鋼混組合梁多尺度BIM正向設計研究

曹炳勇，施新欣，陳莎莎，董 冰，崔小建

(同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司，上海 200092)

0 引 言

鋼混組合梁是將鋼梁與混凝土板通過連接件連成整體共同工作的受彎結構，它能最大限度地發揮鋼材和混凝土各自的材料性能，具有自重輕、承載能力高、環境友好、施工周期短等顯著優勢[1]，被廣泛應用于城市高架橋梁建設中。對于鋼混組合結構橋梁而言，以二維圖紙為信息載體的傳統交付方式難以滿足設計意圖的精準表達及工廠數字化預制、現場智能拼裝的要求，橋梁建設項目的各參與方對鋼混組合梁三維BIM(building information modeling)模型的需求強烈。然而，鋼混組合梁構造形式復雜、構件種類和連接方式多樣，常規混凝土橋梁的建模方法不能完全適用，存在著建模困難、模型精度低等問題。王繼紅等[2]、齊成龍[3]利用“骨架+模板”的建模理念優化線性工程的三維設計過程，可有效提高建模的精度，但軟件現有功能自動化程度低，難以高效地創建鋼混組合梁模型。此外，現有的橋梁BIM正向設計系統以混凝土橋梁為主[4-16]，鋼混組合梁相關研究相對匱乏，存在以下主要問題：

1)脫離實際的設計流程。不同設計階段的側重點和設計信息的細度不盡相同，過度參數化的橋梁構件模型在設計初期往往使得設計人員無從入手。

2)模型復用率低。在實際項目中，最終的設計方案是經過多方協調并反復修改后的結果，一鍵生成精細化模型的建模方式不僅大量占用計算機硬件資源，而且一旦出現模型參數化以外的設計變更則意味著整體模型的重建，這是當前正向設計效率低下的主要原因之一。

3)模型數據缺乏可操作性。對于設計人員而言，三維模型雖有利于提升構造細節上的直觀感知，但犧牲了扁平化設計所具備的清晰、高效的信息傳遞，而以抽象的二維線元來表達的結構特征則更具可觀測性和可測量性，因此正向設計中二維線元的缺失給橋梁設計帶來了諸多不便。

引入多尺度建模理念，依托BIM核心建模軟件平臺，可以解決不同設計階段模型差異化需求的問題，這已經在隧道工程中得到了驗證[17-18]。筆者首先將多尺度BIM建模方法引入鋼混組合梁正向設計領域，依據橋梁工程不同設計階段的信息需求，提出鋼混組合梁模型精細度(level of development，LOD)分級方案，建立了分級模型復用的銜接機制；然后，基于3D Experience平臺提出了鋼混組合梁多尺度BIM正向設計的基本流程，并針對LOD 50結構骨架模型，提出了一種半自動設計方法；最后，通過建立的鋼混組合梁多尺度模型驗證了該設計方法的可行性。

1 鋼混組合梁BIM模型分級

1.1 模型精細度(LOD)分級

模型精細度(LOD)是建筑信息模型中所容納的模型單元豐富程度的衡量指標。考慮計算機硬件性能的限制以及不同設計階段的信息顆粒度差異，筆者引入LOD理念，參考美國建筑師學會的LevelofDevelopmentSpecification[19]和GB/T 51301—2018《建筑信息模型設計交付標準》兩種分級機制，結合鋼混組合梁的實際構成，制定了一套符合鋼混組合梁BIM正向設計流程的模型劃分方案。將鋼混組合梁的LOD從低到高分為4個等級：LOD50，LOD200，LOD300，LOD350，各等級的典型構件模型如圖1。

圖1 典型構件的多尺度模型Fig. 1 Multi-scale models of typical components

圖1中：LOD50僅作為前置定位條件，主要由點、線二維元素構成，為接下來的模型實例化提供坐標定位、構件類型等信息。橋梁工程方案設計階段側重于結構型式的比選，采用LOD200級別，構件的幾何表達以面為主，模型不僅具有大致的輪廓，而且能夠保證關鍵尺寸的準確性。以槽型主梁為例，主梁高度、腹板長度等尺寸信息在該等級下可以被精確表達；LOD300用于定義初步設計階段，與LOD200的曲面模型不同，其模型為實體單元，忽略了部分構造細節，如加勁肋、過焊孔、剪力釘等，能夠滿足結構受力分析和投資概算的應用需求；施工圖設計階段采用LOD350，以二維出圖、工程計量和施工仿真為目標，涵蓋了鋼板厚度、加勁肋布置、對齊方式等更深層次的設計信息。詳見表1。

表1 鋼混組合梁BIM模型精細度等級劃分Table 1 LOD classification of BIM model of steel-concrete composite beam

