基于參數(shù)驅(qū)動的常泰長江大橋鋼桁正向設(shè)計思路

張皓清，苑仁安，傅戰(zhàn)工

（中鐵大橋勘測設(shè)計院集團有限公司，湖北 武漢 430000）

1 概述

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術(shù)目前在橋梁工程建設(shè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，應(yīng)用范圍涉及設(shè)計、施工、后期運營、養(yǎng)護維修等，覆蓋了橋梁的全生命周期［1-2］。滬通長江大橋?qū)IM技術(shù)應(yīng)用于鋼桁梁焊接數(shù)據(jù)管理、虛擬拼裝、三維設(shè)計與加工一體化、構(gòu)件二維碼物聯(lián)應(yīng)用等方面［3-5］。BIM技術(shù)在設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用熱點之一，便是正向設(shè)計。郝蕊等［6］將橋梁基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與CGA（Computer Generated Architecture）規(guī)則相結(jié)合，形成參數(shù)化驅(qū)動的鐵路橋梁三維模型快速構(gòu)建方法。張興華［7］自主開發(fā)一款具有二維交互設(shè)計及三維顯示功能的鐵路橋梁BIM設(shè)計程序。BIM技術(shù)的先進性和可擴展性決定了從傳統(tǒng)CAD二維設(shè)計向BIM設(shè)計轉(zhuǎn)變是大勢所趨，堪稱勘察設(shè)計行業(yè)的又一次技術(shù)革命［8］。

目前尚未有針對鋼桁進行系統(tǒng)化正向設(shè)計研究，包含三維模型迅速生成、工程圖紙輸出和材料數(shù)量表快速生成等。基于此，依托常泰長江大橋鋼桁設(shè)計背景，介紹一種基于參數(shù)化驅(qū)動的鋼桁正向設(shè)計思路。

2 工程概況

常泰長江大橋位于泰州大橋與江陰大橋之間，連接江蘇省泰興市與常州市。主航道橋采用主跨1 176 m斜拉橋，孔跨布置為（142+490+1 176+490+142）m=2 440 m，主梁采用雙層橋面，上層為密縱梁結(jié)構(gòu)體系，下層為箱桁組合結(jié)構(gòu)體系。桁架采用N形桁，桁寬35.0 m，桁高15.5 m，全橋共174個節(jié)間，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段為2節(jié)間，長28 m。橋梁為三合一功能過江通道，上層為雙向6車道高速公路，下層上游側(cè)為雙線城際鐵路，下層下游側(cè)為雙向4車道一級公路，斷面荷載非對稱布置（見圖1、圖2）［9］。

圖1 常泰長江大橋主航道橋示意圖

常泰長江大橋主跨跨度1 176 m，在公鐵兩用斜拉橋中居世界第一，因此在鋼桁設(shè)計中采用了諸多設(shè)計考慮。首先，鋼桁采用Q370qE、Q420qE與Q500qE共3種強度型號的鋼材，其中Q420qE與Q500qE高強鋼材用于橋塔、輔助墩處主梁受力較大區(qū)域；其次，由于橋梁橫斷面非對稱布置，導(dǎo)致鋼桁梁空間受力效應(yīng)顯著，上、下游桁片受力存在差異；最后，由于橫向跨度很大，桁寬35.0 m，導(dǎo)致主桁采用較大內(nèi)寬1.2 m，因此腹桿根據(jù)受力需要采用3類斷面形式：H形、王字形（帶肋H形）和箱形（帶肋）。

