桥梁结构参数化设计研究

王冠男 陈家勇 赖亚平 杨 丁 漆 勇

(林同棪国际工程咨询(中国)有限公司,重庆 401121)

引言

随着生活水平不断提高，人们对周边环境美化及生活质量提升等精神文化的需求逐渐升高，桥梁作为城市空间的重要构成因素，不仅要满足“跨越障碍物”的功能目标，同时也是一座城市特征、文化的载体。在传统二维设计中，方案的调整与迭代成本较高，难以充分考虑设计边界条件的调整对方案产生的影响，制约了方案的优化。因此，在方案决策阶段，需快速提供可供选择的多元化方案。除了设计思路的转变外，设计手段也应有相应的改变，借助参数化建模的方式可以生成复杂多变的设计模型。本文重点剖析参数化设计思维在桥梁设计中的应用及具体的设计流程，并结合工程设计案例验证其实用性。

1 参数化设计思想

1.1 参数化设计的定义

参数化设计的核心在于“参数”和“关联”[1]，参数对于应用程序而言既可以是常数，也可以是一种用于辅助桥梁结构设计的变量。关联则是参数间的相互联系，用于确定参数之间的特定关系，使桥梁结构构件间通过迭代参数传播引擎进行关联，以达到预期的三维设计效果。参数化设计借助建立起的特定约束关系及参数关联进行三维正向设计，当关联中的某个参数变量发生改变时，参数化设计构件也将随之变化，促使整个设计过程随之更新，进而更新设计成果。

1.2 参数化设计的必要性

在桥梁结构的设计阶段，经常遇到因设计条件变化而导致整个设计需推倒重来的情况。例如，由于道路平面线型的调整，引起整个结构及约束关系发生变化，致使全部设计图纸重新绘制，导致大量的重复性工作。又例如，在方案设计阶段，为了满足桥梁设计时结构安全、合理、经济和美观等需求，桥梁的分孔布跨、传力体系、结构形式和截面尺寸等设计要素需在总体方案形成后，综合各种影响因素且反复迭代才能确定最优结果。因此，设计本身就是一个试错和不断调整的过程。

在传统二维设计过程中，结构设计修改不便利，难以有效地将设计参数与设计成果有机的关联起来，导致桥梁结构的设计优化费时费力。参数化设计作为一种新的设计思想，其核心是借助几何间的联系，使设计成果变得更加丰富可调。因此，参数化设计思想可服务于各个设计阶段[2]。在方案阶段，通过参数调整可一次性生成多个备选方案，完成方案的比选； 在初步设计阶段，可进行桥梁结构体系的优化，并快速输出设计成果，以提升设计质量，为差异化的桥梁方案实施保驾护航[3]； 在施工图设计阶段，可从确定的参数化设计模型中导出所有设计图纸及工程量清单，并配合其他专业设计师完成相关设计工作，基于同一模型可避免沟通中信息存在差异的情况，以缩短设计周期。

1.3 参数化设计平台

目前，适用于桥梁参数化模型搭建的平台主要包括以下四大平台软件[4]，本节从参数化功能、建模能力及优势、适用性的角度对各平台之间做了横向对比，如表1所示。

表1 桥梁三维参数化建模平台特点

根据表中内容可知，已有的三维参数化模型搭建平台各具优势，若把他们应用到桥梁的设计当中，仍会存在许多问题。项目参与方需根据项目的特点和实际情况，选择恰当的平台。本文选取了R+GH的参数化平台[5]，其主要特点包括：

(1)GH参数化能力强、界面友好、自由度高、拓展延伸能力强；

(2)兼容性好，可直接与多种三维设计、计算及办公软件进行无缝对接；

(3)对计算机性能要求较低，建模成本低，且便于快速调整[6]。

2 桥梁参数化设计的特点及优势

2.1 桥梁参数化设计特点

相对于建筑行业，在标准化程度上，桥梁构件更加复杂多样且标准化程度较低，难以通过既有的构件标准化族库来完成快速建模、自动出图和工程量统计等工作； 在边界条件上，建筑工程的边界条件相对简单，但需多专业的密切配合。对于桥梁工程，尤其是市政桥梁，边界条件相对复杂，需关注桥址区位、城市空间、水文地质、交通规划等多方面，设计成果差异化明显，复用性较低。从结构受力方面，建筑工程常以规范构造和计算控制，而桥梁结构则需借助专业有限元软件对复杂受力区域进行有限元仿真分析，计算迭代优化成本更高。因此，对于复杂多变的桥梁工程，参数化的意义更为突出。

2.2 参数化设计优势

(1)方案迭代及优化

方案的调整与优化对于每个项目都是必不可少的，传统三维设计时，若需进行方案调整，则需重新进行桥梁方案设计及制模。而采用参数化建模的方法，同类型方案仅需通过参数调整来实现优化，桥梁设计师不用再把大量时间浪费在方案的建模和表达过程，而把时间用在创意本身[7]。例如，图1为一座景观人行廊桥的景观设计，通过调整曲线的形式，则可以简便快捷地生成若干不同的子方案。因此，在桥梁方案设计时，参数化设计的优势体现得非常明显。

图1 桥梁方案迭代与优化

(2)结构设计优化

在参数化设计中，设计师需更加关注桥梁构件与控制参数之间的相互联系以及模型生成运算法则，其中控制参数可为数字、点、曲线和曲面。因此，借助设计师主观能动性地参与，通过参数控制，使其精确遵循特定的设计边界条件，使结构设计变的更加合理。同时，参数化三维设计可以有效地避免由于空间关系引起的设计失误，确保桥梁的设计品质。

