典型結構橋梁三維參數化設計技術研究

元 宇 孟祥蔭

（華設設計集團股份有限公司，江蘇 南京210014）

現階段，BIM技術在典型橋梁上的應用是一個熱點話題，為了推動我國鋼結構橋梁和制造企業向數字化轉型，實現建造業工業化、標準化及智能化，BIM技術的應用可以成為制造業向高質量、高標準發展的突破口。

通過BIM三維參數化設計降低設計難度，同時提高設計精度，促進典型結構橋梁在橋梁建設領域的廣泛應用。

1 參數化設計理論

參數化設計應用廣泛，對于不同領域具有不同的應用價值，早在工業領域發展及應用，隨著科技發展，不斷拓展業務，對于建筑結構領域，也在嘗試性應用推廣，所謂參數化設計，就是通過設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據信息轉化為另外一種形式，例如：圖像、聲音、行為等。參數化設計通過設計師構想把參數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出來，不再像傳統設計模式，通過設計構想形體，再利用紙質形式描述出來，這種設計流程大大增加了設計工作難度，并且有一定的局限性。參數化設計借助計算機運行處理對于簡單形體不是很明顯，但對于復雜結構，卻體現的淋漓盡致，通過改變一個設計條件，幾何形體也隨著發生改變。對于一個設計項目來說，設計方案可能隨時都會發生改變，同時，設計參數也相應發生大幅度改變，隱形的增加了設計難度，拖延了設計進度，但如果通過參數化平臺就可以實時改變參數，對形體進行重新改變，達到最終設計效果。

2 典型結構橋梁三維參數化設計

2.1 適用于工業化生產的典型結構橋梁構件庫研究

對于BIM設計，主要以“模型+骨架”的建模思想對典型結構橋梁進行三維模型創建，“骨架”的作用是確定各個構件在模型整體中位置關系的一些簡單元素，可能會以點、線、面等形式作為位置參考標準，利于模型構件的組合與創建。在此基礎上，根據節點信息創建系列坐標系，為各個不同位置的鋼橋構件提供參考面。“模板”由鋼橋BIM標準件和鋼橋BIM模型庫組成，通過發號信令可實現對模型庫里的構件自行裝配，達到快速建模的目的，大大減少了設計人員對BIM模型更新和修改的時間和程序，降低了工程拖入成本。基于CATIA 的橋梁構件如圖1所示。

2.2 基于構件庫的橋梁建模方法研究

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

圖1 基于CATIA 的橋梁構件

2.2.2 針對鋼箱梁節段模型，利用知識工程的二次開發功能進行橋梁結構BIM模型庫的創建，以產品知識庫的建立為基礎進行模型的參數化建模，預先建好節段參數化模型，添加模型對應的參數，為幾何模型定義尺寸約束關系并進行公式編輯，實現用參數變量驅動幾何尺寸。在模型參數化的基礎上，針對模型中存在的參數設計人機交互界面，用戶通過制定的參數輸入對話框來進行所有相關操作，后臺調用CATIA 軟件提供的二次開發接口API 和運行編制的程序修改模型中關聯的參數值，同時，根據用戶選擇的標準件型號從本地標準件庫加載到產品中進行自動裝配，進而創建非特定結構參數模型。為滿足用戶定制化需求，訪問后臺模型信息數據庫，進行一些基本信息的保存與編輯。

2.3 典型結構橋梁設計參數數據及力學分析信息構成研究

2.3.1 BIM模型與局部分析數據融合研究

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

2.3.2 整體計算與局部計算集成研究

基于BIM模型，得出的力學分析數據包括整體計算和局部分析兩大部分。兩部分數據是采用不同軟件進行計算分析，導致無法同時查看兩個數據庫，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，根據局部計算的區域清除整體計算的數值，并重新賦予局部計算的力學數值。通過兩者的結合可以清楚地展示出兩者計算的準確性。

圖2 BIM 模型與力學分析數據融合

2.3.3 力學數據與模型的聯動

實現力學數據與模型的聯動，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，補償值則按照各節段的變形值作為補償值，路線的縱斷面則會發生相應的變化，而基于“骨架+模板”技術，實體模型會隨著骨架發生自適應變化。

3 基于三維數字模型的快速出圖方法研究

在初步設計與施工圖設計階段，通過參數化設計手段對設計方案進行比對及調整后，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聯及轉化，只要一方對模型進行調整，相應一方也會隨著發生改變，利用BIM 平臺出圖的優勢在于可以通過參數化程序修改三維模型即可修改二維圖紙的效果，極大地提高了設計效率。未來設計提交的成果將是包含完整的橋梁力學數據、文字類型的設計數據及三維幾何模型的三維數字模型，為滿足當下設計行業規定，需要提交圖紙作為設計成果。解決方案是通過對三維數字模型進行解析，讀取其設計數據及三維模型，以實現二維圖紙快速生成，選用BIM協同平臺對橋梁結構進行正向出圖，圖3 所示為數字化設計三維圖。

圖3 數字化設計三維圖

4 結論

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