典型結(jié)構(gòu)橋梁三維參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)研究

元 宇 孟祥蔭

（華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京210014）

現(xiàn)階段，BIM技術(shù)在典型橋梁上的應(yīng)用是一個(gè)熱點(diǎn)話題，為了推動(dòng)我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)橋梁和制造企業(yè)向數(shù)字化轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)建造業(yè)工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化及智能化，BIM技術(shù)的應(yīng)用可以成為制造業(yè)向高質(zhì)量、高標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的突破口。

通過BIM三維參數(shù)化設(shè)計(jì)降低設(shè)計(jì)難度，同時(shí)提高設(shè)計(jì)精度，促進(jìn)典型結(jié)構(gòu)橋梁在橋梁建設(shè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

1 參數(shù)化設(shè)計(jì)理論

參數(shù)化設(shè)計(jì)應(yīng)用廣泛，對(duì)于不同領(lǐng)域具有不同的應(yīng)用價(jià)值，早在工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展及應(yīng)用，隨著科技發(fā)展，不斷拓展業(yè)務(wù)，對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，也在嘗試性應(yīng)用推廣，所謂參數(shù)化設(shè)計(jì)，就是通過設(shè)定邊界條件把影響因素集合在一起，再通過計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編程將數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為另外一種形式，例如：圖像、聲音、行為等。參數(shù)化設(shè)計(jì)通過設(shè)計(jì)師構(gòu)想把參數(shù)化模型中的其中一個(gè)參量進(jìn)行改變，使其通過另一種形式展現(xiàn)出來，不再像傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式，通過設(shè)計(jì)構(gòu)想形體，再利用紙質(zhì)形式描述出來，這種設(shè)計(jì)流程大大增加了設(shè)計(jì)工作難度，并且有一定的局限性。參數(shù)化設(shè)計(jì)借助計(jì)算機(jī)運(yùn)行處理對(duì)于簡(jiǎn)單形體不是很明顯，但對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，卻體現(xiàn)的淋漓盡致，通過改變一個(gè)設(shè)計(jì)條件，幾何形體也隨著發(fā)生改變。對(duì)于一個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目來說，設(shè)計(jì)方案可能隨時(shí)都會(huì)發(fā)生改變，同時(shí)，設(shè)計(jì)參數(shù)也相應(yīng)發(fā)生大幅度改變，隱形的增加了設(shè)計(jì)難度，拖延了設(shè)計(jì)進(jìn)度，但如果通過參數(shù)化平臺(tái)就可以實(shí)時(shí)改變參數(shù)，對(duì)形體進(jìn)行重新改變，達(dá)到最終設(shè)計(jì)效果。

2 典型結(jié)構(gòu)橋梁三維參數(shù)化設(shè)計(jì)

2.1 適用于工業(yè)化生產(chǎn)的典型結(jié)構(gòu)橋梁構(gòu)件庫(kù)研究

對(duì)于BIM設(shè)計(jì)，主要以“模型+骨架”的建模思想對(duì)典型結(jié)構(gòu)橋梁進(jìn)行三維模型創(chuàng)建，“骨架”的作用是確定各個(gè)構(gòu)件在模型整體中位置關(guān)系的一些簡(jiǎn)單元素，可能會(huì)以點(diǎn)、線、面等形式作為位置參考標(biāo)準(zhǔn)，利于模型構(gòu)件的組合與創(chuàng)建。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)節(jié)點(diǎn)信息創(chuàng)建系列坐標(biāo)系，為各個(gè)不同位置的鋼橋構(gòu)件提供參考面。“模板”由鋼橋BIM標(biāo)準(zhǔn)件和鋼橋BIM模型庫(kù)組成，通過發(fā)號(hào)信令可實(shí)現(xiàn)對(duì)模型庫(kù)里的構(gòu)件自行裝配，達(dá)到快速建模的目的，大大減少了設(shè)計(jì)人員對(duì)BIM模型更新和修改的時(shí)間和程序，降低了工程拖入成本。基于CATIA 的橋梁構(gòu)件如圖1所示。

2.2 基于構(gòu)件庫(kù)的橋梁建模方法研究

2.2.1 鋼箱梁節(jié)段上的球扁鋼、U 型肋板和翼緣板等屬于常用輔助構(gòu)件，與標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)里的構(gòu)件比較相似，所以，可以對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單修改并儲(chǔ)存在BIM模型的構(gòu)件庫(kù)里。首先，在CATIA 平臺(tái)編輯器里，通過對(duì)構(gòu)件精細(xì)化設(shè)計(jì)，定義尺寸范圍，確定構(gòu)件之間約束關(guān)系，再通過在公式功能編輯器里，對(duì)構(gòu)件賦予材料、尺寸等參數(shù)信息，與橋梁三維模型形成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，形成聯(lián)動(dòng)機(jī)制，從而使模型受到控制參數(shù)和關(guān)聯(lián)公式的驅(qū)動(dòng)，經(jīng)過配置后，使模型中的設(shè)定參數(shù)均能被設(shè)計(jì)表中的參數(shù)所驅(qū)動(dòng)，從而得到標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)。

