摘要：首先，針對(duì)鋼混組合梁正向設(shè)計(jì)的具體需求，引入多尺度BIM建模方法，提出了基于模型精細(xì)度(LOD)的鋼混組合梁模型分級(jí)方案，并通過(guò)結(jié)構(gòu)樹(shù)框架和命名規(guī)則建立分級(jí)模型的銜接機(jī)制，實(shí)現(xiàn)不同精細(xì)度下模型數(shù)據(jù)的有效傳遞;其次，基于BIM平臺(tái)提出了鋼混組合梁多尺度BIM正向設(shè)計(jì)的基本流程，通過(guò)內(nèi)嵌設(shè)計(jì)邏輯和構(gòu)造原則的方式實(shí)現(xiàn)鋼混組合梁立面、斷面和平面半自動(dòng)設(shè)計(jì)，并利用決策表解決了多邏輯條件組合下的理解偏差和工況遺漏問(wèn)題;最后，按照不同模型精細(xì)度等級(jí)生成對(duì)應(yīng)的BIM模型，并測(cè)試模型實(shí)例化效率。結(jié)果表明：多尺度BIM正向設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于鋼混組合梁設(shè)計(jì)中，能夠有效提高正向設(shè)計(jì)的工作效率和三維模型的復(fù)用性。

　　關(guān)鍵詞：橋梁工程;鋼混組合梁;多尺度;模型精細(xì)度;建筑信息模型;正向設(shè)計(jì)

　　引言鋼混組合梁是將鋼梁與混凝土板通過(guò)連接件連成整體而共同工作的受彎結(jié)構(gòu)，它能最大限度地發(fā)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(huán)境友好、施工周期短等顯著優(yōu)勢(shì)[1]，因此被廣泛應(yīng)用于城市高架橋梁建設(shè)中。對(duì)于鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁而言，傳統(tǒng)以二維圖紙為信息載體的交付方式難以滿足設(shè)計(jì)意圖的精準(zhǔn)表達(dá)及工廠數(shù)字化預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)智能拼裝的要求，橋梁建設(shè)項(xiàng)目的各參與方對(duì)鋼混組合梁三維BIM(buildinginformationmodeling)模型的需求強(qiáng)烈。

　　然而，鋼混組合梁構(gòu)造形式復(fù)雜、構(gòu)件種類和連接方式多樣，常規(guī)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(wèn)題。王繼紅等[2]、齊成龍[3]利用“骨架+模板”的建模理念優(yōu)化線性工程的三維設(shè)計(jì)過(guò)程，可有效提高建模的精度，但軟件現(xiàn)有功能自動(dòng)化程度低，難以高效地創(chuàng)建鋼混組合梁模型。此外，現(xiàn)有的橋梁BIM正向設(shè)計(jì)系統(tǒng)以混凝土橋梁為主[4-16]，鋼混組合梁有關(guān)研究相對(duì)匱乏，且存在以下主要問(wèn)題：

　　1)脫離實(shí)際的設(shè)計(jì)流程。不同設(shè)計(jì)階段的側(cè)重點(diǎn)和設(shè)計(jì)信息的細(xì)度不盡相同，過(guò)度參數(shù)化的橋梁構(gòu)件模型在設(shè)計(jì)初期往往使得設(shè)計(jì)人員無(wú)從入手。

　　2)模型復(fù)用率低。在實(shí)際項(xiàng)目中，最終的設(shè)計(jì)方案是經(jīng)過(guò)多方協(xié)調(diào)并反復(fù)修改后的結(jié)果，一鍵生成精細(xì)化模型的建模方式不僅大量占用計(jì)算機(jī)硬件資源，而且一旦出現(xiàn)模型參數(shù)化以外的設(shè)計(jì)變更則意味著整體模型的重建，是導(dǎo)致當(dāng)前正向設(shè)計(jì)效率低下的主要原因之一。

