淺析橋梁正向設計與智能參數化建模

摘要：BIM正向設計與參數化建模在建筑設計中的應用逐漸增多。橋梁作為一種特殊的建筑形式，對參數化建模的需求更加強烈。提出橋梁結構正向設計參數化建模的新思路，通過參數化的三維幾何模型分析了橋梁正向參數化模型的邏輯構成，簡述了模型中橋梁結構部分和整體的描述方法，并依托“生態路上跨西康高速新河村大橋”拱橋方案設計實例，來闡明參數化建模過程和設計流程。

關鍵詞：BIM；正向設計；參數化；建模

0" "引言

在橋梁概念設計階段，為了找到合理且富有創新性的方案，設計師往往面臨方案多樣性和表達復雜性的挑戰。傳統設計流程是層層遞進的。設計初期需要生成足夠多的方案草圖進行比選。受時間和工作量限制，一般采用淘汰的方法，選取很少的方案進行細化設計，由此影響了方案的多樣化。設計師把精力過多投入到繪圖、計算以及方案表現等方面，而較少地針對具體問題進行原創性的創新設計。

BIM正向設計之所以要強調“正向”，是為了與“BIM”翻模進行區分。目前雖然政策強有力地推廣BIM技術，但是基本的專業技術、軟件、理念等均不足以支撐其全流程正常運行，業內的工作流程、管理模式無法真正實現BIM技術的價值。設計單位主張應用BIM技術相應的收益無法被認可，投入大于收益，進而被迫以所謂“翻?！睉?，但看圖建模并不符合BIM的真正含義[1]。

正向參數化設計（Parametric Design）是把設計的限制條件，通過相關數字化軟件，與設計的形式輸出之間建立參數關系，生成可以靈活調控的數字模型[2]。按照這種方法，設計師工作在兩個層面上：定義方案的邏輯結構和約束條件，以及在這個基礎上尋找合適的方案實例（參數組合）。與非參數化的設計方法相比，參數化設計的優點包括：更全面地搜索設計的可行空間，利于找到更加適應條件的方案；幫助發現和建造新的形態；減少方案修改和重復利用的成本；有助于設計師理解設計對象[3]。但參數化設計增加了設計師前期的工作難度，設計師需要明確模型的邏輯，以便能夠順利完成設計方案并與其他工作環節相配合。

參數化設計方法在建筑設計領域發展比較早。在橋梁設計方面，參數化設計還未形成成熟的體系。如果將橋梁結構作為建筑行業的一個分支，則可在BIM技術發展中找到一些與橋梁相關的內容。BIM技術直接用于橋梁概念設計有諸多不便，這主要是由于設計初期處理的信息常常是不精確和不完整的。本文結合橋梁設計實踐，探索了中小跨徑橋梁的參數化建模方法。參數化模型通過幾何建模軟件來實現。

1" "橋梁參數化邏輯構成

橋梁主要結構是將道路交通的荷載和自身的荷載按照一定的方式傳遞給基礎，并為橋下通行留出活動空間的一種特殊結構。各結構、部件之間的連接方式比較簡單，參數化方式建立比較容易，所以在設計初期采用參數化建模有利于方案變更。

橋梁的參數化邏輯構成是按照形體邏輯構成的，構件之間是通過參數化方程或坐標點形成了相關聯的結構、形狀和線形。也就是說，主橋、拱、人行梯道位置關系和主橋內部參數化之間的關系是通過參數化方程和坐標點來完成的。

橋梁參數化邏輯如圖1所示。該模型的核心是道路空間曲線，主橋和橋上的附屬結構是以這條曲線為基礎實現建模的，橋的截面通常也沿長度而變化，因此可以將多個截面排列在道路曲線空間上形成截面脊椎[4]，然后將脊椎作為模型的基本參數來建立整橋的參數化模型。主橋、拱等主要結構以及橋墩、橋臺等下部結構，可以用參數化方程進行約束。

