钢混组合梁多尺度BIM正向设计研究

　　摘要：首先，针对钢混组合梁正向设计的具体需求，引入多尺度BIM建模方法，提出了基于模型精细度(LOD)的钢混组合梁模型分级方案，并通过结构树框架和命名规则建立分级模型的衔接机制，实现不同精细度下模型数据的有效传递;其次，基于BIM平台提出了钢混组合梁多尺度BIM正向设计的基本流程，通过内嵌设计逻辑和构造原则的方式实现钢混组合梁立面、断面和平面半自动设计，并利用决策表解决了多逻辑条件组合下的理解偏差和工况遗漏问题;最后，按照不同模型精细度等级生成对应的BIM模型，并测试模型实例化效率。结果表明：多尺度BIM正向设计方法应用于钢混组合梁设计中，能够有效提高正向设计的工作效率和三维模型的复用性。

　　关键词：桥梁工程;钢混组合梁;多尺度;模型精细度;建筑信息模型;正向设计

　　引言钢混组合梁是将钢梁与混凝土板通过连接件连成整体而共同工作的受弯结构，它能最大限度地发挥钢材和混凝土各自的材料性能，具有自重轻、承载能力高、环境友好、施工周期短等显著优势[1]，因此被广泛应用于城市高架桥梁建设中。对于钢混组合结构桥梁而言，传统以二维图纸为信息载体的交付方式难以满足设计意图的精准表达及工厂数字化预制、现场智能拼装的要求，桥梁建设项目的各参与方对钢混组合梁三维BIM(buildinginformationmodeling)模型的需求强烈。

　　然而，钢混组合梁构造形式复杂、构件种类和连接方式多样，常规混凝土桥梁的建模方法不能完全适用，存在着建模困难、模型精度低等问题。王继红等[2]、齐成龙[3]利用“骨架+模板”的建模理念优化线性工程的三维设计过程，可有效提高建模的精度，但软件现有功能自动化程度低，难以高效地创建钢混组合梁模型。此外，现有的桥梁BIM正向设计系统以混凝土桥梁为主[4-16]，钢混组合梁有关研究相对匮乏，且存在以下主要问题：

　　1)脱离实际的设计流程。不同设计阶段的侧重点和设计信息的细度不尽相同，过度参数化的桥梁构件模型在设计初期往往使得设计人员无从入手。

　　2)模型复用率低。在实际项目中，最终的设计方案是经过多方协调并反复修改后的结果，一键生成精细化模型的建模方式不仅大量占用计算机硬件资源，而且一旦出现模型参数化以外的设计变更则意味着整体模型的重建，是导致当前正向设计效率低下的主要原因之一。

　　3)模型数据缺乏可操作性。对于设计人员而言，三维模型虽有利于提升构造细节上的直观感知，但牺牲了扁平化设计所具备的清晰、高效的信息传递，而以抽象的二维线元来表达的结构特征则更具可观测性和可测量性，因此正向设计中二维线元的缺失给桥梁设计带来了诸多不便。求的问题，这已经在隧道工程中得到了验证[17-18]。

　　笔者首先将多尺度BIM建模方法引入钢混组合梁正向设计领域，依据桥梁工程不同设计阶段的信息需求，提出钢混组合梁模型精细度(levelofdevelopment，LOD)分级方案，并建立分级模型复用的衔接机制;然后，基于3DExperience平台提出了钢混组合梁多尺度BIM正向设计的基本流程，并针对LOD50结构骨架模型，提出了一种半自动设计方法;最后，通过建立钢混组合梁多尺度模型验证了该方法的可行性。

　　1钢混组合梁BIM模型分级

　　1.1模型LOD分级

　　模型精细度(LOD)是建筑信息模型中所容纳的模型单元丰富程度的衡量指标。考虑计算机硬件性能的限制以及不同设计阶段的信息颗粒度差异，笔者引入LOD理念，参考美国建筑师学会的《Levelofevelopment(LOD)Specification》[19]和GB/T51301—2018《建筑信息模型设计交付标准》[20]两种分级机制，结合钢混组合梁的实际构成，制定了一套符合钢混组合梁BIM正向设计流程的模型划分方案。将钢混组合梁的LOD从低到高分为4个等级：LOD50、LOD200、LOD300和LOD350。

