橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)研究

王冠男 陳家勇 賴亞平 楊 丁 漆 勇

(林同棪國(guó)際工程咨詢(中國(guó))有限公司,重慶 401121)

引言

隨著生活水平不斷提高，人們對(duì)周邊環(huán)境美化及生活質(zhì)量提升等精神文化的需求逐漸升高，橋梁作為城市空間的重要構(gòu)成因素，不僅要滿足“跨越障礙物”的功能目標(biāo)，同時(shí)也是一座城市特征、文化的載體。在傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)中，方案的調(diào)整與迭代成本較高，難以充分考慮設(shè)計(jì)邊界條件的調(diào)整對(duì)方案產(chǎn)生的影響，制約了方案的優(yōu)化。因此，在方案決策階段，需快速提供可供選擇的多元化方案。除了設(shè)計(jì)思路的轉(zhuǎn)變外，設(shè)計(jì)手段也應(yīng)有相應(yīng)的改變，借助參數(shù)化建模的方式可以生成復(fù)雜多變的設(shè)計(jì)模型。本文重點(diǎn)剖析參數(shù)化設(shè)計(jì)思維在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用及具體的設(shè)計(jì)流程，并結(jié)合工程設(shè)計(jì)案例驗(yàn)證其實(shí)用性。

1 參數(shù)化設(shè)計(jì)思想

1.1 參數(shù)化設(shè)計(jì)的定義

參數(shù)化設(shè)計(jì)的核心在于“參數(shù)”和“關(guān)聯(lián)”[1]，參數(shù)對(duì)于應(yīng)用程序而言既可以是常數(shù)，也可以是一種用于輔助橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的變量。關(guān)聯(lián)則是參數(shù)間的相互聯(lián)系，用于確定參數(shù)之間的特定關(guān)系，使橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件間通過迭代參數(shù)傳播引擎進(jìn)行關(guān)聯(lián)，以達(dá)到預(yù)期的三維設(shè)計(jì)效果。參數(shù)化設(shè)計(jì)借助建立起的特定約束關(guān)系及參數(shù)關(guān)聯(lián)進(jìn)行三維正向設(shè)計(jì)，當(dāng)關(guān)聯(lián)中的某個(gè)參數(shù)變量發(fā)生改變時(shí)，參數(shù)化設(shè)計(jì)構(gòu)件也將隨之變化，促使整個(gè)設(shè)計(jì)過程隨之更新，進(jìn)而更新設(shè)計(jì)成果。

1.2 參數(shù)化設(shè)計(jì)的必要性

在橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)階段，經(jīng)常遇到因設(shè)計(jì)條件變化而導(dǎo)致整個(gè)設(shè)計(jì)需推倒重來的情況。例如，由于道路平面線型的調(diào)整，引起整個(gè)結(jié)構(gòu)及約束關(guān)系發(fā)生變化，致使全部設(shè)計(jì)圖紙重新繪制，導(dǎo)致大量的重復(fù)性工作。又例如，在方案設(shè)計(jì)階段，為了滿足橋梁設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)構(gòu)安全、合理、經(jīng)濟(jì)和美觀等需求，橋梁的分孔布跨、傳力體系、結(jié)構(gòu)形式和截面尺寸等設(shè)計(jì)要素需在總體方案形成后，綜合各種影響因素且反復(fù)迭代才能確定最優(yōu)結(jié)果。因此，設(shè)計(jì)本身就是一個(gè)試錯(cuò)和不斷調(diào)整的過程。

在傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)過程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)修改不便利，難以有效地將設(shè)計(jì)參數(shù)與設(shè)計(jì)成果有機(jī)的關(guān)聯(lián)起來，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化費(fèi)時(shí)費(fèi)力。參數(shù)化設(shè)計(jì)作為一種新的設(shè)計(jì)思想，其核心是借助幾何間的聯(lián)系，使設(shè)計(jì)成果變得更加豐富可調(diào)。因此，參數(shù)化設(shè)計(jì)思想可服務(wù)于各個(gè)設(shè)計(jì)階段[2]。在方案階段，通過參數(shù)調(diào)整可一次性生成多個(gè)備選方案，完成方案的比選； 在初步設(shè)計(jì)階段，可進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化，并快速輸出設(shè)計(jì)成果，以提升設(shè)計(jì)質(zhì)量，為差異化的橋梁方案實(shí)施保駕護(hù)航[3]； 在施工圖設(shè)計(jì)階段，可從確定的參數(shù)化設(shè)計(jì)模型中導(dǎo)出所有設(shè)計(jì)圖紙及工程量清單，并配合其他專業(yè)設(shè)計(jì)師完成相關(guān)設(shè)計(jì)工作，基于同一模型可避免溝通中信息存在差異的情況，以縮短設(shè)計(jì)周期。

