钢混组合梁多尺度BIM正向设计研究

曹炳勇，施新欣，陈莎莎，董 冰，崔小建

(同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司，上海 200092)

0 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]，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，以二维图纸为信息载体的传统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(building information modeling)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]，钢混组合梁相关研究相对匮乏，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，这是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。

引入多尺度建模理念，依托BIM核心建模软件平台，可以解决不同设计阶段模型差异化需求的问题，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(level of development，LOD)分级方案，建立了分级模型复用的衔接机制；然后，基于3D Experience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LOD 50结构骨架模型，提出了一种半自动设计方法；最后，通过建立的钢混组合梁多尺度模型验证了该设计方法的可行性。

1 钢混组合梁BIM模型分级

1.1 模型精细度(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LevelofDevelopmentSpecification[19]和GB/T 51301—2018《建筑信息模型设计交付标准》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，LOD350，各等级的典型构件模型如图1。

图1 典型构件的多尺度模型Fig. 1 Multi-scale models of typical components

图1中：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的曲面模型不同，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。详见表1。

表1 钢混组合梁BIM模型精细度等级划分Table 1 LOD classification of BIM model of steel-concrete composite beam

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，从高至低分别为上部、联和跨。如图2。

图2 模型结构树框架Fig. 2 Model structure tree framework

“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，以便后续迭代过程中参数复用。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。详见表2。

表2 LOD50几何元素命名规则Table 2 Naming rules of geometric elements in LOD50

表2的命名规则经过了实际应用的反复优化，充分考虑了模型迭代的信息需求并去除了冗余信息。以“箱间横梁”的子节点为例，其名称为“2_3”，分别对应箱间横梁所连接2根纵梁的编号，通过纵梁编号“2”“3”，可以从“纵梁轴线”节点中获取对应的纵梁轴线，再根据纵梁轴线的类型在“腹板线”节点中获取对应的腹板线。若纵梁轴线类型为槽型梁，腹板线名称分别为“2_R”和“3_L”；若纵梁轴线类型为钢板梁，腹板线名称分别为“2_C”和“3_C”。因此，在仅有两侧纵梁编号的条件下，程序足以自动捕获到两侧对应的主梁轴线和腹板线。

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3D Experience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(user defined feature，UDF)实例化这3个过程，如图3。

图3 基于3D Experience平台的正向设计流程Fig. 3 Forward design process based on 3D Experience platform

图3中，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3D Experience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，同时也适用于变宽段主梁增设时的复杂情况。此外，引入决策表以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，从而有效降低了设计人员和开发人员的沟通成本，减少了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：

Step 1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L。

Step 2判断主梁立面形式。若L>L1，则采用变高梁，进入Step 3；若L≤L1，则采用等高梁，并跳转至Step 4。

Step 3判断梁底变高线型。若L≤L2，则梁底采用折线型变高；反之，采用二次抛物线变高。

Step 4确定梁高值。归纳跨径与梁高的对应关系，并嵌入程序内部进行自动判断。

Step 5输入立面布置尺寸参数。参数包括梁端及支座定位尺寸和桥面板的几何尺寸。

Step 6生成立面布置定位线。调用应用程序接口(application programming interface，API)中的线框元素工厂对象生成对应的立面结构骨架。

Step 7按指定命名规则进行重命名。

L1、L2分别为采用等高梁、折线型变高梁的最高跨径值，需根据实际设计需求确定。表3为某桥立面设计参数经验总结，其中L1=40 m，L2=50 m。

表3 某桥立面设计参数经验总结Table 3 Experience summary of elevation design parameters of a bridge

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。以槽型梁为例，其设计流程如图4，具体步骤如下：

Step 1确定主梁类型。笔者选择槽型梁和钢板梁2种主梁类型。

Step 2标准布梁。根据用户输入的标准布梁数据，对所有节段按标准类型进行布梁，生成标准主梁轴线。结构骨架中的断面设计即确定纵梁根数和其所在轴线的位置，输入的数据包括左边梁悬臂wL、右边梁悬臂wR、主梁根数n、主梁间距w和结构偏移值wo，其中结构偏移值是指结构中心线相对于道路中心线的距离，左负右正。此外，当主梁为不等距布置时，各个主梁间距需单独给出。

Step 3自动增设。主梁增设是以边梁轴线和次边梁轴线间的距离为判断依据，在Step 2的基础上按照构造要求进行纵梁的补充设计，以满足桥梁变宽等复杂情况的布梁任务。自动增设的前提条件是主梁根数n≥ 2。如图4，笔者利用递归思想，将增设类型简化为增设1根钢板梁和增设1根槽型梁2种基本类型，以dmax≤wmax+bk为递归终止条件，不断更新边梁和次边梁轴线间的距离，并迭代增设类型的判断，直到满足终止条件为止。而当主梁类型为钢板梁时，取bk=0。

