摘要：首先，針對鋼混組合梁正向設計的具體需求，引入多尺度BIM建模方法，提出了基于模型精細度(LOD)的鋼混組合梁模型分級方案，并通過結構樹框架和命名規(guī)則建立分級模型的銜接機制，實現(xiàn)不同精細度下模型數(shù)據(jù)的有效傳遞;其次，基于BIM平臺提出了鋼混組合梁多尺度BIM正向設計的基本流程，通過內嵌設計邏輯和構造原則的方式實現(xiàn)鋼混組合梁立面、斷面和平面半自動設計，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題;最后，按照不同模型精細度等級生成對應的BIM模型，并測試模型實例化效率。結果表明：多尺度BIM正向設計方法應用于鋼混組合梁設計中，能夠有效提高正向設計的工作效率和三維模型的復用性。

　　關鍵詞：橋梁工程;鋼混組合梁;多尺度;模型精細度;建筑信息模型;正向設計

　　引言鋼混組合梁是將鋼梁與混凝土板通過連接件連成整體而共同工作的受彎結構，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[1]，因此被廣泛應用于城市高架橋梁建設中。對于鋼混組合結構橋梁而言，傳統(tǒng)以二維圖紙為信息載體的交付方式難以滿足設計意圖的精準表達及工廠數(shù)字化預制、現(xiàn)場智能拼裝的要求，橋梁建設項目的各參與方對鋼混組合梁三維BIM(buildinginformationmodeling)模型的需求強烈。

　　然而，鋼混組合梁構造形式復雜、構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計過程，可有效提高建模的精度，但軟件現(xiàn)有功能自動化程度低，難以高效地創(chuàng)建鋼混組合梁模型。此外，現(xiàn)有的橋梁BIM正向設計系統(tǒng)以混凝土橋梁為主[4-16]，鋼混組合梁有關研究相對匱乏，且存在以下主要問題：

　　1)脫離實際的設計流程。不同設計階段的側重點和設計信息的細度不盡相同，過度參數(shù)化的橋梁構件模型在設計初期往往使得設計人員無從入手。

　　2)模型復用率低。在實際項目中，最終的設計方案是經過多方協(xié)調并反復修改后的結果，一鍵生成精細化模型的建模方式不僅大量占用計算機硬件資源，而且一旦出現(xiàn)模型參數(shù)化以外的設計變更則意味著整體模型的重建，是導致當前正向設計效率低下的主要原因之一。

　　3)模型數(shù)據(jù)缺乏可操作性。對于設計人員而言，三維模型雖有利于提升構造細節(jié)上的直觀感知，但犧牲了扁平化設計所具備的清晰、高效的信息傳遞，而以抽象的二維線元來表達的結構特征則更具可觀測性和可測量性，因此正向設計中二維線元的缺失給橋梁設計帶來了諸多不便。求的問題，這已經在隧道工程中得到了驗證[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計領域，依據(jù)橋梁工程不同設計階段的信息需求，提出鋼混組合梁模型精細度(levelofdevelopment，LOD)分級方案，并建立分級模型復用的銜接機制;然后，基于3DExperience平臺提出了鋼混組合梁多尺度BIM正向設計的基本流程，并針對LOD50結構骨架模型，提出了一種半自動設計方法;最后，通過建立鋼混組合梁多尺度模型驗證了該方法的可行性。

　　1鋼混組合梁BIM模型分級

　　1.1模型LOD分級

　　模型精細度(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。考慮計算機硬件性能的限制以及不同設計階段的信息顆粒度差異，筆者引入LOD理念，參考美國建筑師學會的《Levelofevelopment(LOD)Specification》[19]和GB/T51301—2018《建筑信息模型設計交付標準》[20]兩種分級機制，結合鋼混組合梁的實際構成，制定了一套符合鋼混組合梁BIM正向設計流程的模型劃分方案。將鋼混組合梁的LOD從低到高分為4個等級：LOD50、LOD200、LOD300和LOD350。

