1、CM&M 2023.011050 引言在桥梁概念设计阶段，为了找到合理且富有创新性的方案，设计师往往面临方案多样性和表达复杂性的挑战。传统设计流程是层层递进的。设计初期需要生成足够多的方案草图进行比选。受时间和工作量限制，一般采用淘汰的方法，选取很少的方案进行细化设计，由此影响了方案的多样化。设计师把精力过多投入到绘图、计算以及方案表现等方面，而较少地针对具体问题进行原创性的创新设计。BIM 正向设计之所以要强调“正向”，是为了与“BIM”翻模进行区分。目前虽然政策强有力地推广 BIM 技术，但是基本的专业技术、软件、理念等均不足以支撑其全流程正常运行，业内的工作流程、管理模式无法真正实现 B
2、IM技术的价值。设计单位主张应用 BIM 技术相应的收益无法被认可，投入大于收益，进而被迫以所谓“翻模”应付，但看图建模并不符合 BIM 的真正含义1。正向参数化设计(Parametric Design)是把设计的限制条件，通过相关数字化软件，与设计的形式输出之间建立参数关系，生成可以灵活调控的数字模型2。按照这种方法，设计师工作在两个层面上：定义方案的逻辑结构和约束条件，以及在这个基础上寻找合适的方案实例(参数组合)。与非参数化的设计方法相比，参数化设计的优点包括：更全面地搜索设计的可行空间，利于找到更加适应条件的方案；帮助发现和建造新的形态；减少方案修改和重复利用的成本；有助于设计师理解设
3、计对象3。但参数化设计增加了设计师前期的工作难度，设计师需要明确模型的逻辑,以便能够顺利完成设计方案并与其他工作环节相配合。参数化设计方法在建筑设计领域发展比较早。在桥梁设计方面，参数化设计还未形成成熟的体系。如果将桥梁结构作为建筑行业的一个分支，则可在 BIM 技术发展中找到一些与桥梁相关的内容。BIM 技术直接用于桥梁概念设计有诸多不便，这主要是由于设计初期处理的信息常常是不精确和不完整的。本文结合桥梁设计实践，探索了中小跨径桥梁的参数化建模方法。参数化模型通过几何建模软件来实现。1 桥梁参数化逻辑构成桥梁主要结构是将道路交通的荷载和自身的荷载按照一定的方式传递给基础，并为桥下通行留出活动
4、空间的一种特殊结构。各结构、部件之间的连接方式比较简单，参数化方式建立比较容易，所以在设计初期采用参数化建模有利于方案变更。桥梁的参数化逻辑构成是按照形体逻辑构成的，构件之间是通过参数化方程或坐标点形成了相关联的结构、形状和线形。也就是说，主桥、拱、人行梯道位置关系和主桥内部参数化之间的关系是通过参数化方程和坐标点来完成的。桥梁参数化逻辑如图 1 所示。该模型的核心是道路空间曲线，主桥和桥上的附属结构是以这条曲线为基础实现建模的，桥的截面通常也沿长度而变化，因此可以将多个截面排列在道路曲线空间上形成截面脊椎4，然后将脊椎作为模型的基本参数来建立整桥的参数化模型。主桥、拱等主要结构以及桥墩、桥台
5、等下部结构，可以用参数化方程进行约束。2 道路线形参数化描述先按照线路规划信息、道路勘测数据以及选线、定线方法，做桥梁平面设计和纵断面设计。道路空间线形的精确参浅析桥梁正向设计与智能参数化建模张国学 摘要：BIM 正向设计与参数化建模在建筑设计中的应用逐渐增多。桥梁作为一种特殊的建筑形式,对参数化建模的需求更加强烈。提出桥梁结构正向设计参数化建模的新思路，通过参数化的三维几何模型分析了桥梁正向参数化模型的逻辑构成,简述了模型中桥梁结构部分和整体的描述方法,并依托“生态路上跨西康高速新河村大桥”拱桥方案设计实例,来阐明参数化建模过程和设计流程。关键词：BIM；正向设计；参数化；建模（西安德信北路