2" "道路線形參數化描述

先按照線路規劃信息、道路勘測數據以及選線、定線方法，做橋梁平面設計和縱斷面設計。道路空間線形的精確參數化描述是指能根據方案調整線形，且在線形調整之后，橋梁結構模型也能夠自動調整，這是參數化建模的基本要求。

根據設計的平面線形和縱斷面線形數據，在BIM軟件內合成橋梁平面曲線及豎曲線。按照定距等分的方式重新采樣，進而定義橋梁三維空間參數（X，Y，Z）值[5]，把三維空間點連起來就形成所需要的空間曲線?？臻g曲線采樣點的多少，會直接影響參數化模型的精度。如圖2所示為基于SolidWorks曲線命令建立橋梁三維空間曲線，此曲線是正向BIM建模的主要參照引導線，也是決定模型正確與否的控制線。

3" "橋梁結構參數化描述

參數化模型一般采用“自上而下”的邏輯結構，首先建立籠統的結構，然后逐漸將結構細分，建立構件。橋梁結構的主要構件大多可以理解為剛性桿狀的，其截面沿桿的長度方向擴展不變或變化較少，構件的外形主要采用“切片（Sectioning）”生成。橋梁的主要構件不是直接描述它的整體，也不是由內向外分層，而是沿一組曲線分解成一系列剖面切片建模[6]的方法進行放樣、掃描、拉伸，并按設計的實際情況建立參數化模型。

4" "應用實例

4.1" " 設計方案

“生態路上跨西康高速新河村大橋”如圖3所示，全線橋跨布置為6×30m+2×50m+83m+2×50m，橋梁全長463m，橋梁上部結構采用鋼箱梁+下承式提籃拱，下部結構為鋼筋混凝土門式墩，下接承臺+鉆孔灌注樁。其中第三聯83m跨下承式提籃拱橋上跨西康高速，設置4m寬挑梁作為人非混合道，設置4m寬坡道與地面順接，落地位置設置抗滑移基礎。

拱橋軸測圖如圖4所示。該拱橋采用鋼主梁（系梁）承受拱端水平推力。主梁采用全焊接矩形鋼箱截面，拱肋采用全焊矩形鋼箱截面，設置兩片拱肋。計算跨徑80m，鉛垂面投影采用二次拋物線，矢高16m，內傾75°，矢跨比1/5。拱腳節段上端與拱肋焊接，下端與系桿階段、端橫梁焊接。

4.2" " 參數化幾何模型

本方案的參數化模型是在SolidWorks中實現的，模型按照橋梁結構邏輯分為主橋、主拱和人行梯道構成。主橋、主拱、人行梯道的建模是以各自空間曲線為基礎，分別建立內部參數化模型，然后把主橋、主拱、人行梯道之間的位置關系，通過參數方程建立整體模型。主拱的空間曲線為二次拋物線，斷面為矩形鋼箱斷面，下承式吊桿對稱均勻分布構造。

首先，在SolidWorks界面下，以主拱的空間曲線方程為基礎，構筑主拱的空間曲線，按拱肋橫斷面設計尺寸建立主拱拱肋中心曲面，以主拱放樣平面做基準掃相對應的斷面。再連接頂板、底板、腹板平面形成參數化邊界模型。然后通過參數化邊界模型進行曲面填充、剪裁、拉伸及掃描，即可形成如圖5所示的主拱肋參數化模型。拱肋模型控制參數如圖6所示。建模過程中所有引入數據均做了參數化處理，需要方案變更時，只需直接或間接改動參數就可以驅動模型隨動修改。

5" "模型結構計算

梁格節點計算模型如圖7所示。組合形式一拱肋應力頂板包絡圖如圖8所示。初設階段，正向參數化建立的模型需要進行結構驗算。在此只需將SolidWorks模型導入到Midas Civil生成計算節點，進而通過節點分析驗算橋梁結構的強度、剛度及穩定性。

6" "智能參數化建模的優勢

智能參數化的目的是實現快速建模、快速修改，縮短時間，提高設計效率，目前主要體現在參數化建模方面。參數化建模可高效、智能、精準地創建多種方案選擇，每一個項目設計都不可避免選擇多種方案，而方案的優化需要可視三維模型。參數化環境里選擇方案的數目不依賴于建模時間，只要建立了參數化模型，一個參數化模型便可以生成無數個不同的子模型，因此其在項目設計中有絕對優勢。