1.2 分級模型銜接機制

為了獲得結構化的幾何定位元素，并使鋼混組合梁LOD50模型與LOD200、LOD300和LOD350模型之間的迭代具有自動化能力，筆者提出了鋼混組合梁模型結構樹框架以及幾何元素命名規則。

1.2.1 鋼混組合梁模型結構樹框架

按照城市高架橋梁的結構特點，將鋼混組合梁LOD50模型的結構樹劃分為3個層次，從高至低分別為上部、聯和跨。如圖2。

圖2 模型結構樹框架Fig. 2 Model structure tree framework

“跨”節點內具有完整的幾何表達元素，包含了從路線布跨到總體布置所需的所有定位元素。考慮到路口段大跨徑組合梁特殊節段的存在，單個標準跨參數集難以滿足城市高架多聯多跨的差異化需求，因此每個“跨”節點中均存儲了一套適用于該跨的配置參數集，以便后續迭代過程中參數復用。除了圖2的上部-聯-跨總體結構層次，根據幾何定位元素功能的不同，“跨”節點內部進行了結構樹深化。其中“箱內橫梁”節點內部按照所屬主梁的原則進一步增設子節點來管理其定位元素；“箱間橫梁”節點內部則根據兩側所連接主梁的不同進一步擴展了子節點。

1.2.2 幾何元素命名規則

除了一些固定的基本定位元素以外，例如道路中心線、邊線、分孔線等，其他幾何元素應嚴格遵循特定的命名規則，以滿足程序自動判別并捕獲的要求。為了便于從“跨”節點中直接獲取相應的幾何元素，命名的“跨”名稱應在“跨”節點內具有唯一性。因此，筆者結合各要素的信息表達需求設計了命名規則。詳見表2。

表2 LOD50幾何元素命名規則Table 2 Naming rules of geometric elements in LOD50

表2的命名規則經過了實際應用的反復優化，充分考慮了模型迭代的信息需求并去除了冗余信息。以“箱間橫梁”的子節點為例，其名稱為“2_3”，分別對應箱間橫梁所連接2根縱梁的編號，通過縱梁編號“2”“3”，可以從“縱梁軸線”節點中獲取對應的縱梁軸線，再根據縱梁軸線的類型在“腹板線”節點中獲取對應的腹板線。若縱梁軸線類型為槽型梁，腹板線名稱分別為“2_R”和“3_L”；若縱梁軸線類型為鋼板梁，腹板線名稱分別為“2_C”和“3_C”。因此，在僅有兩側縱梁編號的條件下，程序足以自動捕獲到兩側對應的主梁軸線和腹板線。

2 鋼混組合梁模型正向設計

2.1 正向設計流程

結合LOD分級體系和銜接機制，筆者提出了鋼混組合梁多尺度正向設計方法。通過對比目前市面上的BIM核心建模軟件解決方案，綜合考慮軟件的參數化水平、曲面造型能力和接口開放程度等，最終確定以達索3D Experience平臺為基本框架的正向設計方案。軟件工作流程主要包括總體骨架、結構骨架和用戶自定義特征(user defined feature，UDF)實例化這3個過程，如圖3。

圖3 基于3D Experience平臺的正向設計流程Fig. 3 Forward design process based on 3D Experience platform

圖3中，城市高架的布跨設計，即軟件工作流程中的分孔線布置，是一項極其依賴設計經驗的復雜過程，需要對橋下通行、布墩條件、結構受力等進行綜合評估，其正向設計采用輸入既有的布跨信息并自動創建布跨關鍵要素的方式來完成。對于結構骨架的正向設計，筆者通過梳理其設計邏輯，整合構造原則，提出了一種半自動設計方法，能夠有效提高設計效率。

2.2 結構骨架的半自動設計

鋼混組合梁結構骨架的創建是多尺度正向設計流程中至關重要的環節，對后續UDF模板的正確調用和空間定位起著決定性作用。根據鋼混組合梁的結構特點，筆者對結構骨架進行設計流程分解，大致可拆分為立面設計、斷面設計和平面設計3個基本流程，而每一個設計流程都是一個具有經驗性的復雜過程。傳統的依靠設計人員經驗知識的設計模式效率較低，難以滿足多聯多跨城市高架鋼混組合梁快速化設計的需求。因此，筆者對3D Experience平臺進行二次開發，通過內嵌設計邏輯和構造原則的方式實現結構骨架的半自動設計，其半自動能力主要表現為在給定布跨和標準設計參數后可自動完成多聯多跨鋼混組合梁結構骨架的設計，同時也適用于變寬段主梁增設時的復雜情況。此外，引入決策表以解決設計過程中條件判斷多、組合情況復雜的邏輯判斷問題，從而有效降低了設計人員和開發人員的溝通成本，減少了因理解偏差和條件組合工況遺漏所導致的邏輯錯誤。