6、建设工程有限公司，陕西西安 710018）图1 桥梁参数化逻辑106工程机械与维修CONSUMERS&CONSTRUCTION用户施工数化描述是指能根据方案调整线形，且在线形调整之后，桥梁结构模型也能够自动调整，这是参数化建模的基本要求。根据设计的平面线形和纵断面线形数据，在 BIM 软件内合成桥梁平面曲线及竖曲线。按照定距等分的方式重新采样，进而定义桥梁三维空间参数（X,Y,Z）值5，把三维空间点连起来就形成所需要的空间曲线。空间曲线采样点的多少，会直接影响参数化模型的精度。如图 2 所示为基于SolidWorks 曲线命令建立桥梁三维空间曲线，此曲线是正向BIM建模的主要参照引导线，也是决
7、定模型正确与否的控制线。3 桥梁结构参数化描述参数化模型一般采用“自上而下”的逻辑结构，首先建立笼统的结构，然后逐渐将结构细分，建立构件。桥梁结构的主要构件大多可以理解为刚性杆状的，其截面沿杆的长度方向扩展不变或变化较少，构件的外形主要采用“切片（Sectioning）”生成。桥梁的主要构件不是直接描述它的整体，也不是由内向外分层，而是沿一组曲线分解成一系列剖面切片建模6的方法进行放样、扫描、拉伸，并按设计的实际情况建立参数化模型。4 应用实例4.1 设计方案“生态路上跨西康高速新河村大桥”如图 3 所示，全线桥跨布置为 630m+250m+83m+250m，桥梁全长 463m，桥梁上部结构采
8、用钢箱梁+下承式提篮拱，下部结构为钢筋混凝土门式墩，下接承台+钻孔灌注桩。其中第三联 83m跨下承式提篮拱桥上跨西康高速，设置 4m 宽挑梁作为人非混合道，设置4m宽坡道与地面顺接，落地位置设置抗滑移基础。拱桥轴测图如图 4 所示。该拱桥采用钢主梁（系梁）承受拱端水平推力。主梁采用全焊接矩形钢箱截面，拱肋采用全焊矩形钢箱截面，设置两片拱肋。计算跨径 80m，铅垂面投影采用二次抛物线，矢高 16m，内倾 75，矢跨比 1/5。拱脚节段上端与拱肋焊接，下端与系杆阶段、端横梁焊接。4.2 参数化几何模型本方案的参数化模型是在 SolidWorks 中实现的，模型按照桥梁结构逻辑分为主桥、主拱和人行梯
9、道构成。主桥、主拱、人行梯道的建模是以各自空间曲线为基础，分别建立内部参数化模型，然后把主桥、主拱、人行梯道之间的位置关系，通过参数方程建立整体模型。主拱的空间曲线为二次抛物线，断面为矩形钢箱断面，下承式吊杆对称均匀分布构造。首先，在 SolidWorks 界面下，以主拱的空间曲线方程为基础，构筑主拱的空间曲线，按拱肋横断面设计尺寸建立主拱拱肋中心曲面，以主拱放样平面做基准扫相对应的断面。再连接顶板、底板、腹板平面形成参数化边界模型。然后通过参数化边界模型进行曲面填充、剪裁、拉伸及扫描，即可形成如图 5 所示的主拱肋参数化模型。拱肋模型控制参数如图 6 所示。建模过程中所有引入数据均做了参数化
10、处理，需要方案变更时，只需直接或间接改动参数就可以驱动模型随动修改。图2 三维空间曲线参数图3 桥型总体布置图4 拱桥轴测图图5 拱肋几何生成示意图图6 拱肋模型控制参数CM&M 2023.01107参考文献1 张国学.BIM 正向设计桥梁设计制造施工全过程指导 J.BIM 视界,2021.2 高岩.参数化设计更高效的设计技术和技法 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-BRIDGE
11、V2DataModel.2007.2.5 张国学,赵冬梅,王季凯,等.基于 solidworks 桥梁三维参数化 建模 J.城镇建设,2020.6 Iwamoto,L.,Digitalfabrications:architecturalandmaterialtechniques.2009:Prin-ceton Architectural Press.5 模型结构计算梁格节点计算模型如图 7 所示。组合形式一拱肋应力顶板包络图如图 8 所示。初设阶段，正向参数化建立的模型需要进行结构验算。在此只需将 SolidWorks 模型导入到Midas Civil 生成计算节点，进而通过节点分析验算桥梁结