6.1" " 參數化建模更高效

建立參數化模型對設計過程的高效能，主要體現在可高效調整方案，以響應項目進行中的各種變化，其間只需替換模型主要參數或者更改設計變量，一系列模型將自動生成。或者在建模過程中針對某一類節點創建參數化節點，在模型創建過程中可批量應用于這一類節點。此節點會隨主部件屬性的不同或主部件的變更而智能生成，高效且準確。

6.2" " 參數化建模更精準

參數化建模相較于普通建模放樣準確度更高，精度更高。普通的建模過程因受人為操作誤差或放樣方式的選擇不同，而使創建的模型產生誤差或錯誤，這在大型項目中尤為明顯。而參數化建模將放樣過程以變量公式、零件特征與基礎變量的特征關聯，尺寸相互約束限制，來自動生成放樣信息，避免了手動繪圖的操作誤差。

手動放樣過程中受放樣點的選擇和有限的計算數據，常會選擇用有限的直線段或擬合線來替代有無限點的曲線，用有限的小平面的拼接來取代有無限點的曲面等方式。在此放樣過程中，產生的誤差是人為無法計算的或者無法避免的。而使用參數化建模可避免這一類計算缺陷。參數化模型的線條或面均有公式、方程智能生成，即模型是有無限的點完成的理想狀態模型，因此計算結果更精準。

6.3" " 參數化建模更易于變更修改

項目施工過程中設計方案變更是不可避免的，普通模型在遇到設計變更時需要需改，修改時往往是牽一發而動全身，需要修改很多，且難免在修改過程中有遺漏或修改不到位的問題，甚至有時需要重新建模，由此導致建模的工作量很繁重。采用參數化模型時，當設計條件變更時，只需要修改主控變量，模型即可隨變量的變化而重新生成。

以鋼箱梁為例，以綜合考慮了路線平曲線、豎曲線等線形的空間曲線為基礎，利用設置全局變量、關聯方程式、條件壓縮、裝配關系參數化等技術，建立全橋模型。后續路線如有變更，僅需將空間曲線三坐標批量導入更新，即可完成路線變更；相應的，僅需調整相關變量參數值，即可完成結構的快速變更。同時，如橫隔板等結構類構件，可采用系列構件的方式建模，利用插件即可完成系列產品的選型，進而完成模型自動變更。

7" "結語

本文以獨特的邏輯構成，完成道路線形橋梁結構的參數化描述，通過實例闡述了橋梁參數化建模的新思路，利用現有的BIM軟件插入參數化方程插件，讓正向設計更快捷，修改更方便，對橋梁設計帶來更大的效益，其推廣應用具有非常大的價值。在BIM技術廣泛應用的驅動下，建模已成為主流，對于鋼結構項目建模已成為施工的必備條件。目前在鋼結構行業比較普遍使用的BIM軟件，如Tekla Structures、SolidWorks、Catia等均有參數化建模的涉及，在各類相關軟件的版本更新中也增加了很多變量公式和方程，且軟件中的計算公式和方程類型越來越多，軟件的設計更加靈活，留出更多空間給用戶以對軟件的二次開發，以方便用戶智能快速準確的建模。

參考文獻

[1] 張國學.BIM正向設計——橋梁設計制造施工全過程指導[J].BIM視界，2021.

[2] 高巖.參數化設計——更高效的設計技術和技法[J].世界建筑，"2008.

[3] Robert Aish，R.W.Multi-Level Interactionin Parametric Design.in Smart Graphics.2005.

[4] Arthaud，G.andE.Lebegue.IFC-BRIDGEV2DataModel.2007.2.

[5] 張國學，趙冬梅，王季凱，等.基于solidworks橋梁三維參數化建模[J].城鎮建設，2020.

[6] Iwamoto，L.，Digitalfabrications：architecturalandmaterialtechniques.2009：Prin-ceton Architectural Press.