基于EKL的桥梁结构BIM模板集成应用方法研究

李健刚 孙永超 孔越 熊洲嵘

北京市市政工程设计研究总院有限公司 100082

引言

BIM（Building Information Modeling 建筑信息模型）技术从理念的提出到进入实践应用，经历了一段较长的时间。在信息化的趋势下，标准体系层面与软件技术支撑层面的大量工作［1］使得BIM技术不断发展。但目前，BIM 技术还远未达到成熟阶段，国内目前的BIM 技术应用大部分还停留在单点工程或单个环节的应用阶段［2］，部分复杂项目也开始用BIM 来解决系统上的管理难题，但大多数还是针对某个特定案例个别实施，其成本一般较高，普遍推广的价值相对较小［3］，虽然国内部分企业或BIM 厂商也正在寻求BIM 系统应用上的突破，但还任重道远。如何在纷繁复杂的软件技术背景下，寻求适合自身发展的BIM 技术模式，是摆在广大工程技术人员及决策者面前的一个现实问题。

达索系统3DE平台是达索系统全新整合的设计协同平台，基于该平台也提供了一系列的行业解决方案，如土木行业解决方案［2］。它是目前国际上比较先进的PLM 解决方案平台，但由于涉足土建行业比较晚，其解决方案落地仍然存在一定的难度［4］。本文基于达索系统3DE 协同设计平台，利用其内嵌的EKL 脚本语言对模板进行处理，将多种模板合并在一个模板之中，模板中嵌入设计逻辑，达到了批量参数化建模，在不同方案之间可实时调整的目的。

1 CATIA开发方式及EKL简介

达索系统的CATIA 提供了四种定制开发方式，分别为：Interactive User Defined Feature（UDF）、Knowledge ware、Automation API、CAA C++和JAVA API。除了第一种开发方式外，后三种都需要采用一定的编程手段来实现［5］。

其中Knowledge ware的开发方式主要基于其内嵌的企业知识语言（EKL：Enterprise Knowledge Language）来完成。EKL 作为达索系统原生内嵌脚本语言，其使用极为灵活与方便，学习成本相对较低。使用者不但可以通过其常规使用的公式、规则、检查、设计表、知识工程阵列、行为等知识工程工具进行操作，而且可以调用Knowledge Packages中封装的大量的知识包，能够大大提高设计开发的效率［6］。EKL不仅可作为企业在研发过程中的一种成本较低的开发工具进行使用，同时还可以利用知识体系的便捷复用达到沉淀企业知识的目的［7］。BIM设计的一个重要特征就是能够将企业的经验嵌入到企业的知识体系中［8］。

2 模板的需求分析

在桥梁设计过程中，常用的上部结构形式有现浇梁、预制T梁、预制小箱梁等，下部结构形式有柱式墩、桩柱式墩、扩大基础桥墩等，如图1、图2 所示。

图1 常规上部结构模型Fig.1 Models for common types of superstructure

图2 常规下部结构模型Fig.2 Models for common types of substructure

桥梁三维设计过程中主要需要考虑因素有：现况地面及环境条件、道路定线及边线、桥梁布跨、桥梁斜交角度等。此外针对上、下部结构特点，还会有一些细节因素需要考虑。

利用模板来解决上述桥梁结构设计需求时，一般有如下两种方式：

第一种就是按上述设计需求进行枚举，如将结构形式进行简单归类，得到一定数量的分类模板需求，分别创建单独的模板进行调用。这种方式在一定程度上对模板创建需求比较明确，可以达到快速创建模板的目的，弊端就是项目应用过程中需要提供大量的模板形式供选择，模板调用难度较高，后期模板维护工作量较大。另外，如果出现没有被枚举到的结构形式，则无法建模。

另外一种处理方式则是先将主要需求进行结构化，再利用CATIA 中内嵌的EKL 脚本语言将知识逻辑结构进行模板归一化，这样就达到知识规则控制模板的调用需求，实现多模合一下模板集成应用的目的。