(3)高效地交换设计信息

表2 桥梁参数化设计作用

有了参数化模型的帮助，桥梁结构设计师可由同一个参数化设计模型快速生成所需的设计数据，包括关键控制参数、工程量清单及二维设计图纸，参数化设计可以保证桥梁设计作业流线的顺畅。同时，设计师还可以通过自动读取外部数据以驱动三维模型的几何形态，图2为某景观桥桥塔借助参数化建模实现出图的工程实例。

图2 参数化设计信息交互

(4)参数化贯穿设计全过程

桥梁设计一般包括方案设计、初步设计和施工图设计三个阶段，参数化设计思想在各个阶段扮演了不同的角色[8]。对于一个项目而言，由于设计要求及条件在不断变化，设计成果也需进行不断调整，若这些调整过程全部在参数化模型中实现，将很容易地反馈到设计成果中。当方案阶段、初步设计及施工图设计阶段均采用统一的参数化设计模型，则可保持桥梁设计信息的高度一致性和连贯性，桥梁参数化思想在设计各阶段的优势如表2所示。

3 桥梁参数化设计流程

在桥梁设计全过程中，对于不同设计阶段需要交互不同的设计成果，其深度要求和侧重点均有所不同。在方案设计阶段，需提交动画、效果图及方案总体布置等； 在初步设计阶段，需提交初步设计图纸、总体计算书、关键部位构造及初步工程数量； 在施工图设计阶段，需提交详细施工图、详细构造计算文件及详细工程量清单等。因此，在不同设计阶段，参数化设计均需满足该阶段设计成果交付的要求。本文基于“R+GH”的参数化平台，提出现阶段行之有效的桥梁参数化设计流程，如图3所示。

图3 桥梁参数化设计流程

4 桥梁构件参数化设计案例

4.1 南纪门长江大桥工程概况

南纪门长江大桥为重庆轨道交通十号线跨越长江的控制性工程，为轨道专用桥，连接南岸区和渝中半岛，位于城市中心区域。经技术、经济、安全、美观及施工可行性等综合比选，确定大桥采用高低塔双索面半漂浮体系斜拉桥[9]，跨径布置为(34.5+180.5+480+215.5+94.5)m，桥型立面布置如图4所示。

图4 重庆南纪门长江大桥主桥立面布置

4.2 桥型方案参数化设计

为确定大桥的桥型方案，本项目在方案设计阶段便引入BIM参数化正向设计手段，对有条件采用的钢桁梁、斜拉桥、悬索桥三种基本桥型进行了技术经济比选，清晰直观地进行方案效果的比较与沟通，借助三维参数化正向设计手段辅助进行快速高效地决策，比选过程及结论如表3所示。

表3 方案比选及优化

桥塔是桥梁景观的主要标志，通过桥塔给大桥赋予文化的特色内涵，同时桥塔需保证具有足够的强度和稳定性。因此，对桥塔的造型优化既要满足结构受力要求，又要体现文化底蕴。该桥在地理位置上紧邻南纪门，桥名也是“南纪门”，于是桥塔方案的造型采用“门”型构造，蕴含着对重庆古城门的追忆。而渝中与南岸又属于重庆的都市核心区域，采用现代简约的“门”型桥塔，既是对重庆传统历史文化的传承，又蕴含着新重庆“敞开大门、迎接挑战、走向未来”的寓意，桥塔塔冠建筑造型如图5所示。

图5 桥塔塔冠建筑造型比较

4.3 索梁锚固结构参数化设计

该桥斜拉索采用高强平行钢丝体系，抗拉强度不小于1 770MPa，斜拉索的索力分布为。P3塔两侧共设置54对拉索，P2塔两侧共设置32对拉索，拉索上端锚固于索塔上塔柱，标准间距2.5m，设置环向预应力锚固体系，并通过齿块锚固拉索[10]； 下端锚固于钢梁的边腹板上，标准间距为10.5m，采用单锚拉板的锚固形式，构造如图6所示。

图6 锚拉板构造

本桥斜拉索均为空间拉索，锚固体系的设计应综合考虑拉索锚点位置、拉索垂度效应、钢梁顶立面线型、主梁预拱度、钢梁边腹板横向位置以及桥塔塔壁构造等的影响。全桥锚固体系共有86种不同类型，设计工作相对繁杂且易出错，设计过程中需要不断地进行控制参数的输入和调整。设计成果相对稳定后，需进行关键控制参数、工程量清单等信息的交互。本桥采用参数化设计手段进行锚固体系的正向设计，涵盖关键参数确定、有限元仿真分析、结构优化及迭代、工程量统计及清单绘制等全过程，如图7所示，本桥锚固体系参数化设计成果如图8所示。

图7 锚拉板参数化设计过程

图8 锚拉板参数化设计成果

5 结语

参数化模型搭建过程思路清晰，逻辑框架式的建模理念使得参数管理更加灵活可变。本文针对桥梁参数化设计的现状及特点，基于“R+GH”参数化平台，提出了桥梁参数化设计流程，涵盖方案设计、初步设计及施工图设计全过程，可有效提高设计效率。对于特种桥梁，参数化设计有效保障了方案迭代优化的灵活性，复杂结构设计的准确性等。本文以南纪门长江大桥的索梁锚固结构参数化正向设计为例，进一步验证了桥梁结构参数化设计方法的技术可行性，并有效提升了设计质量和精度。参数化技术在设计领域优势明显，具有很广阔的应用空间，希望能为桥梁参数化设计的应用及推广提供一些思路。