圖2 鋼桁28 m標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段模型

基于以上考慮，若采用傳統(tǒng)設(shè)計方法存在以下問題：

（1）結(jié)構(gòu)計算與繪圖無法同步進行。傳統(tǒng)繪圖方式為減少后期修改，需等計算結(jié)果穩(wěn)定后才可開展繪圖。

（2）繪圖參數(shù)數(shù)據(jù)量大，人工讀取效率低，需投入大量人力核圖。

（3）無法迅速得到結(jié)構(gòu)三維模型，方案討論、成果展示不直觀，工程用量統(tǒng)計不精準(zhǔn)。

因此，常泰長江大橋鋼桁采用正向設(shè)計。

3 鋼桁正向設(shè)計思路

鋼桁正向設(shè)計思路大體為：從總體“骨架”系統(tǒng)線到局部節(jié)段建模再回到總體“骨架”系統(tǒng)線，移動控制點至下一節(jié)段更新模型，如此循環(huán)，直至所有標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段設(shè)計完成（見圖3）。設(shè)計過程采用參數(shù)驅(qū)動，可實現(xiàn)批量設(shè)計出圖。

圖3 參數(shù)化驅(qū)動鋼桁梁設(shè)計思路

參數(shù)化驅(qū)動鋼桁設(shè)計具體思路如下：

（1）獲取全橋系統(tǒng)線。全橋主桁系統(tǒng)線即是全橋鋼桁的“骨架線”，由桿件制造長度、角度等參數(shù)確定。系統(tǒng)線驅(qū)動參數(shù)由總體線形計算人員確定，鋼桁細部設(shè)計人員僅能讀取調(diào)用建模所需參數(shù)，無權(quán)限修改，可確保數(shù)據(jù)交接的準(zhǔn)確性。此外，由于幾何模型和系統(tǒng)線參數(shù)存在驅(qū)動鏈接，若全橋系統(tǒng)線發(fā)生改動，模型也會自動更新。

（2）建立標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段模型。節(jié)段模型由控制點定位，控制點依附于全橋主桁系統(tǒng)線。模型建立的過程實質(zhì)上是將參數(shù)與幾何尺寸鏈接的過程。每進行幾步可嘗試改變參數(shù)，觀察模型是否正常驅(qū)動，方便及時查找問題、調(diào)整建模方式。

需要說明的是，由于建模過程步驟繁多，設(shè)計者很難在建模之前將所有參數(shù)定義全面。因此，建議先建立模型，然后在建模過程中根據(jù)需要定義參數(shù)。為了減少參數(shù)數(shù)量，優(yōu)化建模流程，應(yīng)盡可能采用幾何關(guān)系約束建模。例如，2個板件鏡像對稱，采用鏡像約束；2個板件開孔位置相同，采用投影孔洞的方式定位。

常泰長江大橋鋼桁采用整體焊接節(jié)點，節(jié)點位置處的桿件連接構(gòu)造復(fù)雜。若采用先建立桿件后生成節(jié)點的方式較難實現(xiàn)，因此建議先建立節(jié)點板后生成桿件。節(jié)點板控制參數(shù)除倒圓半徑、坡度斜率外還有與其相連各桿件的輪廓尺寸，可通過幾何約束關(guān)系建立節(jié)點板與各連接桿件的幾何關(guān)系。

根據(jù)受力需要，常泰長江大橋主桁腹桿截面有3種類型：H形、王字形和箱形，分別對應(yīng)不同的腹桿類型參數(shù)（0表示H形、1表示王字形、2表示箱形）。為使標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段模型具有廣泛適用性，建模時需包含所有可能出現(xiàn)的板件，并設(shè)定軟件根據(jù)腹桿類型參數(shù)判斷，將不需要的板件隱藏。建模時腹桿截面類型見圖4，若程序判斷本節(jié)段腹桿為工字形則隱藏板件①、②和③；若腹桿為王字形，則隱藏①和②；若腹桿為箱形則隱藏③和④（箱形板肋②依據(jù)計算確定是否保留）。

節(jié)段模型的建模參數(shù)由參數(shù)表批量輸入，參數(shù)表中參數(shù)可依據(jù)節(jié)段編號從數(shù)據(jù)庫中自動搜索得到，避免人工輸入效率低、易出錯。