要实现第二种设计模板，首先需要梳理模板使用过程中可能出现的设计需求，即对主要的变量因素进行梳理。同时，也需要将各种细部尺寸参数进行分类整理。本文基于第二种模板设计思路，对常规桥梁上部结构、下部结构基于嵌入设计逻辑的模板进行归一化的参数化设计，其中下部结构的参数规划如图3 所示。

图3 下部结构模板参数规划Fig.3 Outline of parameters for the substructure template

3 模板集成应用的实现方法

3.1 技术实现的思路与框架

本文模板集成应用方法的主导思想是将同一类中多种形式的模板通过一定的规则设置，统一到一个集成的模板中，并将设计逻辑嵌入模板中。这样处理后的集成化模板，不仅可以基于设计经验对桥梁上部结构、下部结构进行快速参数化设计，还可针对不同设计方案对结构形式实时进行灵活调整，避免了因结构形式的调整造成的重新建模，增强了整体模型结构的适应性与稳定性。

集成化模板方法可以更好地适应复杂模型的处理，可以很好地维护整体模型骨架的稳定性，避免了因设计条件改变而带来的更大规模的结构模型协调问题。模板集成应用方法实现框架思路如图4 所示。

图4 模板集成应用方法框架思路Fig.4 Framework of the integrated template application method

3.2 模板骨架定义

在模板定义过程中，首先需要考虑的是模板骨架，用以界定模板实例化过程中的具体控制条件［9］。桥梁结构设计的模板骨架主要考虑的控制条件因素一般有：控制桥梁分孔定位的局部参考坐标轴系、道路中线、道路外边线以及现况地面等。桥梁结构模型一般骨架条件如图5 所示。

3.3 模板参数控制

参数化设计是达索系统平台的一个基本特征，参数化为后期设计调整提供了极大的便利［10］。本文桥梁上部结构模板设计过程中主要考虑了总控参数及其各部件细节参数两大类。上部结构模板主控参数如图6 所示。

图5 桥梁模型骨架条件Fig.5 Skeleton conditions of bridge model

总控参数是结构设计总体控制参数，以上部结构设计模板为例，其总控参数主要有：主梁类型、桥面是否设置双面坡、主梁高度、首支撑线控制参数、尾支撑线控制参数、桥面铺装及伸缩缝参数、梁格控制参数、辅助参数等。通过总控参数，将常规上、下部基础结构可能遇到的形式进行不同组合设置，可以实现常规桥梁不同上部结构、下部结构形式的参数化组合设计。

图6 模板总控参数示意Fig.6 Overall controlling parameters for the template

除了总控参数之外，还应对细节尺寸进行参数设置，如图7 所示。利用细节参数可实现模板基本细节尺寸的调整。此外，根据具体情况还可以增加其他参数来控制相应的细部形态。

模板细节参数还可以与设计过程中的模型精细度（LOD）需求相关联，达到不同设计阶段下不同精细度模型需求的不同设计参数相匹配的目的。

图7 细节参数设置示意Fig.7 Overall settings of detail parameters

3.4 规则应用

模板集成应用时，除了需要表达初始几何形态外，还需要考虑后期修改时的适应调整。这些不同条件情况下的参数自动调整可以通过规则设置来实现。规则设置时从层级上主要考虑两级参数需求，第一级是与总体模型的匹配关系的总控参数设定，第二级是与细节模型相匹配的细节参数的设定。第一级规则中主要考虑跨径、路幅宽度等宏观条件下的上、下部结构选型等总控相关因素，第二级主要是既定结构下的模型细节尺寸参数控制。

多模合一的规则设置实质是将设计逻辑及设计经验值嵌入到模板中，将设计过程中可能遇到的一些因素提前考虑，实现基于设计经验值的快速参数设计及设计条件调整情况下自适应结构变化。规则的适配原则如图8 所示。

