空間橋梁外形三維快速設計研究

祝可為

（福建船政交通職業學院 土木工程學院，福州 350007）

隨著近年來我國橋梁建設速度大幅提升，橋梁橋型已相對固定，因此多數橋梁均在外形方面進行突破，以達到建造城市地標性建筑的目的。目前我國學者在三維設計方面也開展了許多相關的研究。在數據結構研究上，文獻[1]以掃描法和參數化特征造型為橋梁模型的主要造型方法，半邊數據結構為模型的數據結構。文獻[2]采用基于知識的參數化建模方法對橋梁的參數化建模進行研究，提出了橋梁設計知識表達模型、知識獲取方法、橋梁結構拼裝算法、橋梁智能變動算法。文獻[3]結合斜拉橋結構的特點，采用參數化方法對斜拉橋進行三維建模，實現了斜拉橋三維可視化。文獻[4]對三維幾何體參數化建模的過程進行了深入探討，并結合橋梁繕陶特點，對橋梁組件的三維參數化建模及橋梁整體拼接進行了研究。王哲結合某橋梁工程，圍繞CATIA軟件在該項目中的具體應用展開探討[5]，明確了CATIA軟件"模板+骨架"建模形式的優勢，并從骨架建立，簡支T梁模型建立兩個方面闡述了建模流程。文獻[6]采用三維CATIA軟件可更準確地對副塔及副塔內的鋼錨箱結構構件進行細部結構設計，為大型復雜橋梁，特殊構件等細部結構設計提供了技術參考。對于空間外形橋梁結構，由于橋梁外形特殊，且線形復雜，引入三維設計可有效提升設計的精細程度，解決了傳統二維設計的弊端[7]。

由于復雜的空間線形只能依靠三維技術來進行設計，但在實際三維軟件使用過程中，大部分設計人員停留在沿用二維CAD制圖的思路之上，對于三維時代的建模思路缺乏創新，導致了三維建模效率的降低。本文依托某大跨徑拱橋（圖1）、大型空間懸索橋（圖2）等工程，通過比較二維制圖與三維設計思路的差異，提出三維時代下針對橋梁全橋、鋼結構及混凝土結構的建模思路方法，用于指導實際生產工作，以期為同類型橋梁的三維快速設計提供思路。

圖1 某大跨徑拱橋三維模型

圖2 大型空間懸索橋三維模型

2 三維設計與二維制圖的差異

三維設計與二維設計的差異表現在設計施工一體化的程度及最終成果的形式上。

2.1 設計加工制造一體化程度差異

在二維時代，設計與鋼結構加工制造相互脫節、相互獨立。加工制造單位需要基于設計圖紙重新建模、制圖，以滿足加工制造的需求。而三維設計是基于BIM理論體系，不僅包括了三維設計，還包括了加工、制造、安裝、管理等全過程。在三維設計中，充分考慮下游產業的特點及需求，力求使三維設計成果能應用于下游加工制造過程中。

2.2 最終成果差異

二維設計的最終成果是平面圖紙（圖3），CAD圖紙通過給出特征截面的方法對變截面結構進行描述，但截面間的具體過渡曲線并未明確表達。施工過程中，施工單位通過“以直代曲”的方式進行放樣，降低了結構的準確性。基于二維圖紙設計變截面復雜結構，也易發生設計意圖與圖紙相悖、設計人員與施工人員理解不同等問題。

圖3 某橋梁平面布置圖

在三維時代，完成三維設計的同時，結構最終建成的實體也同樣形成（圖4），三維設計過程可認為是一次全橋施工的模擬，這樣便于設計人員提前發現問題，確保設計意圖的準確傳遞，但也導致設計人員需要完成原本由施工單位完成的放樣工作，這樣無形中增加了設計人員的工作量。因此在三維設計時需要考慮如何精確、高效的對截面進行過渡放樣，形成最終實體。

圖4 某橋梁三維實體示意圖

3 三維設計建模思路的提出

3.1 鋼結構建模思路

3.1.1 傳統建模思路

采用二維設計鋼結構橋梁時，基于圖紙的排布，設計任務分解往往按施工節段進行（圖5）。設計人員各分得一部分節段。以鋼箱梁為例，在單個節段圖紙中均包含有結構的頂板、底板、腹板、橫隔板、加勁肋等構造。此種任務分解方式導致大量相同功能、相同位置的板材重復出現于施工節段的圖紙中，存在大量重復性的圖紙繪制工作。當其中一個節段的構造進行調整時（如施工節段的長度調整），由于內容存在大量的相關性，圖紙的修改工作量較大，易形成前后不一致現象。

圖5 鋼結構傳統任務分解模式

3.1.2 鋼結構“板材設計法”