　　3)模型數(shù)據(jù)缺乏可操作性。對(duì)于設(shè)計(jì)人員而言，三維模型雖有利于提升構(gòu)造細(xì)節(jié)上的直觀感知，但犧牲了扁平化設(shè)計(jì)所具備的清晰、高效的信息傳遞，而以抽象的二維線元來(lái)表達(dá)的結(jié)構(gòu)特征則更具可觀測(cè)性和可測(cè)量性，因此正向設(shè)計(jì)中二維線元的缺失給橋梁設(shè)計(jì)帶來(lái)了諸多不便。求的問(wèn)題，這已經(jīng)在隧道工程中得到了驗(yàn)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(shè)計(jì)領(lǐng)域，依據(jù)橋梁工程不同設(shè)計(jì)階段的信息需求，提出鋼混組合梁模型精細(xì)度(levelofdevelopment，LOD)分級(jí)方案，并建立分級(jí)模型復(fù)用的銜接機(jī)制;然后，基于3DExperience平臺(tái)提出了鋼混組合梁多尺度BIM正向設(shè)計(jì)的基本流程，并針對(duì)LOD50結(jié)構(gòu)骨架模型，提出了一種半自動(dòng)設(shè)計(jì)方法;最后，通過(guò)建立鋼混組合梁多尺度模型驗(yàn)證了該方法的可行性。

　　1鋼混組合梁BIM模型分級(jí)

　　1.1模型LOD分級(jí)

　　模型精細(xì)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(biāo)。考慮計(jì)算機(jī)硬件性能的限制以及不同設(shè)計(jì)階段的信息顆粒度差異，筆者引入LOD理念，參考美國(guó)建筑師學(xué)會(huì)的《Levelofevelopment(LOD)Specification》[19]和GB/T51301—2018《建筑信息模型設(shè)計(jì)交付標(biāo)準(zhǔn)》[20]兩種分級(jí)機(jī)制，結(jié)合鋼混組合梁的實(shí)際構(gòu)成，制定了一套符合鋼混組合梁BIM正向設(shè)計(jì)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(gè)等級(jí)：LOD50、LOD200、LOD300和LOD350。

　　LOD50僅作為前置定位條件，主要由點(diǎn)、線二維元素構(gòu)成，為接下來(lái)的模型實(shí)例化提供坐標(biāo)定位、構(gòu)件類型等信息。橋梁工程方案設(shè)計(jì)階段側(cè)重于結(jié)構(gòu)型式的比選，采用LOD200級(jí)別，構(gòu)件的幾何表達(dá)以面為主，模型不僅具有大致的輪廓，而且能夠保證關(guān)鍵尺寸的準(zhǔn)確性。

　　以槽型主梁為例，主梁高度、腹板長(zhǎng)度等尺寸信息在該等級(jí)下可以被精確表達(dá);LOD300用于定義初步設(shè)計(jì)階段，與LOD200的面模型不同，其模型為實(shí)體單元，忽略了部分構(gòu)造細(xì)節(jié)，如：加勁肋、過(guò)焊孔、剪力釘?shù)龋�能夠滿足結(jié)構(gòu)受力分析和投資概算的應(yīng)用需求;施工圖設(shè)計(jì)階段采用LOD350，以二維出圖、工程計(jì)量和施工仿真為目標(biāo)，涵蓋了鋼板厚度、加勁肋布置、對(duì)齊方式等更深層次的設(shè)計(jì)信息。

　　1.2分級(jí)模型銜接機(jī)制

　　為了獲得結(jié)構(gòu)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(dòng)化能力，筆者提出了鋼混組合梁模型結(jié)構(gòu)樹(shù)框架以及幾何元素命名規(guī)則。

　　1.2.1鋼混組合梁模型結(jié)構(gòu)樹(shù)框架

　　按照城市高架橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將鋼混組合梁LOD50模型的結(jié)構(gòu)樹(shù)劃分為3個(gè)層次，從高往低分別為上部、聯(lián)和跨。