（3）將建好的模型從不同方向投影、剖切獲取視圖，視圖標(biāo)注后得到二維平面工程圖。圖面注釋參數(shù)也與參數(shù)庫建立好鏈接，如節(jié)點編號、系統(tǒng)線尺寸、傾角標(biāo)記尺寸等。圖紙的材料數(shù)量表也可由參數(shù)自動生成。可使設(shè)計人員從繁瑣的數(shù)據(jù)標(biāo)注、材料統(tǒng)計中解放出來，并減少人為粗心錯誤與核圖工作量。

因為二維工程圖紙是由三維模型剖切、投影得到，所以圖紙中不會出現(xiàn)幾何邏輯錯誤。復(fù)核人員可直接對三維模型進行校核，檢查板件之間的連接關(guān)系及是否存在碰撞，這種復(fù)核工作相對于平面圖紙更為直觀。

圖4 腹桿截面類型

（4）生成下個節(jié)段模型與圖紙。將本節(jié)段模型控制點遷移至下個節(jié)段位置（見圖5），本節(jié)段定位控制點為1—10（圖5中圓圈所示），分別對應(yīng)移動到下個節(jié)段控制點位置1’—10’（圖5中正方形所示），使得節(jié)段內(nèi)各桿件的位置參數(shù)、制造長度參數(shù)、傾角參數(shù)實現(xiàn)更新。

各桿件的位置參數(shù)、制造長度參數(shù)、傾角參數(shù)也可采用數(shù)據(jù)庫調(diào)用的方式輸入，但常泰長江大橋采用的控制點移動方式具有以下優(yōu)勢：①方便調(diào)整全橋線形。單根桿件制造參數(shù)改變會使全橋桿件系統(tǒng)線發(fā)生調(diào)整，若采用參數(shù)數(shù)據(jù)庫則需更新全部參數(shù)數(shù)據(jù)，包含各桿件夾角參數(shù)，工作量較大；而有全橋系統(tǒng)線的存在，僅需改變桿件制造長度參數(shù)，便可迅速更新各桿件夾角參數(shù)。②節(jié)段間分段點位置明確。在全橋系統(tǒng)線上可方便移動節(jié)段分段點（見圖5中1、5、7點位置），迅速實現(xiàn)分段點相鄰桿件長度的調(diào)整。

更新節(jié)段控制點位置后，在參數(shù)數(shù)據(jù)庫中輸入新的節(jié)段編號，由節(jié)段編號可自動搜尋得到新節(jié)段的模型參數(shù)。模型參數(shù)會以參數(shù)表的形式批量導(dǎo)入建模軟件，使得模型的尺寸信息、板厚信息及時更新。

（5）三維模型驅(qū)動二維工程圖紙自動更新，便捷實現(xiàn)施工圖出圖。

以上流程在常泰長江大橋鋼桁設(shè)計中得以應(yīng)用。目前很多軟件（如Inventor、Revit、Tekla、Bentley）都可實現(xiàn)模型參數(shù)化驅(qū)動，鋼桁參數(shù)驅(qū)動正向設(shè)計流程可由以上軟件實現(xiàn)。

4 參數(shù)管理與調(diào)用

參數(shù)化（Parametric）這個概念最早起源于數(shù)學(xué)，其含義是由若干變量構(gòu)成一個表達式，通過修改這些變量能夠改變表達式的值。在數(shù)字化設(shè)計環(huán)境中，參數(shù)化表現(xiàn)為通過改變設(shè)計對象的內(nèi)在變量來管理和控制設(shè)計對象的形態(tài)和相互關(guān)系。

參數(shù)化三維建模技術(shù)的根本思想是用參數(shù)定義模型的各種幾何特性，通過一定的公式和數(shù)學(xué)法則相互關(guān)聯(lián)，調(diào)整相關(guān)參數(shù)，從而批量、快速構(gòu)建三維模型［10］。常泰長江大橋主航道橋鋼桁共46類節(jié)段，一個節(jié)段由近400個參數(shù)驅(qū)動，合計約18 400個參數(shù)。因此如何實現(xiàn)高效的參數(shù)管理調(diào)用十分重要。為了便于管理，將鋼桁設(shè)計參數(shù)分為3類：系統(tǒng)線參數(shù)、桿件輪廓尺寸參數(shù)、桿件細部尺寸參數(shù)。