1.3 參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺(tái)

目前，適用于橋梁參數(shù)化模型搭建的平臺(tái)主要包括以下四大平臺(tái)軟件[4]，本節(jié)從參數(shù)化功能、建模能力及優(yōu)勢(shì)、適用性的角度對(duì)各平臺(tái)之間做了橫向?qū)Ρ?，如?所示。

表1 橋梁三維參數(shù)化建模平臺(tái)特點(diǎn)

根據(jù)表中內(nèi)容可知，已有的三維參數(shù)化模型搭建平臺(tái)各具優(yōu)勢(shì)，若把他們應(yīng)用到橋梁的設(shè)計(jì)當(dāng)中，仍會(huì)存在許多問題。項(xiàng)目參與方需根據(jù)項(xiàng)目的特點(diǎn)和實(shí)際情況，選擇恰當(dāng)?shù)钠脚_(tái)。本文選取了R+GH的參數(shù)化平臺(tái)[5]，其主要特點(diǎn)包括：

(1)GH參數(shù)化能力強(qiáng)、界面友好、自由度高、拓展延伸能力強(qiáng)；

(2)兼容性好，可直接與多種三維設(shè)計(jì)、計(jì)算及辦公軟件進(jìn)行無縫對(duì)接；

(3)對(duì)計(jì)算機(jī)性能要求較低，建模成本低，且便于快速調(diào)整[6]。

2 橋梁參數(shù)化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

2.1 橋梁參數(shù)化設(shè)計(jì)特點(diǎn)

相對(duì)于建筑行業(yè)，在標(biāo)準(zhǔn)化程度上，橋梁構(gòu)件更加復(fù)雜多樣且標(biāo)準(zhǔn)化程度較低，難以通過既有的構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化族庫(kù)來完成快速建模、自動(dòng)出圖和工程量統(tǒng)計(jì)等工作； 在邊界條件上，建筑工程的邊界條件相對(duì)簡(jiǎn)單，但需多專業(yè)的密切配合。對(duì)于橋梁工程，尤其是市政橋梁，邊界條件相對(duì)復(fù)雜，需關(guān)注橋址區(qū)位、城市空間、水文地質(zhì)、交通規(guī)劃等多方面，設(shè)計(jì)成果差異化明顯，復(fù)用性較低。從結(jié)構(gòu)受力方面，建筑工程常以規(guī)范構(gòu)造和計(jì)算控制，而橋梁結(jié)構(gòu)則需借助專業(yè)有限元軟件對(duì)復(fù)雜受力區(qū)域進(jìn)行有限元仿真分析，計(jì)算迭代優(yōu)化成本更高。因此，對(duì)于復(fù)雜多變的橋梁工程，參數(shù)化的意義更為突出。

2.2 參數(shù)化設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)

(1)方案迭代及優(yōu)化

方案的調(diào)整與優(yōu)化對(duì)于每個(gè)項(xiàng)目都是必不可少的，傳統(tǒng)三維設(shè)計(jì)時(shí)，若需進(jìn)行方案調(diào)整，則需重新進(jìn)行橋梁方案設(shè)計(jì)及制模。而采用參數(shù)化建模的方法，同類型方案僅需通過參數(shù)調(diào)整來實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，橋梁設(shè)計(jì)師不用再把大量時(shí)間浪費(fèi)在方案的建模和表達(dá)過程，而把時(shí)間用在創(chuàng)意本身[7]。例如，圖1為一座景觀人行廊橋的景觀設(shè)計(jì)，通過調(diào)整曲線的形式，則可以簡(jiǎn)便快捷地生成若干不同的子方案。因此，在橋梁方案設(shè)計(jì)時(shí)，參數(shù)化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)得非常明顯。