　　“跨”節(jié)點(diǎn)內(nèi)具有完整的幾何表達(dá)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等特殊節(jié)段的存在，單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)跨參數(shù)集難以滿足城市高架多聯(lián)多跨的差異化需求，因此每個(gè)“跨”節(jié)點(diǎn)中均存儲(chǔ)了一套適用于該跨的配置參數(shù)集，以便于后續(xù)迭代過(guò)程中的參數(shù)復(fù)用。除了圖2的上部-聯(lián)-跨總體結(jié)構(gòu)層次，根據(jù)幾何定位元素功能的不同，“跨”節(jié)點(diǎn)內(nèi)部進(jìn)行了結(jié)構(gòu)樹(shù)深化。其中“箱內(nèi)橫梁”節(jié)點(diǎn)內(nèi)部按照所屬主梁的原則進(jìn)一步增設(shè)子節(jié)點(diǎn)來(lái)管理其定位元素;“箱間橫梁”節(jié)點(diǎn)內(nèi)部則根據(jù)兩側(cè)所連接主梁的不同進(jìn)一步擴(kuò)展了子節(jié)點(diǎn)。

　　1.2.2幾何元素命名規(guī)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(yīng)嚴(yán)格遵循特定的命名規(guī)則，以滿足程序自動(dòng)判別并捕獲的要求。為了便于從“跨”節(jié)點(diǎn)中直接獲取相應(yīng)的幾何元素，命名的“跨”名稱應(yīng)在“跨”節(jié)點(diǎn)內(nèi)具有唯一性。因此，筆者結(jié)合各要素的信息表達(dá)需求設(shè)計(jì)了命名規(guī)則。

　　2鋼混組合梁模型正向設(shè)計(jì)

　　2.1正向設(shè)計(jì)流程

　　結(jié)合LOD分級(jí)體系和銜接機(jī)制，筆者提出了鋼混組合梁多尺度正向設(shè)計(jì)方法。通過(guò)對(duì)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(shù)化水平、曲面造型能力和接口開(kāi)放程度等，最終確定以達(dá)索3DExperience平臺(tái)為基本框架的正向設(shè)計(jì)方案。軟件工作流程主要包括總體骨架、結(jié)構(gòu)骨架和用戶自定義特征(userdefinedfeature，UDF)實(shí)例化這3個(gè)過(guò)程。

　　城市高架的布跨設(shè)計(jì)，即軟件工作流程中的分孔線布置，是一項(xiàng)極其依賴設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的復(fù)雜過(guò)程，需要對(duì)橋下通行、布墩條件、結(jié)構(gòu)受力等進(jìn)行綜合評(píng)估，其正向設(shè)計(jì)采用輸入既有的布跨信息并自動(dòng)創(chuàng)建布跨關(guān)鍵要素的方式來(lái)完成。對(duì)于結(jié)構(gòu)骨架的正向設(shè)計(jì)，筆者通過(guò)梳理其設(shè)計(jì)邏輯，整合構(gòu)造原則，提出了一種半自動(dòng)設(shè)計(jì)方法，能夠有效提高設(shè)計(jì)效率。

　　2.2結(jié)構(gòu)骨架的半自動(dòng)設(shè)計(jì)

　　鋼混組合梁結(jié)構(gòu)骨架的創(chuàng)建是多尺度正向設(shè)計(jì)流程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，對(duì)后續(xù)UDF模板的正確調(diào)用和空間定位起著決定性作用。

　　根據(jù)鋼混組合梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，筆者對(duì)結(jié)構(gòu)骨架進(jìn)行設(shè)計(jì)流程分解，大致可拆分為立面設(shè)計(jì)、斷面設(shè)計(jì)和平面設(shè)計(jì)3個(gè)基本流程，而每一個(gè)設(shè)計(jì)流程都是一個(gè)具有經(jīng)驗(yàn)性的復(fù)雜過(guò)程。傳統(tǒng)的依靠設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的設(shè)計(jì)模式效率較低，難以滿足多聯(lián)多跨城市高架鋼混組合梁快速化設(shè)計(jì)的需求。因此，筆者對(duì)3DExperience平臺(tái)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，通過(guò)內(nèi)嵌設(shè)計(jì)邏輯和構(gòu)造原則的方式實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)骨架的半自動(dòng)設(shè)計(jì)。