2.2.1 立面半自動設計

立面設計中的結構骨架主要用于控制混凝土橋面板和主梁梁底的線型，其半自動化設計步驟如下：

Step 1獲取節段跨徑。利用總體骨架中分孔線分割道路中心線，從而獲得當前節段的中心線，測量該曲線的平面投影長度得到當前節段的跨徑L。

Step 2判斷主梁立面形式。若L>L1，則采用變高梁，進入Step 3；若L≤L1，則采用等高梁，并跳轉至Step 4。

Step 3判斷梁底變高線型。若L≤L2，則梁底采用折線型變高；反之，采用二次拋物線變高。

Step 4確定梁高值。歸納跨徑與梁高的對應關系，并嵌入程序內部進行自動判斷。

Step 5輸入立面布置尺寸參數。參數包括梁端及支座定位尺寸和橋面板的幾何尺寸。

Step 6生成立面布置定位線。調用應用程序接口(application programming interface，API)中的線框元素工廠對象生成對應的立面結構骨架。

Step 7按指定命名規則進行重命名。

L1、L2分別為采用等高梁、折線型變高梁的最高跨徑值，需根據實際設計需求確定。表3為某橋立面設計參數經驗總結，其中L1=40 m，L2=50 m。

表3 某橋立面設計參數經驗總結Table 3 Experience summary of elevation design parameters of a bridge

2.2.2 斷面半自動設計

鋼混組合梁的斷面設計是在給定的橋梁兩側邊線范圍內進行合理的縱梁排布。半自動設計具體表現為：能在標準斷面設計的基礎上進行自動增設，以適應橋寬變化。以槽型梁為例，其設計流程如圖4，具體步驟如下：

Step 1確定主梁類型。筆者選擇槽型梁和鋼板梁2種主梁類型。

Step 2標準布梁。根據用戶輸入的標準布梁數據，對所有節段按標準類型進行布梁，生成標準主梁軸線。結構骨架中的斷面設計即確定縱梁根數和其所在軸線的位置，輸入的數據包括左邊梁懸臂wL、右邊梁懸臂wR、主梁根數n、主梁間距w和結構偏移值wo，其中結構偏移值是指結構中心線相對于道路中心線的距離，左負右正。此外，當主梁為不等距布置時，各個主梁間距需單獨給出。

Step 3自動增設。主梁增設是以邊梁軸線和次邊梁軸線間的距離為判斷依據，在Step 2的基礎上按照構造要求進行縱梁的補充設計，以滿足橋梁變寬等復雜情況的布梁任務。自動增設的前提條件是主梁根數n≥ 2。如圖4，筆者利用遞歸思想，將增設類型簡化為增設1根鋼板梁和增設1根槽型梁2種基本類型，以dmax≤wmax+bk為遞歸終止條件，不斷更新邊梁和次邊梁軸線間的距離，并迭代增設類型的判斷，直到滿足終止條件為止。而當主梁類型為鋼板梁時，取bk=0。

Step 4按指定命名規則進行重命名。

圖4 槽型梁斷面半自動設計流程Fig. 4 Semi-automatic design process of take groove beam section

2.2.3 平面半自動設計

鋼混組合梁平面設計即在斷面設計的基礎上進行橫梁排布，如圖5。

圖5 平面設計線元示意Fig. 5 Schematic diagram of line elements in plane design

具體步驟如下：

Step 1生成腹板線。將主梁軸線C1按bk/2值偏移出主梁腹板線，記作C2。

Step 2生成梁端控制線。從立面設計中獲取梁端及支座定位參數，生成梁端線C3和支座定位線C4，并設定橫梁最小間距hmin，根據該值偏移C4得到兩側橫梁控制線C5，以保證端部橫梁與其他橫梁間的最小間距要求。

Step 3獲得實際的主梁定位線。利用Step 2中的C3裁剪主梁軸線C1和主梁腹板線C2，從而得到實際的主梁軸線C′1和腹板線C′2。

Step 4判斷橫梁布設的平面角度β。橫梁布設角度分為正交和斜交，設定角度閾值，根據分孔線與道路中心線的角度進行自動判別。

Step 5生成箱內橫梁結構骨架，主梁類型為鋼板梁時，忽略本步驟。由于斜交橋的存在，單跨中不同主梁的箱內橫梁布置可能會有所差異，因此需從幾何關系層面給定邏輯判斷。利用C5裁剪C2得到箱內橫梁布置的邊界線C6，沿該跨所在的道路中心線按橫梁間隔g分配橫梁定位點，在橫梁定位點上向β方向作足夠覆蓋整個橋寬的輔助線C7，若C7與該主梁所對應的C6均有交點，則判定該主梁在C7位置處存在箱內橫梁。