圖1 橋梁方案迭代與優(yōu)化

(2)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

在參數(shù)化設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師需更加關(guān)注橋梁構(gòu)件與控制參數(shù)之間的相互聯(lián)系以及模型生成運(yùn)算法則，其中控制參數(shù)可為數(shù)字、點(diǎn)、曲線和曲面。因此，借助設(shè)計(jì)師主觀能動(dòng)性地參與，通過參數(shù)控制，使其精確遵循特定的設(shè)計(jì)邊界條件，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變的更加合理。同時(shí)，參數(shù)化三維設(shè)計(jì)可以有效地避免由于空間關(guān)系引起的設(shè)計(jì)失誤，確保橋梁的設(shè)計(jì)品質(zhì)。

(3)高效地交換設(shè)計(jì)信息

表2 橋梁參數(shù)化設(shè)計(jì)作用

有了參數(shù)化模型的幫助，橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師可由同一個(gè)參數(shù)化設(shè)計(jì)模型快速生成所需的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，包括關(guān)鍵控制參數(shù)、工程量清單及二維設(shè)計(jì)圖紙，參數(shù)化設(shè)計(jì)可以保證橋梁設(shè)計(jì)作業(yè)流線的順暢。同時(shí)，設(shè)計(jì)師還可以通過自動(dòng)讀取外部數(shù)據(jù)以驅(qū)動(dòng)三維模型的幾何形態(tài)，圖2為某景觀橋橋塔借助參數(shù)化建模實(shí)現(xiàn)出圖的工程實(shí)例。

圖2 參數(shù)化設(shè)計(jì)信息交互

(4)參數(shù)化貫穿設(shè)計(jì)全過程

橋梁設(shè)計(jì)一般包括方案設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)三個(gè)階段，參數(shù)化設(shè)計(jì)思想在各個(gè)階段扮演了不同的角色[8]。對(duì)于一個(gè)項(xiàng)目而言，由于設(shè)計(jì)要求及條件在不斷變化，設(shè)計(jì)成果也需進(jìn)行不斷調(diào)整，若這些調(diào)整過程全部在參數(shù)化模型中實(shí)現(xiàn)，將很容易地反饋到設(shè)計(jì)成果中。當(dāng)方案階段、初步設(shè)計(jì)及施工圖設(shè)計(jì)階段均采用統(tǒng)一的參數(shù)化設(shè)計(jì)模型，則可保持橋梁設(shè)計(jì)信息的高度一致性和連貫性，橋梁參數(shù)化思想在設(shè)計(jì)各階段的優(yōu)勢(shì)如表2所示。

3 橋梁參數(shù)化設(shè)計(jì)流程

在橋梁設(shè)計(jì)全過程中，對(duì)于不同設(shè)計(jì)階段需要交互不同的設(shè)計(jì)成果，其深度要求和側(cè)重點(diǎn)均有所不同。在方案設(shè)計(jì)階段，需提交動(dòng)畫、效果圖及方案總體布置等； 在初步設(shè)計(jì)階段，需提交初步設(shè)計(jì)圖紙、總體計(jì)算書、關(guān)鍵部位構(gòu)造及初步工程數(shù)量； 在施工圖設(shè)計(jì)階段，需提交詳細(xì)施工圖、詳細(xì)構(gòu)造計(jì)算文件及詳細(xì)工程量清單等。因此，在不同設(shè)計(jì)階段，參數(shù)化設(shè)計(jì)均需滿足該階段設(shè)計(jì)成果交付的要求。本文基于“R+GH”的參數(shù)化平臺(tái)，提出現(xiàn)階段行之有效的橋梁參數(shù)化設(shè)計(jì)流程，如圖3所示。

圖3 橋梁參數(shù)化設(shè)計(jì)流程

4 橋梁構(gòu)件參數(shù)化設(shè)計(jì)案例

4.1 南紀(jì)門長(zhǎng)江大橋工程概況

南紀(jì)門長(zhǎng)江大橋?yàn)橹貞c軌道交通十號(hào)線跨越長(zhǎng)江的控制性工程，為軌道專用橋，連接南岸區(qū)和渝中半島，位于城市中心區(qū)域。經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全、美觀及施工可行性等綜合比選，確定大橋采用高低塔雙索面半漂浮體系斜拉橋[9]，跨徑布置為(34.5+180.5+480+215.5+94.5)m，橋型立面布置如圖4所示。

圖4 重慶南紀(jì)門長(zhǎng)江大橋主橋立面布置

4.2 橋型方案參數(shù)化設(shè)計(jì)