　　LOD50仅作为前置定位条件，主要由点、线二维元素构成，为接下来的模型实例化提供坐标定位、构件类型等信息。桥梁工程方案设计阶段侧重于结构型式的比选，采用LOD200级别，构件的几何表达以面为主，模型不仅具有大致的轮廓，而且能够保证关键尺寸的准确性。

　　以槽型主梁为例，主梁高度、腹板长度等尺寸信息在该等级下可以被精确表达;LOD300用于定义初步设计阶段，与LOD200的面模型不同，其模型为实体单元，忽略了部分构造细节，如：加劲肋、过焊孔、剪力钉等，能够满足结构受力分析和投资概算的应用需求;施工图设计阶段采用LOD350，以二维出图、工程计量和施工仿真为目标，涵盖了钢板厚度、加劲肋布置、对齐方式等更深层次的设计信息。

　　1.2分级模型衔接机制

　　为了获得结构化的几何定位元素，并使钢混组合梁LOD50模型与LOD200、LOD300和LOD350模型之间的迭代具有自动化能力，笔者提出了钢混组合梁模型结构树框架以及几何元素命名规则。

　　1.2.1钢混组合梁模型结构树框架

　　按照城市高架桥梁的结构特点，将钢混组合梁LOD50模型的结构树划分为3个层次，从高往低分别为上部、联和跨。

　　“跨”节点内具有完整的几何表达元素，包含了从路线布跨到总体布置所需的所有定位元素。考虑到路口段大跨径组合梁等特殊节段的存在，单个标准跨参数集难以满足城市高架多联多跨的差异化需求，因此每个“跨”节点中均存储了一套适用于该跨的配置参数集，以便于后续迭代过程中的参数复用。除了图2的上部-联-跨总体结构层次，根据几何定位元素功能的不同，“跨”节点内部进行了结构树深化。其中“箱内横梁”节点内部按照所属主梁的原则进一步增设子节点来管理其定位元素;“箱间横梁”节点内部则根据两侧所连接主梁的不同进一步扩展了子节点。

　　1.2.2几何元素命名规则

　　除了一些固定的基本定位元素以外，例如道路中心线、边线、分孔线等，其他几何元素应严格遵循特定的命名规则，以满足程序自动判别并捕获的要求。为了便于从“跨”节点中直接获取相应的几何元素，命名的“跨”名称应在“跨”节点内具有唯一性。因此，笔者结合各要素的信息表达需求设计了命名规则。

　　2钢混组合梁模型正向设计

　　2.1正向设计流程

　　结合LOD分级体系和衔接机制，笔者提出了钢混组合梁多尺度正向设计方法。通过对比目前市面上的BIM核心建模软件解决方案，综合考虑软件的参数化水平、曲面造型能力和接口开放程度等，最终确定以达索3DExperience平台为基本框架的正向设计方案。软件工作流程主要包括总体骨架、结构骨架和用户自定义特征(userdefinedfeature，UDF)实例化这3个过程。

　　城市高架的布跨设计，即软件工作流程中的分孔线布置，是一项极其依赖设计经验的复杂过程，需要对桥下通行、布墩条件、结构受力等进行综合评估，其正向设计采用输入既有的布跨信息并自动创建布跨关键要素的方式来完成。对于结构骨架的正向设计，笔者通过梳理其设计逻辑，整合构造原则，提出了一种半自动设计方法，能够有效提高设计效率。

　　2.2结构骨架的半自动设计

　　钢混组合梁结构骨架的创建是多尺度正向设计流程中至关重要的环节，对后续UDF模板的正确调用和空间定位起着决定性作用。

　　根据钢混组合梁的结构特点，笔者对结构骨架进行设计流程分解，大致可拆分为立面设计、断面设计和平面设计3个基本流程，而每一个设计流程都是一个具有经验性的复杂过程。传统的依靠设计人员经验知识的设计模式效率较低，难以满足多联多跨城市高架钢混组合梁快速化设计的需求。因此，笔者对3DExperience平台进行二次开发，通过内嵌设计逻辑和构造原则的方式实现结构骨架的半自动设计。