　　其半自動(dòng)能力主要表現(xiàn)為在給定布跨和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)參數(shù)后可自動(dòng)完成多聯(lián)多跨鋼混組合梁結(jié)構(gòu)骨架的設(shè)計(jì)，并適用于變寬段主梁增設(shè)時(shí)的復(fù)雜情況。此外，引入決策表用于解決設(shè)計(jì)過(guò)程中條件判斷多、組合情況復(fù)雜的邏輯判斷問(wèn)題，有效降低了設(shè)計(jì)人員和開(kāi)發(fā)人員的溝通成本，減少因理解偏差和條件組合工況遺漏所導(dǎo)致的邏輯錯(cuò)誤。

　　2.2.1立面半自動(dòng)設(shè)計(jì)

　　立面設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)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(dòng)化設(shè)計(jì)步驟如下：Step1獲取節(jié)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(dāng)前節(jié)段的中心線，測(cè)量該曲線的平面投影長(zhǎng)度得到當(dāng)前節(jié)段的跨徑。

　　2.2.2斷面半自動(dòng)設(shè)計(jì)

　　鋼混組合梁的斷面設(shè)計(jì)是在給定的橋梁兩側(cè)邊線范圍內(nèi)進(jìn)行合理的縱梁排布，半自動(dòng)設(shè)計(jì)具體表現(xiàn)為能在標(biāo)準(zhǔn)斷面設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行自動(dòng)增設(shè)，以適應(yīng)橋?qū)捵兓��?/p>

　　3多尺度模型創(chuàng)建

　　多尺度模型創(chuàng)建的本質(zhì)是基于結(jié)構(gòu)骨架進(jìn)行UDF模板實(shí)例化的過(guò)程。根據(jù)命名規(guī)則，逆向提取關(guān)鍵信息，并通過(guò)類型信息與模板之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從服務(wù)器端檢索UDF模板，獲取結(jié)構(gòu)骨架和用戶輸入的模型參數(shù)，并在實(shí)例化過(guò)程中修改UDF模板參數(shù)，最終生成對(duì)應(yīng)的鋼混組合梁BIM模型。為了適應(yīng)多尺度建模的需求，每個(gè)類型信息應(yīng)對(duì)應(yīng)3個(gè)不同LOD等級(jí)的UDF模板，按照當(dāng)前所在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行自動(dòng)調(diào)用。為了驗(yàn)證基于3DExperience平臺(tái)鋼混組合梁多尺度正向設(shè)計(jì)的可行性，筆者采用i7-9700@3.00GHz八核處理器，32GBRAM和NvidiaGeforceGTX1660顯卡的計(jì)算機(jī)。

　　4結(jié)論

　　筆者根據(jù)鋼混組合梁正向設(shè)計(jì)的具體需求，提出了一種多尺度BIM正向設(shè)計(jì)方法：

　　1)參照國(guó)內(nèi)外LOD相關(guān)規(guī)范，提出了基于模型精細(xì)度的鋼混組合梁模型分級(jí)方案，將鋼混組合梁劃分為4種LOD等級(jí)，并通過(guò)結(jié)構(gòu)樹(shù)框架和命名規(guī)則建立不同LOD模型的銜接機(jī)制，實(shí)現(xiàn)不同精細(xì)度下模型數(shù)據(jù)的有效傳遞。

　　2)基于3DExperience平臺(tái)提出了適應(yīng)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(chǔ)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼混組合梁正向設(shè)計(jì)的擴(kuò)展，通過(guò)集成設(shè)計(jì)邏輯和構(gòu)造原則實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)骨架的半自動(dòng)設(shè)計(jì)，并借助決策表解決了復(fù)雜設(shè)計(jì)邏輯下的理解偏差和工況遺漏問(wèn)題。

　　3)按照不同的模型精細(xì)度等級(jí)分別創(chuàng)建鋼混組合梁BIM模型，結(jié)果表明：多尺度BIM正向設(shè)計(jì)方法能夠在低LOD等級(jí)下實(shí)現(xiàn)高效的設(shè)計(jì)反饋，提高了模型的復(fù)用性。

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　　作者：曹炳勇，施新欣，陳莎莎，董冰，崔小建