)計進行了分析與研究，提出了典型結(jié)構(gòu)橋梁快速設(shè)計方法，并基于BIM模型三維快速出圖的作用原理進行了研究，為橋梁工程在設(shè)計、施工及運營階段提供重要技術(shù)參考。