　　LOD50僅作為前置定位條件，主要由點、線二維元素構成，為接下來的模型實例化提供坐標定位、構件類型等信息。橋梁工程方案設計階段側重于結構型式的比選，采用LOD200級別，構件的幾何表達以面為主，模型不僅具有大致的輪廓，而且能夠保證關鍵尺寸的準確性。

　　以槽型主梁為例，主梁高度、腹板長度等尺寸信息在該等級下可以被精確表達;LOD300用于定義初步設計階段，與LOD200的面模型不同，其模型為實體單元，忽略了部分構造細節(jié)，如：加勁肋、過焊孔、剪力釘?shù)龋�能夠滿足結構受力分析和投資概算的應用需求;施工圖設計階段采用LOD350，以二維出圖、工程計量和施工仿真為目標，涵蓋了鋼板厚度、加勁肋布置、對齊方式等更深層次的設計信息。

　　1.2分級模型銜接機制

　　為了獲得結構化的幾何定位元素，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化能力，筆者提出了鋼混組合梁模型結構樹框架以及幾何元素命名規(guī)則。

　　1.2.1鋼混組合梁模型結構樹框架

　　按照城市高架橋梁的結構特點，將鋼混組合梁LOD50模型的結構樹劃分為3個層次，從高往低分別為上部、聯(lián)和跨。

　　“跨”節(jié)點內具有完整的幾何表達元素，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，單個標準跨參數(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“跨”節(jié)點中均存儲了一套適用于該跨的配置參數(shù)集，以便于后續(xù)迭代過程中的參數(shù)復用。除了圖2的上部-聯(lián)-跨總體結構層次，根據(jù)幾何定位元素功能的不同，“跨”節(jié)點內部進行了結構樹深化。其中“箱內橫梁”節(jié)點內部按照所屬主梁的原則進一步增設子節(jié)點來管理其定位元素;“箱間橫梁”節(jié)點內部則根據(jù)兩側所連接主梁的不同進一步擴展了子節(jié)點。

　　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，其他幾何元素應嚴格遵循特定的命名規(guī)則，以滿足程序自動判別并捕獲的要求。為了便于從“跨”節(jié)點中直接獲取相應的幾何元素，命名的“跨”名稱應在“跨”節(jié)點內具有唯一性。因此，筆者結合各要素的信息表達需求設計了命名規(guī)則。

　　2鋼混組合梁模型正向設計

　　2.1正向設計流程

　　結合LOD分級體系和銜接機制，筆者提出了鋼混組合梁多尺度正向設計方法。通過對比目前市面上的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放程度等，最終確定以達索3DExperience平臺為基本框架的正向設計方案。軟件工作流程主要包括總體骨架、結構骨架和用戶自定義特征(userdefinedfeature，UDF)實例化這3個過程。

　　城市高架的布跨設計，即軟件工作流程中的分孔線布置，是一項極其依賴設計經驗的復雜過程，需要對橋下通行、布墩條件、結構受力等進行綜合評估，其正向設計采用輸入既有的布跨信息并自動創(chuàng)建布跨關鍵要素的方式來完成。對于結構骨架的正向設計，筆者通過梳理其設計邏輯，整合構造原則，提出了一種半自動設計方法，能夠有效提高設計效率。

　　2.2結構骨架的半自動設計

　　鋼混組合梁結構骨架的創(chuàng)建是多尺度正向設計流程中至關重要的環(huán)節(jié)，對后續(xù)UDF模板的正確調用和空間定位起著決定性作用。

　　根據(jù)鋼混組合梁的結構特點，筆者對結構骨架進行設計流程分解，大致可拆分為立面設計、斷面設計和平面設計3個基本流程，而每一個設計流程都是一個具有經驗性的復雜過程。傳統(tǒng)的依靠設計人員經驗知識的設計模式效率較低，難以滿足多聯(lián)多跨城市高架鋼混組合梁快速化設計的需求。因此，筆者對3DExperience平臺進行二次開發(fā)，通過內嵌設計邏輯和構造原則的方式實現(xiàn)結構骨架的半自動設計。