（1）系統(tǒng)線參數(shù)。系統(tǒng)線為鋼桁的“骨架線”，可作為節(jié)段建模定位的基準(zhǔn)。系統(tǒng)線數(shù)據(jù)庫中包含以下信息：各主桁桿件制造長度參數(shù)，節(jié)段間分?jǐn)帱c位置參數(shù)，端節(jié)點起拱傾角參數(shù)。這些參數(shù)由總體線形計算人員確定。

（2）桿件輪廓尺寸參數(shù)。桿件輪廓尺寸參數(shù)包含各桿件的幾何輪廓尺寸，如上、下弦桿內(nèi)寬與內(nèi)高尺寸，腹桿翼緣寬高尺寸，截面板件厚度尺寸，腹桿類型參數(shù)（H形、王字形、箱形）等。從節(jié)段模型建立的流程來看，這些參數(shù)獨立存在，不依賴其他參數(shù)取值。但這些參數(shù)僅可建立節(jié)段輪廓，粗略估算工程用量。

（3）桿件細部尺寸參數(shù)。為使模型細部更精確，能生成滿足加工制造精度的二維施工圖，定義了桿件細部尺寸參數(shù)。這類參數(shù)包含桿件上開孔定位尺寸（螺栓孔、人孔等）、鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)造細部尺寸（過焊孔、倒角等）和腹桿燕尾槽尺寸等。這些尺寸的應(yīng)用依賴于桿件輪廓尺寸參數(shù)，且部分是由輪廓尺寸運算后得到。

3類參數(shù)存在如下關(guān)聯(lián)：首先，系統(tǒng)線參數(shù)驅(qū)動系統(tǒng)線為建模起到定位作用，沒有系統(tǒng)線，便無法應(yīng)用桿件輪廓尺寸建模；其次桿件細部尺寸依賴于桿件輪廓尺寸，其取值受輪廓尺寸限制或由輪廓尺寸計算得到。

常泰長江大橋在實際應(yīng)用中參數(shù)管理采用電子表格的VBA開發(fā)功能，對鋼桁3類設(shè)計參數(shù)分別建立數(shù)據(jù)庫，所有參數(shù)可直接或間接通過節(jié)段編號搜尋。最終實現(xiàn)僅輸入節(jié)段編號便可自動生成導(dǎo)入模型的參數(shù)文件，極大提高了設(shè)計效率。

5 結(jié)束語

參數(shù)化驅(qū)動設(shè)計包含于BIM技術(shù)中，且是其重要組成部分。提出的鋼桁正向設(shè)計思路，通過對設(shè)計參數(shù)的系統(tǒng)化管理與高效調(diào)用，實現(xiàn)了迅速、批量得到節(jié)段三維模型與工程圖紙。通過在常泰長江大橋主航道橋鋼桁中的應(yīng)用，與傳統(tǒng)CAD繪圖相比，該技術(shù)優(yōu)勢體現(xiàn)在如下幾方面：

（1）結(jié)構(gòu)三維呈現(xiàn)，幾何關(guān)系清晰，對于復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)細節(jié)展示優(yōu)勢明顯；

（2）圖紙由三維模型投影、剖切得到，不會出現(xiàn)幾何邏輯上的明顯錯誤；

（3）工程量統(tǒng)計便捷、精準(zhǔn)，為施工吊裝提供準(zhǔn)確依據(jù)；

（4）人員分工管理明晰，工作交接界面清楚，不會出現(xiàn)由于總體線形調(diào)整、設(shè)計人員溝通不及時造成的圖面錯誤；

（5）標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段模型建立后，后續(xù)生成圖紙批量化、效率高，設(shè)計計算與繪圖可同步進行，并通過參數(shù)庫更新迅速實現(xiàn)圖紙修改更新。