前述表明三維設計時應充分考慮下游產業的特點，因此制造廠進行鋼材加工時，是以板材的厚度、板材的尺寸作為分類標準，而不以施工節段作為分類依據。同時還需要根據運輸、焊接設備等條件對板材進行二次切分，滿足相應的尺寸要求。本文在充分結合鋼材加工特點的基礎上，提出三維設計針對鋼結構的“板材設計法”思路。“板材設計法”的特點為“整板設計，最后切分”。

采用“板材設計法”時，首先對任務的分解模式做出改變，不再以施工節段作為項目任務分解的依據，而是以構成鋼箱梁的主要板材（頂板、底板、腹板、橫隔板等）進行任務劃分（圖6）。板材采用全橋整體設計，加勁肋等連續構件也采用貫通布置，不考慮施工節段間的斷開。同類型主要板材僅由一位設計人員完成設計（如頂底板、腹板等箱梁外輪廓結構由一位設計人員進行設計，橫隔板等內部細部構造由另一位設計人員設計）。

圖6 按主要板材進行任務分解

這樣的任務分解模式能最大限度減少不同設計人員之間模型的關聯點。而采用按施工節段進行任務分解時，不同設計人員設計產品之間的關聯點較多（施工節段間各頂、底、腹板及對應加勁肋等構造均相互關聯），對應的修改風險也較大。而采用按照板材功能進行任務劃分，不同設計人員設計產品之間的關聯點較少（橫隔板僅與外輪廓位置有關，結構設計時外輪廓的變動程度小），主要板材均分屬于同一設計人員，同類型板材在設計時只有一種設計思想，保證了設計及后期修改時同一塊板材的連續性、唯一性，也避免了后期因統一設計規則而造成的返工。需要進行修改時，修改工作量集中于單個設計人員中，避免了設計人員因溝通不暢產生的更新不及時，降低了大面積修改的風險。同種板材單一設計人員體現了“板材設計法”整體設計的思想。

對設計任務按照板材功能進行劃分后，參考在3DE平臺中成熟的船舶設計理論[4-5]對橋梁鋼結構進行三維正向設計，設計過程分為鋼結構概念設計（以下簡稱SFD設計）及鋼結構細部設計（以下簡稱SDD設計）兩個環節。這兩個環節中模型相互聯系、相互獨立。

SFD設計應用于橋梁設計的早期及中期節段，即橋梁結構可能發生較大變化的時期。本階段的設計內容包含主要的受力板材（外輪廓結構）、加勁肋、橫隔板及大型的開孔等。在本階段板材的表現形式為一塊帶有厚度的平板或曲板，且未考慮施工節段的劃分。這個階段的模型主要用于全橋工程量的統計、有限元模型分析及施工節段的規劃等。

SFD設計則應用于橋梁設計的中后期，即橋梁結構不再有較大變化時。本階段的主要工作為：首先將SFD設計生成的模型進行節段劃分；其次為各種板材添加細部構造（過焊孔、焊縫、端部切除、過渡等）；最后將整體模型按施工節段分割為獨立的零件。SFD階段的模型主要用于施工方案的模擬、板材的加工下料、最后圖紙的繪制等。在設計的中后期才進行施工節段的劃分，體現了“板材設計法”最后切分的思想。

3.2 混凝土結構建模思路

3.2.1 傳統建模思路

傳統的CAD制圖方法是通過逐個關鍵斷面繪制的方式來表述異形混凝土結構。三維設計時，如仍采取同樣的方式，則需要針對變截面混凝土構件依次繪制多個關鍵截面，并用多截面放樣的方法形成實體結構。默認的多截面放樣方法其截面間過渡存在不可控性。為保證實體結構的準確性，需要針對截面的每個特征點設置其對應的放樣線型。

而傳統設計思路的設計對象是混凝土三維實體結構。對實體結構進行放樣操作，存在以下問題：

（1）實體結構特征點較多

如圖7所示，對于一個變截面連續梁，存在多達十五個變截面特征點，因此在設計時需要對十五個特征點都進行放樣線形的確定，工作量較大。

圖7 變截面連續梁特征點分布

（2）特征點間放樣線形復雜

對于同時變高變寬結構，特征點的過渡線形往往是一條三維空間曲線，其變化形式復雜，設計時易發生錯誤。

3.2.2 混凝土結構“模板設計法”

在進行三維建模時，應力求簡化特征點數目及簡化放樣線形，以此提高三維設計建模的效率。為簡化建模難度，引入降維思想。在數學中降維法是把一個多因素問題轉化成一個較少因素，用低維的概念去類比高維的概念，將高維的圖形轉化為低維的圖形。

三維結構是由點、線、面、實體構成的。當對實體操作困難時，考慮降低維度，對曲面進行操作。基于這個思想，本文提出了針對于混凝土的“模板設計法”。

在混凝土結構的施工過程中，需要搭設模板，通過一系列的模板（頂模、底模、側模、內膜）形成封閉的輪廓，在其中灌注混凝土，最終形成實體結構。將三維設計與施工過程進行類比，發現三維設計過程即相當于現實中的施工過程的模擬，最終形成的三維設計模型即為實際中的結構。因此可以考慮在三維設計過程中，仿照施工步驟，改變傳統直接對實體進行操作的方法，通過搭設一系列的模板曲面，通過曲面的相互封閉最終形成三維實體，這便是“模板設計法”的思路。模板可以為曲面、平面，其位置根據混凝土構件的邊界輪廓確定，依據混凝土的體型及結構尺寸進行設計。