Step 4按指定命名规则进行重命名。

图4 槽型梁断面半自动设计流程Fig. 4 Semi-automatic design process of take groove beam section

2.2.3 平面半自动设计

钢混组合梁平面设计即在断面设计的基础上进行横梁排布，如图5。

图5 平面设计线元示意Fig. 5 Schematic diagram of line elements in plane design

具体步骤如下：

Step 1生成腹板线。将主梁轴线C1按bk/2值偏移出主梁腹板线，记作C2。

Step 2生成梁端控制线。从立面设计中获取梁端及支座定位参数，生成梁端线C3和支座定位线C4，并设定横梁最小间距hmin，根据该值偏移C4得到两侧横梁控制线C5，以保证端部横梁与其他横梁间的最小间距要求。

Step 3获得实际的主梁定位线。利用Step 2中的C3裁剪主梁轴线C1和主梁腹板线C2，从而得到实际的主梁轴线C′1和腹板线C′2。

Step 4判断横梁布设的平面角度β。横梁布设角度分为正交和斜交，设定角度阈值，根据分孔线与道路中心线的角度进行自动判别。

Step 5生成箱内横梁结构骨架，主梁类型为钢板梁时，忽略本步骤。由于斜交桥的存在，单跨中不同主梁的箱内横梁布置可能会有所差异，因此需从几何关系层面给定逻辑判断。利用C5裁剪C2得到箱内横梁布置的边界线C6，沿该跨所在的道路中心线按横梁间隔g分配横梁定位点，在横梁定位点上向β方向作足够覆盖整个桥宽的辅助线C7，若C7与该主梁所对应的C6均有交点，则判定该主梁在C7位置处存在箱内横梁。

Step 6裁剪增设的钢板梁轴线。如图4，当增设的主梁为钢板梁时，未对dmin进行限定；待横梁辅助线C7确定后，利用C7对增设钢板梁进行裁剪，以达到满足构造要求的目的。

Step 7判断箱间横梁布设类型。文中所涉及的钢混组合梁具有多种横梁类型和布置方式(图6)，且影响因素众多，横梁的布设是一个多逻辑条件下执行不同操作的复杂问题。因此，笔者基于决策表法对各种可能的情况进行列举，并进一步聚合，最后由开发人员形成if-then-else 或者switch-case的逻辑代码。

图6 基于决策表的箱间横梁布置逻辑Fig. 6 Layout logic of crossbeam between boxes based on decision table

Step 8生成箱间横梁结构骨架。当主梁类型为钢板梁时，可参照Step 5中槽型梁的箱内横梁布置逻辑进行箱间横梁的布设；当主梁类型为槽型梁时，由于可能存在槽型梁和钢板梁的混合，因此其布设逻辑按以下步骤考虑：

1)剔除增设的钢板梁；

2)若当前C7位置的箱间横梁所连接的两根主梁在对应的C7位置均具有箱内横梁，则此处应设置箱间横梁，反之不设；

3)除钢板梁裁断处的箱间横梁以外，使用钢板梁轴线对初步形成箱间横梁进行分割，从而形成最终的箱间横梁定位线。

Step 9按指定命名规则进行重命名。

图7为任一变宽情况下的结构骨架半自动设计结果。可见涵盖了曲线布梁、主梁增设、横梁斜交、钢板梁截断以及主梁变高等多种复杂情况，结果证明半自动设计方法具有较高的鲁棒性。

图7 结构骨架半自动设计Fig. 7 Semi-automatic design of skeleton

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，如图8。

图8 模型实例化流程Fig. 8 Flow chart of model instantiation

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3D Experience平台钢混组合梁多尺度正向设计的可行性，笔者采用i7-9700 @3.00 GHz八核处理器，32 GB RAM和Nvidia Geforce GTX 1660显卡的计算机，根据图8的流程，在曲线路段上生成单跨钢混组合梁多尺度模型(图9)，并记录生成各部件所消耗的时长T，见表4。

图9 单跨LOD50、LOD200、LOD300、LOD350模型Fig. 9 Single-span LOD50, LOD200, LOD300, LOD350 model

表4 LOD模型实例耗时测试结果Table 4 Time consuming test results of LOD model examples

由表4可知：

1)模型实例化效率由高至低依次为LOD50，LOD200，LOD300，LOD350，二维LOD模型的生成效率明显优于其他三维LOD模型，运行时长呈指数型增长。

2)不同构件的UDF模板因其内部几何逻辑的复杂度不同也存在生成效率上的差异。

因此在实际设计过程中，应避免直接生成高精度BIM模型，而是采用递进式的设计方式[20]，模型由低LOD等级向高LOD等级不断迭代，一方面能够在设计初期实现低维度下的高效设计反馈；另一方面可以大大增加模型和参数的复用性，从而提高设计效率。

4 结 语

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。首先，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。其次，基于3D Experience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。最后，按照不同的模型精细度等级分别创建钢混组合梁BIM模型。研究结果表明：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。