Step 6裁剪增設的鋼板梁軸線。如圖4，當增設的主梁為鋼板梁時，未對dmin進行限定；待橫梁輔助線C7確定后，利用C7對增設鋼板梁進行裁剪，以達到滿足構造要求的目的。

Step 7判斷箱間橫梁布設類型。文中所涉及的鋼混組合梁具有多種橫梁類型和布置方式(圖6)，且影響因素眾多，橫梁的布設是一個多邏輯條件下執行不同操作的復雜問題。因此，筆者基于決策表法對各種可能的情況進行列舉，并進一步聚合，最后由開發人員形成if-then-else 或者switch-case的邏輯代碼。

圖6 基于決策表的箱間橫梁布置邏輯Fig. 6 Layout logic of crossbeam between boxes based on decision table

Step 8生成箱間橫梁結構骨架。當主梁類型為鋼板梁時，可參照Step 5中槽型梁的箱內橫梁布置邏輯進行箱間橫梁的布設；當主梁類型為槽型梁時，由于可能存在槽型梁和鋼板梁的混合，因此其布設邏輯按以下步驟考慮：

1)剔除增設的鋼板梁；

2)若當前C7位置的箱間橫梁所連接的兩根主梁在對應的C7位置均具有箱內橫梁，則此處應設置箱間橫梁，反之不設；

3)除鋼板梁裁斷處的箱間橫梁以外，使用鋼板梁軸線對初步形成箱間橫梁進行分割，從而形成最終的箱間橫梁定位線。

Step 9按指定命名規則進行重命名。

圖7為任一變寬情況下的結構骨架半自動設計結果。可見涵蓋了曲線布梁、主梁增設、橫梁斜交、鋼板梁截斷以及主梁變高等多種復雜情況，結果證明半自動設計方法具有較高的魯棒性。

圖7 結構骨架半自動設計Fig. 7 Semi-automatic design of skeleton

3 多尺度模型創建

多尺度模型創建的本質是基于結構骨架進行UDF模板實例化的過程，如圖8。

圖8 模型實例化流程Fig. 8 Flow chart of model instantiation

根據命名規則，逆向提取關鍵信息，并通過類型信息與模板之間的對應關系，從服務器端檢索UDF模板，獲取結構骨架和用戶輸入的模型參數，并在實例化過程中修改UDF模板參數，最終生成對應的鋼混組合梁BIM模型。為了適應多尺度建模的需求，每個類型信息應對應3個不同LOD等級的UDF模板，按照當前所在設計階段進行自動調用。

為了驗證基于3D Experience平臺鋼混組合梁多尺度正向設計的可行性，筆者采用i7-9700 @3.00 GHz八核處理器，32 GB RAM和Nvidia Geforce GTX 1660顯卡的計算機，根據圖8的流程，在曲線路段上生成單跨鋼混組合梁多尺度模型(圖9)，并記錄生成各部件所消耗的時長T，見表4。

圖9 單跨LOD50、LOD200、LOD300、LOD350模型Fig. 9 Single-span LOD50, LOD200, LOD300, LOD350 model

表4 LOD模型實例耗時測試結果Table 4 Time consuming test results of LOD model examples

由表4可知：

1)模型實例化效率由高至低依次為LOD50，LOD200，LOD300，LOD350，二維LOD模型的生成效率明顯優于其他三維LOD模型，運行時長呈指數型增長。

2)不同構件的UDF模板因其內部幾何邏輯的復雜度不同也存在生成效率上的差異。

因此在實際設計過程中，應避免直接生成高精度BIM模型，而是采用遞進式的設計方式[20]，模型由低LOD等級向高LOD等級不斷迭代，一方面能夠在設計初期實現低維度下的高效設計反饋；另一方面可以大大增加模型和參數的復用性，從而提高設計效率。

4 結 語

筆者根據鋼混組合梁正向設計的具體需求，提出了一種多尺度BIM正向設計方法。首先，參照國內外LOD相關規范，提出了基于模型精細度的鋼混組合梁模型分級方案，將鋼混組合梁劃分為4種LOD等級，并通過結構樹框架和命名規則建立不同LOD模型的銜接機制，實現不同精細度下模型數據的有效傳遞。其次，基于3D Experience平臺提出了適應鋼混組合梁多尺度建模的軟件工作流程，在既有功能的基礎上進行二次開發實現對鋼混組合梁正向設計的擴展，通過集成設計邏輯和構造原則實現了結構骨架的半自動設計，并借助決策表解決了復雜設計邏輯下的理解偏差和工況遺漏問題。最后，按照不同的模型精細度等級分別創建鋼混組合梁BIM模型。研究結果表明：多尺度BIM正向設計方法能夠在低LOD等級下實現高效的設計反饋，提高了模型的復用性。