图8 规则设置原则Fig.8 Principles of setting rules

通过规则的设定，使模板与参数控制要素进行有效逻辑关联，从而适应设计的调整，达到一定程度上的智能化设计效果，部分规则设置如表1 所示。规则的设定，不但可以实现多模合一，同时还可以通过规则适配，来替代常规设计参数自定义等工作，减少方案设计时输入参数过多等弊端。规则适配的结果不仅可以实现既定规则下的快速建模，而且还可以在需要调整时快速修改。

表1 部分规则设置内容Tab.1 Contents of some of the rules set

3.5 检查设置

在设计过程中难免也会遇到一些设计构造上的细节需求，这些都可以通过检查的功能进行提醒或捕捉。检查功能在一定程度上可以避免设计错误或设计不合理性的发生。本文下部结构模板中的部分检查功能见图9。

在多模合一的情况下，检查功能的设置建议仅针对宏观要素进行检查，细节参数的合规性检查可以通过后期统一的数据分析与处理来完成。

4 集成模板的实践应用

通过上述参数、规则及检查等功能的设置，再利用知识工程模块的相关功能就可以对工程模板进行快速调用，实现常规桥梁的参数化设计。本文模板在实际工程中应用的项目模型骨架条件如图10 所示。

图9 检查功能设置示意Fig.9 Configuration of the checking function

上述集成模板部分可以定义为UDF，但一般建议定义为工程模板，具体应用形式可以根据项目实施需求进行界定。在进行模板调用之前，需要在资源表（Resource table）中进行模板资源的定义，方便后期资源的调用。本文中利用EKL脚本语言进行模板快速应用代码如图11所示。

图10 项目骨架条件Fig.10 Skeleton conditions of project

图11 模板实例化代码Fig.11 Code for template instantiation

在实例化过程中，还可以根据项目具体情况事先对参数进行预定义，这样在实例化过程中就可以通过获取预定义参数得到相应实例化成果，当不进行预定义时，模板将根据规则设定自动完成相应参数的匹配。其实例化结果如图12 所示。

在设计过程中也经常会遇到方案比选或方案调整的情况，如将上述连续梁与预制小箱梁或预制T梁进行比选或调整。如果采用多模合一的模板形式，就可以很方便在该模型下迅速完成修改调整。如将前面实例化项目中的第一跨调整为预制T梁时，只需要将总控参数中的“主梁类型”调整为“T梁”即可，其调整后的成果如图13 所示。

除了上述较常规的结构实例化成果外，设计中也会经常遇到现况管线穿越下部基础结构的情况，需要将下部基础结构按现况管线情况进行调整，如经常会遇到的“板凳”承台的方案，同时还需要考虑承台设置角度。利用本文集成模板就可以快速得到所需结构形式的设计，如图14 所示。

通过上述实例化及调整过程，不难发现，多模合一的集成化模板，不仅可以实现常规桥梁的快速参数化设计，简化模板调用流程，还可实现基于设计条件变化对桥梁结构形式的快速参数化调整，大大提高了设计效率。

图12 实例化结构示意Fig.12 The structure model after instantiation

图13 主梁调整示意Fig.13 Illustration of girder adjustment

图14 下部基础“板凳”形式Fig.14 ＂Bench＂shaped substructure

5 结语

利用达索系统3DE协同设计平台内嵌的EKL语言可以很好地解决多模合一的模板集成应用问题，并且可以快速实现模型的创建。基于EKL的模板制作与调用不仅可以实现桥梁的快速参数化设计，有效减少模板的管理量，同时也可以方便后期模型的修改，使得创建模型的适应性得到极大提升，减少了模型的重复创建，同时也降低了模型的维护难度与维护成本，极大地提升了设计效率。

本文探讨的多模合一的模板集成技术应用方法，在项目初步三维设计中应用效果良好。本文仅在模型创建与调整层面进行了探索，在钢筋建模、二维图纸、协同分析等方面还有待进一步研究。后续还可探索在快速建立与修改三维模型的基础上实现快速生成施工图、与结构分析计算软件的数据交互和反馈、与其他相关专业的协同设计，以充分优化工程设计流程，实现BIM应用价值的最大化。