圖1 基于CATIA 的橋梁構(gòu)件

2.2.2 針對(duì)鋼箱梁節(jié)段模型，利用知識(shí)工程的二次開發(fā)功能進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)BIM模型庫(kù)的創(chuàng)建，以產(chǎn)品知識(shí)庫(kù)的建立為基礎(chǔ)進(jìn)行模型的參數(shù)化建模，預(yù)先建好節(jié)段參數(shù)化模型，添加模型對(duì)應(yīng)的參數(shù)，為幾何模型定義尺寸約束關(guān)系并進(jìn)行公式編輯，實(shí)現(xiàn)用參數(shù)變量驅(qū)動(dòng)幾何尺寸。在模型參數(shù)化的基礎(chǔ)上，針對(duì)模型中存在的參數(shù)設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，用戶通過制定的參數(shù)輸入對(duì)話框來進(jìn)行所有相關(guān)操作，后臺(tái)調(diào)用CATIA 軟件提供的二次開發(fā)接口API 和運(yùn)行編制的程序修改模型中關(guān)聯(lián)的參數(shù)值，同時(shí)，根據(jù)用戶選擇的標(biāo)準(zhǔn)件型號(hào)從本地標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)加載到產(chǎn)品中進(jìn)行自動(dòng)裝配，進(jìn)而創(chuàng)建非特定結(jié)構(gòu)參數(shù)模型。為滿足用戶定制化需求，訪問后臺(tái)模型信息數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行一些基本信息的保存與編輯。

2.3 典型結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)參數(shù)數(shù)據(jù)及力學(xué)分析信息構(gòu)成研究

2.3.1 BIM模型與局部分析數(shù)據(jù)融合研究

局部計(jì)算后形成的云圖數(shù)據(jù)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(jì)算數(shù)據(jù)與BIM模型融合的關(guān)鍵就在于能否在BIM模型中識(shí)別到計(jì)算時(shí)軟件劃分的網(wǎng)格，在BIM模型中找到對(duì)應(yīng)的計(jì)算分析網(wǎng)格位置點(diǎn)，并將計(jì)算軟件的數(shù)值作為一個(gè)屬性賦予給該節(jié)點(diǎn)，通過對(duì)數(shù)據(jù)的重構(gòu)即可完成BIM模型與力學(xué)分析數(shù)據(jù)的融合。

2.3.2 整體計(jì)算與局部計(jì)算集成研究

基于BIM模型，得出的力學(xué)分析數(shù)據(jù)包括整體計(jì)算和局部分析兩大部分。兩部分?jǐn)?shù)據(jù)是采用不同軟件進(jìn)行計(jì)算分析，導(dǎo)致無法同時(shí)查看兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，無法校核整體與局部分析的準(zhǔn)確性。因此，首先將整體計(jì)算一一映射到模型實(shí)體中，然后，根據(jù)局部計(jì)算的區(qū)域清除整體計(jì)算的數(shù)值，并重新賦予局部計(jì)算的力學(xué)數(shù)值。通過兩者的結(jié)合可以清楚地展示出兩者計(jì)算的準(zhǔn)確性。

圖2 BIM 模型與力學(xué)分析數(shù)據(jù)融合

2.3.3 力學(xué)數(shù)據(jù)與模型的聯(lián)動(dòng)

實(shí)現(xiàn)力學(xué)數(shù)據(jù)與模型的聯(lián)動(dòng)，需要對(duì)路線初始骨架進(jìn)行特殊補(bǔ)償處理，當(dāng)未進(jìn)行力學(xué)計(jì)算時(shí)，CATIA 模型中的路線力學(xué)補(bǔ)償值為0，當(dāng)進(jìn)行計(jì)算后，補(bǔ)償值則按照各節(jié)段的變形值作為補(bǔ)償值，路線的縱斷面則會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，而基于“骨架+模板”技術(shù)，實(shí)體模型會(huì)隨著骨架發(fā)生自適應(yīng)變化。

3 基于三維數(shù)字模型的快速出圖方法研究

在初步設(shè)計(jì)與施工圖設(shè)計(jì)階段，通過參數(shù)化設(shè)計(jì)手段對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比對(duì)及調(diào)整后，在BIM 模型平臺(tái)中，可直接正向出圖，且二維視圖與三維模型可以相互關(guān)聯(lián)及轉(zhuǎn)化，只要一方對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整，相應(yīng)一方也會(huì)隨著發(fā)生改變，利用BIM 平臺(tái)出圖的優(yōu)勢(shì)在于可以通過參數(shù)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(shè)計(jì)效率。未來設(shè)計(jì)提交的成果將是包含完整的橋梁力學(xué)數(shù)據(jù)、文字類型的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及三維幾何模型的三維數(shù)字模型，為滿足當(dāng)下設(shè)計(jì)行業(yè)規(guī)定，需要提交圖紙作為設(shè)計(jì)成果。解決方案是通過對(duì)三維數(shù)字模型進(jìn)行解析，讀取其設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及三維模型，以實(shí)現(xiàn)二維圖紙快速生成，選用BIM協(xié)同平臺(tái)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行正向出圖，圖3 所示為數(shù)字化設(shè)計(jì)三維圖。

圖3 數(shù)字化設(shè)計(jì)三維圖

4 結(jié)論

工業(yè)化制造中制造決策與信息追蹤是典型結(jié)構(gòu)橋梁為日后大規(guī)模推廣應(yīng)用現(xiàn)階段想要解決的關(guān)鍵問題，本文根據(jù)典型結(jié)構(gòu)橋梁結(jié)構(gòu)特征，基于CATIA 平臺(tái)對(duì)典型結(jié)構(gòu)橋梁三維模型進(jìn)行拆分，對(duì)各構(gòu)件賦予信息屬性，形成橋梁標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫(kù)和模型庫(kù)，對(duì)典型結(jié)構(gòu)橋梁三維參數(shù)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析與研究，提出了典型結(jié)構(gòu)橋梁快速設(shè)計(jì)方法，并基于BIM模型三維快速出圖的作用原理進(jìn)行了研究，為橋梁工程在設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)階段提供重要技術(shù)參考。