為確定大橋的橋型方案，本項(xiàng)目在方案設(shè)計(jì)階段便引入BIM參數(shù)化正向設(shè)計(jì)手段，對(duì)有條件采用的鋼桁梁、斜拉橋、懸索橋三種基本橋型進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，清晰直觀地進(jìn)行方案效果的比較與溝通，借助三維參數(shù)化正向設(shè)計(jì)手段輔助進(jìn)行快速高效地決策，比選過程及結(jié)論如表3所示。

表3 方案比選及優(yōu)化

橋塔是橋梁景觀的主要標(biāo)志，通過橋塔給大橋賦予文化的特色內(nèi)涵，同時(shí)橋塔需保證具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。因此，對(duì)橋塔的造型優(yōu)化既要滿足結(jié)構(gòu)受力要求，又要體現(xiàn)文化底蘊(yùn)。該橋在地理位置上緊鄰南紀(jì)門，橋名也是“南紀(jì)門”，于是橋塔方案的造型采用“門”型構(gòu)造，蘊(yùn)含著對(duì)重慶古城門的追憶。而渝中與南岸又屬于重慶的都市核心區(qū)域，采用現(xiàn)代簡(jiǎn)約的“門”型橋塔，既是對(duì)重慶傳統(tǒng)歷史文化的傳承，又蘊(yùn)含著新重慶“敞開大門、迎接挑戰(zhàn)、走向未來”的寓意，橋塔塔冠建筑造型如圖5所示。

圖5 橋塔塔冠建筑造型比較

4.3 索梁錨固結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)

該橋斜拉索采用高強(qiáng)平行鋼絲體系，抗拉強(qiáng)度不小于1 770MPa，斜拉索的索力分布為。P3塔兩側(cè)共設(shè)置54對(duì)拉索，P2塔兩側(cè)共設(shè)置32對(duì)拉索，拉索上端錨固于索塔上塔柱，標(biāo)準(zhǔn)間距2.5m，設(shè)置環(huán)向預(yù)應(yīng)力錨固體系，并通過齒塊錨固拉索[10]； 下端錨固于鋼梁的邊腹板上，標(biāo)準(zhǔn)間距為10.5m，采用單錨拉板的錨固形式，構(gòu)造如圖6所示。

圖6 錨拉板構(gòu)造

本橋斜拉索均為空間拉索，錨固體系的設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮拉索錨點(diǎn)位置、拉索垂度效應(yīng)、鋼梁頂立面線型、主梁預(yù)拱度、鋼梁邊腹板橫向位置以及橋塔塔壁構(gòu)造等的影響。全橋錨固體系共有86種不同類型，設(shè)計(jì)工作相對(duì)繁雜且易出錯(cuò)，設(shè)計(jì)過程中需要不斷地進(jìn)行控制參數(shù)的輸入和調(diào)整。設(shè)計(jì)成果相對(duì)穩(wěn)定后，需進(jìn)行關(guān)鍵控制參數(shù)、工程量清單等信息的交互。本橋采用參數(shù)化設(shè)計(jì)手段進(jìn)行錨固體系的正向設(shè)計(jì)，涵蓋關(guān)鍵參數(shù)確定、有限元仿真分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化及迭代、工程量統(tǒng)計(jì)及清單繪制等全過程，如圖7所示，本橋錨固體系參數(shù)化設(shè)計(jì)成果如圖8所示。

圖7 錨拉板參數(shù)化設(shè)計(jì)過程

圖8 錨拉板參數(shù)化設(shè)計(jì)成果

5 結(jié)語

參數(shù)化模型搭建過程思路清晰，邏輯框架式的建模理念使得參數(shù)管理更加靈活可變。本文針對(duì)橋梁參數(shù)化設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀及特點(diǎn)，基于“R+GH”參數(shù)化平臺(tái)，提出了橋梁參數(shù)化設(shè)計(jì)流程，涵蓋方案設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)及施工圖設(shè)計(jì)全過程，可有效提高設(shè)計(jì)效率。對(duì)于特種橋梁，參數(shù)化設(shè)計(jì)有效保障了方案迭代優(yōu)化的靈活性，復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性等。本文以南紀(jì)門長(zhǎng)江大橋的索梁錨固結(jié)構(gòu)參數(shù)化正向設(shè)計(jì)為例，進(jìn)一步驗(yàn)證了橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)方法的技術(shù)可行性，并有效提升了設(shè)計(jì)質(zhì)量和精度。參數(shù)化技術(shù)在設(shè)計(jì)領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)明顯，具有很廣闊的應(yīng)用空間，希望能為橋梁參數(shù)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用及推廣提供一些思路。