“模板設計法”最大的特點是改變了設計的對象，將設計的焦點對準形成實體結構的曲面，達到了降維簡化的目的。

當對曲面進行操作時（以底模為例），如圖8所示，單個模板僅有2個特征點，大量減少了特征點的數目，將設計進行了分解，單次僅需針對少量特征點進行放樣曲線設計，降低了設計難度。同時橋梁結構中許多放樣線形都是屬于在同一個平曲面內的變化，可以依靠三維軟件強大的曲面折疊和展開功能，將放樣線形由空間三維曲線轉化為平面二維線形，降低了設計的復雜程度。

圖8 變截面連續梁模板

4 三維建模思路應用

4.1 鋼結構“板材設計法”應用

以鋼箱梁為例闡述板材設計法的具體流程。首先以板材為依據對鋼箱梁的內外輪廓結構分配不同的設計人員。

各設計人員接收任務后依次繪制出各板材的支持面（即板材所在的空間位置，可以為平面或曲面）。鋼箱梁的頂板、底板、腹板可先繪制出斷面輪廓草圖，根據斷面輪廓沿順橋向依次拉伸、掃略得到頂、底板、腹板的支持面；橫隔板則可以根據其所處的位置，通過偏移箱梁跨中截面平面或支點截面平面的方法得到其所在位置。得到各板材支持面后，便可在支持面上繪制各板材輪廓。箱梁的頂板、底板、腹板等主要輪廓的支持面與板材實際輪廓相同，只需注意焊接關系，選取相應的限制曲面即可；橫隔板則在其支持面上，依次選取箱梁的外輪廓板材將其限制形成對應的形狀，三維設計結構樹及模型見圖7。箱梁的主要受力板材形成后，便可在其上設置加勁肋、過人孔、局部加強筋、過焊孔等細部構造。通常在方案設計階段，僅對加勁肋、過人孔、局部加強筋等構造進行設計。

完成SFD模型并通過各級會審后，設計人員可開始SDD階段的設計。通過3DE平臺的板材切割功能，按照擬定的施工節段，將全橋板材進行切割，如圖9所示。切割后的板材按板材的類型進行圖紙排布，形成最終的施工圖紙。根據板材類型進行圖紙排布也能方便鋼結構的加工下料。

圖9 鋼結構“板材設計法”結構樹及模型

4.2 混凝土結構“模板設計法”應用

以混凝土變截面連續梁為例，采用“模板設計法”時，首先根據連續梁跨中、支點等關鍵截面繪制斷面草圖，輸出斷面上各輪廓曲線。再根據截面立面、平面變化方式繪制對應的平面、立面草圖。將斷面草圖與立面、平面草圖中的頂板、底板、腹板內外輪廓曲線一一對應，采用拉伸或掃略命令形成曲面，這些曲面即為混凝土現澆施工時的模板。

模板形成后，可采用兩種方式生成混凝土實體結構。第一種方式可建立一個尺寸略大于連續梁且將連續梁完全包絡其中的長方體，在3DE平臺中使用模板對長方體進行切割等操作，類似于機械加工時的機床銑削工藝，此方法適用于較為簡單的混凝土結構，特別是針對混凝土主梁（圖10）。第二種方式為通過模板間的相互切割，形成封閉的曲面，采用3DE平臺封閉曲面功能生成實體結構（圖11）。此方法較為通用，可用于負責結構的建立，如混凝土主塔、拱座等不規則結構。

圖10 采用模板切割方法建立混凝土結構

圖11 采用模板包絡方法建立混凝土結構

5 結論

本文在二維傳統制圖思路上，分析了二維、三維設計的差異，提出了三維設計應用于鋼結構及混凝土結構的建模思路。

依托某大跨徑拱橋鋼結構提出板材設計，基于BIM技術中的全過程理念，充分結合鋼材加工的特點，通過對任務分解模式及設計流程的改變，以“整板設計，最后切分”為理念，最大限度減少不同設計人員之間模型的關聯點，使得主要板材均分屬于同一設計人員，同類型板材只有一種設計思想，保證了設計及后期修改時同一塊板材的連續性、唯一性，減少了后期修改時的工作量。加快了鋼結構三維設計的速度。

依托大型空間懸索橋混凝土結構提出模板設計，將三維設計與施工過程進行類比，運用數學中的降維思想，將設計的對象由三維實體結構改變為模板曲面，減少了特征點數目、放樣線形的復雜程度，降低了設計的難度，提高了三維設計建模的效率。