　　其半自動能力主要表現(xiàn)為在給定布跨和標準設計參數(shù)后可自動完成多聯(lián)多跨鋼混組合梁結構骨架的設計，并適用于變寬段主梁增設時的復雜情況。此外，引入決策表用于解決設計過程中條件判斷多、組合情況復雜的邏輯判斷問題，有效降低了設計人員和開發(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致的邏輯錯誤。

　　2.2.1立面半自動設計

　　立面設計中的結構骨架主要用于控制混凝土橋面板和主梁梁底的線型，其半自動化設計步驟如下：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，從而獲得當前節(jié)段的中心線，測量該曲線的平面投影長度得到當前節(jié)段的跨徑。

　　2.2.2斷面半自動設計

　　鋼混組合梁的斷面設計是在給定的橋梁兩側邊線范圍內進行合理的縱梁排布，半自動設計具體表現(xiàn)為能在標準斷面設計的基礎上進行自動增設，以適應橋寬變化。

　　3多尺度模型創(chuàng)建

　　多尺度模型創(chuàng)建的本質是基于結構骨架進行UDF模板實例化的過程。根據(jù)命名規(guī)則，逆向提取關鍵信息，并通過類型信息與模板之間的對應關系，從服務器端檢索UDF模板，獲取結構骨架和用戶輸入的模型參數(shù)，并在實例化過程中修改UDF模板參數(shù)，最終生成對應的鋼混組合梁BIM模型。為了適應多尺度建模的需求，每個類型信息應對應3個不同LOD等級的UDF模板，按照當前所在設計階段進行自動調用。為了驗證基于3DExperience平臺鋼混組合梁多尺度正向設計的可行性，筆者采用i7-9700@3.00GHz八核處理器，32GBRAM和NvidiaGeforceGTX1660顯卡的計算機。

　　4結論

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

　　1)參照國內外LOD相關規(guī)范，提出了基于模型精細度的鋼混組合梁模型分級方案，將鋼混組合梁劃分為4種LOD等級，并通過結構樹框架和命名規(guī)則建立不同LOD模型的銜接機制，實現(xiàn)不同精細度下模型數(shù)據(jù)的有效傳遞。

　　2)基于3DExperience平臺提出了適應鋼混組合梁多尺度建模的軟件工作流程，在既有功能的基礎上進行二次開發(fā)實現(xiàn)對鋼混組合梁正向設計的擴展，通過集成設計邏輯和構造原則實現(xiàn)了結構骨架的半自動設計，并借助決策表解決了復雜設計邏輯下的理解偏差和工況遺漏問題。

　　3)按照不同的模型精細度等級分別創(chuàng)建鋼混組合梁BIM模型，結果表明：多尺度BIM正向設計方法能夠在低LOD等級下實現(xiàn)高效的設計反饋，提高了模型的復用性。

　　參考文獻(References)：

　　[1]聶建國.鋼-混凝土組合梁結構：試驗、理論與應用[M].北京:科學出版社,2005.NIEJianguo.teelConcreteCompositeGirderStructuresExperiment,TheoryandApplication[M].Beijing:SciencePress,2005.

　　[2]王繼紅,盧禹.基于CATIA的梁橋快速建模的二次開發(fā)技術[J].中外公路,2017,37(4):203-205.WANGJihong,LUYu.SecondarydevelopmenttechnologyofrapidmodelingofbeambridgebasedonCATIA[J].JournalofChina&ForeignHighway,2017,37(4):215-217.

　　[3]齊成龍.基于達索CAA架構的橋梁缺口BIM設計程序開發(fā)[J].結構工程師,2020,36(5):180-185.QIChenglong.BIMdesignprogramdevelopmentforbridgeboundariesbasedonDassaultCAAarchitecture[J].StructuralEngineers,2020,36(5):180-185.

　　作者：曹炳勇，施新欣，陳莎莎，董冰，崔小建