　　其半自动能力主要表现为在给定布跨和标准设计参数后可自动完成多联多跨钢混组合梁结构骨架的设计，并适用于变宽段主梁增设时的复杂情况。此外，引入决策表用于解决设计过程中条件判断多、组合情况复杂的逻辑判断问题，有效降低了设计人员和开发人员的沟通成本，减少因理解偏差和条件组合工况遗漏所导致的逻辑错误。

　　2.2.1立面半自动设计

　　立面设计中的结构骨架主要用于控制混凝土桥面板和主梁梁底的线型，其半自动化设计步骤如下：Step1获取节段跨径。利用总体骨架中分孔线分割道路中心线，从而获得当前节段的中心线，测量该曲线的平面投影长度得到当前节段的跨径。

　　2.2.2断面半自动设计

　　钢混组合梁的断面设计是在给定的桥梁两侧边线范围内进行合理的纵梁排布，半自动设计具体表现为能在标准断面设计的基础上进行自动增设，以适应桥宽变化。

　　3多尺度模型创建

　　多尺度模型创建的本质是基于结构骨架进行UDF模板实例化的过程。根据命名规则，逆向提取关键信息，并通过类型信息与模板之间的对应关系，从服务器端检索UDF模板，获取结构骨架和用户输入的模型参数，并在实例化过程中修改UDF模板参数，最终生成对应的钢混组合梁BIM模型。为了适应多尺度建模的需求，每个类型信息应对应3个不同LOD等级的UDF模板，按照当前所在设计阶段进行自动调用。为了验证基于3DExperience平台钢混组合梁多尺度正向设计的可行性，笔者采用i7-9700@3.00GHz八核处理器，32GBRAM和NvidiaGeforceGTX1660显卡的计算机。

　　4结论

　　笔者根据钢混组合梁正向设计的具体需求，提出了一种多尺度BIM正向设计方法：

　　1)参照国内外LOD相关规范，提出了基于模型精细度的钢混组合梁模型分级方案，将钢混组合梁划分为4种LOD等级，并通过结构树框架和命名规则建立不同LOD模型的衔接机制，实现不同精细度下模型数据的有效传递。

　　2)基于3DExperience平台提出了适应钢混组合梁多尺度建模的软件工作流程，在既有功能的基础上进行二次开发实现对钢混组合梁正向设计的扩展，通过集成设计逻辑和构造原则实现了结构骨架的半自动设计，并借助决策表解决了复杂设计逻辑下的理解偏差和工况遗漏问题。

　　3)按照不同的模型精细度等级分别创建钢混组合梁BIM模型，结果表明：多尺度BIM正向设计方法能够在低LOD等级下实现高效的设计反馈，提高了模型的复用性。

　　参考文献(References)：

　　[1]聂建国.钢-混凝土组合梁结构：试验、理论与应用[M].北京:科学出版社,2005.NIEJianguo.teelConcreteCompositeGirderStructuresExperiment,TheoryandApplication[M].Beijing:SciencePress,2005.

　　[2]王继红,卢禹.基于CATIA的梁桥快速建模的二次开发技术[J].中外公路,2017,37(4):203-205.WANGJihong,LUYu.SecondarydevelopmenttechnologyofrapidmodelingofbeambridgebasedonCATIA[J].JournalofChina&ForeignHighway,2017,37(4):215-217.

　　[3]齐成龙.基于达索CAA架构的桥梁缺口BIM设计程序开发[J].结构工程师,2020,36(5):180-185.QIChenglong.BIMdesignprogramdevelopmentforbridgeboundariesbasedonDassaultCAAarchitecture[J].StructuralEngineers,2020,36(5):180-185.

　　作者：曹炳勇，施新欣，陈莎莎，董冰，崔小建