12、构的强度、刚度及稳定性。6 智能参数化建模的优势智能参数化的目的是实现快速建模、快速修改，缩短时间，提高设计效率，目前主要体现在参数化建模方面。参数化建模可高效、智能、精准地创建多种方案选择，每一个项目设计都不可避免选择多种方案，而方案的优化需要可视三维模型。参数化环境里选择方案的数目不依赖于建模时间，只要建立了参数化模型，一个参数化模型便可以生成无数个不同的子模型，因此其在项目设计中有绝对优势。6.1 参数化建模更高效建立参数化模型对设计过程的高效能，主要体现在可高效调整方案，以响应项目进行中的各种变化，其间只需替换模型主要参数或者更改设计变量，一系列模型将自动生成。或者在建模过程中针对某一
13、类节点创建参数化节点，在模型创建过程中可批量应用于这一类节点。此节点会随主部件属性的不同或主部件的变更而智能生成，高效且准确。6.2 参数化建模更精准参数化建模相较于普通建模放样准确度更高，精度更高。普通的建模过程因受人为操作误差或放样方式的选择不同，而使创建的模型产生误差或错误，这在大型项目中尤为明显。而参数化建模将放样过程以变量公式、零件特征与基础变量的特征关联，尺寸相互约束限制，来自动生成放样信息，避免了手动绘图的操作误差。手动放样过程中受放样点的选择和有限的计算数据，常会选择用有限的直线段或拟合线来替代有无限点的曲线，用有限的小平面的拼接来取代有无限点的曲面等方式。在此放样过程中，产生
14、的误差是人为无法计算的或者无法避免的。而使用参数化建模可避免这一类计算缺陷。参数化模型的线条或面均有公式、方程智能生成，即模型是有无限的点完成的理想状态模型，因此计算结果更精准。6.3 参数化建模更易于变更修改项目施工过程中设计方案变更是不可避免的，普通模型在遇到设计变更时需要需改，修改时往往是牵一发而动全身，需要修改很多，且难免在修改过程中有遗漏或修改不到位的问题，甚至有时需要重新建模，由此导致建模的工作量很繁重。采用参数化模型时，当设计条件变更时，只需要修改主控变量，模型即可随变量的变化而重新生成。以钢箱梁为例，以综合考虑了路线平曲线、竖曲线等线形的空间曲线为基础，利用设置全局变量、关联方
15、程式、条件压缩、装配关系参数化等技术，建立全桥模型。后续路线如有变更，仅需将空间曲线三坐标批量导入更新，即可完成路线变更；相应的，仅需调整相关变量参数值，即可完成结构的快速变更。同时，如横隔板等结构类构件，可采用系列构件的方式建模，利用插件即可完成系列产品的选型，进而完成模型自动变更。7 结语本文以独特的逻辑构成，完成道路线形桥梁结构的参数化描述，通过实例阐述了桥梁参数化建模的新思路，利用现有的 BIM 软件插入参数化方程插件，让正向设计更快捷，修改更方便，对桥梁设计带来更大的效益，其推广应用具有非常大的价值。在 BIM 技术广泛应用的驱动下，建模已成为主流，对于钢结构项目建模已成为施工的必备条件。目前在钢结构行业比较普遍使用的 BIM 软件，如Tekla Structures、SolidWorks、Catia 等均有参数化建模的涉及，在各类相关软件的版本更新中也增加了很多变量公式和方程，且软件中的计算公式和方程类型越来越多，软件的设计更加灵活，留出更多空间给用户以对软件的二次开发，以方便用户智能快速准确的建模。图7 梁格节点计算模型图8 组合形式一拱肋应力顶板包络图
