目前，為航空航天和機(jī)械工程師開發(fā)的復(fù)雜軟件解決方案，還未被土木工程師充分利用。在標(biāo)準(zhǔn)化的橋梁設(shè)計過程中，通過參數(shù)化建模的解決方案，可以提高利用BIM技術(shù)進(jìn)行項目規(guī)劃的速度和質(zhì)量。
更快捷的初步設(shè)計
公路橋梁進(jìn)行參數(shù)化自適應(yīng)設(shè)計背后的核心思路，是為非特定項目而創(chuàng)建模型，并且可以作為同類型橋梁設(shè)計模型的模板，只需要改變相應(yīng)的參數(shù)就可以適應(yīng)不同的設(shè)計要求。
在使用模板之后，初步設(shè)計模型就可以直接使用了。它包含諸如表格、分析和繪圖等鏈接文檔。所有這些都從主模型中提取信息，從而可以進(jìn)行更新和更改。為用戶提供實時的反饋，并告知他們改變參數(shù)將會如何影響橋梁的外觀、建設(shè)成本和可持續(xù)性。
圖1
如何在初步設(shè)計中采用新的BIM流程，并將其應(yīng)用到組合橋梁的模板模型中是本文研究的重點。圖1為一個在實際工程中使用相關(guān)建模應(yīng)用程序的效果示例。其目的是建立一個參數(shù)化、自適應(yīng)的橋梁模型，該模型具有最大程度的預(yù)定義屬性，可作為模板用于多個項目，并能夠根據(jù)不同的橋位條件做及時的調(diào)整。該模型中還包括了橋梁的結(jié)構(gòu)分析及其他文件(草稿、表格等)。與模型相關(guān)的所有文檔都會自動適應(yīng)參數(shù)的變化而進(jìn)行更新。參數(shù)也可以很容易地修改以適應(yīng)項目的需求，從而使初步設(shè)計過程更便捷、更快速、更少出錯。在圖形用戶界面中使用自定義參數(shù)后，用戶可以處理結(jié)果模型，并進(jìn)行自定義參數(shù)的修改。圖2中展示了一個參數(shù)化定義的兩跨橋梁，在被布置到一段高速公路上時，可以根據(jù)地形條件自動調(diào)整橋跨布置。
圖2
對使用參數(shù)化、自適應(yīng)的橋梁設(shè)計方法與目前的設(shè)計方法進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)了使用參數(shù)化、自適應(yīng)、隱式幾何描述的橋梁設(shè)計方法的優(yōu)缺點。例如，隱式幾何描述將結(jié)構(gòu)對象的所有信息保存在分層結(jié)構(gòu)歷史記錄中。與大多數(shù)BIM系統(tǒng)不同的是，該方法使用的是明確的或混合的幾何描述，只保留最終的幾何屬性。復(fù)雜的CAD軟件提供的隱式幾何描述是創(chuàng)建橋梁模板模型，隨后進(jìn)行個別修改及詳細(xì)說明的必要條件。
創(chuàng)建一個可以用作模板的模型，首先會導(dǎo)致更高的工作負(fù)荷。然而，使用參數(shù)自適應(yīng)的橋梁模型，當(dāng)需要重復(fù)使用時就顯示出了巨大的潛力，為后續(xù)的使用節(jié)省了時間、減少了錯誤。這使其成為對標(biāo)準(zhǔn)化橋梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計的有效選擇，但由于其應(yīng)用范圍有限，不能用于個別特殊橋梁的設(shè)計�？傮w而言，接下來，標(biāo)準(zhǔn)化橋梁的設(shè)計可以通過應(yīng)用BIM，來滿足當(dāng)今對更快、更便捷的設(shè)計流程的需求，并解決當(dāng)前在初步設(shè)計階段工作量增加的問題。自適應(yīng)的BIM模型可以減少橋梁的規(guī)劃時間，為下一步的規(guī)劃過程做準(zhǔn)備。因此，利用BIM進(jìn)行設(shè)計不再需要大量的設(shè)計人員。此外，使用模板模型還可以提高設(shè)計質(zhì)量。因為預(yù)先分配的結(jié)構(gòu)屬性、參數(shù)邊界、自動分析文檔和設(shè)計警告，可以減少設(shè)計過程中出現(xiàn)錯誤的概率。
模板驅(qū)動建模的要求
對于橋梁這種受路線、地形約束限制的基礎(chǔ)設(shè)施，選擇自上而下的建模方法顯然是十分有利的，因為大多數(shù)構(gòu)件需要在空間對齊，并由外部約束，例如交叉路線或已構(gòu)建的基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行固定。
在初步設(shè)計中，需要一個不太詳細(xì)的模型可以更容易地適應(yīng)不同的地形條件，并調(diào)整形狀以適應(yīng)不同的要求。因此，在定位和形狀擬合方面需要有很強(qiáng)的靈活性。同時，與此相關(guān)的信息，例如技術(shù)規(guī)范、圖紙、結(jié)構(gòu)分析、工程量統(tǒng)計、概預(yù)算、施工進(jìn)度表和可持續(xù)性，可以直接來自模型的屬性。
隱式CAD的自適應(yīng)能力
對模型的更改主要在于控制組件，控制組件應(yīng)包含在初步設(shè)計中需要調(diào)整的所有相關(guān)參數(shù)和特征。其他重新加載的對象會自動適應(yīng)由關(guān)聯(lián)效應(yīng)引起的變更。但應(yīng)防止雙向關(guān)聯(lián)，因為這樣會導(dǎo)致加載時間的增加和幾何圖形的過時。
然而，在整個建模過程中修改相關(guān)幾何形狀時，這種可以自動適應(yīng)特殊邊界條件的屬性也具備高度的靈活性。為此，需要復(fù)雜的隱式幾何建模技術(shù)，即使在初步的模板模型建完后，這些技術(shù)仍然具有完整的參數(shù)和特性。
模板驅(qū)動設(shè)計
該模板包含一組相關(guān)的參數(shù)和特征，在建模過程中需要進(jìn)行修改。所有的幾何信息都存儲在控制文件中，而屬性則直接應(yīng)用于對象。研究表明，為避免設(shè)計過程中的沖突，模板設(shè)計必須由工程師提前制定好。
在模板中也可以通過插入單獨的值、給定的值、函數(shù)/規(guī)則來更改這些參數(shù)。應(yīng)設(shè)置上、下邊界條件，保證合理的求解值和質(zhì)量數(shù)據(jù)。集成的Product Template Studio提供了一種快速而簡單的方法，可以很容易地將模型插入到項目文件中之后，立即更改橋梁的參數(shù)。它指導(dǎo)用戶完成第一次插值過程，并對參數(shù)要求的狀態(tài)給出實時反饋，確保所有值都是正確的，并給出修改建議。
但是，有一些對象需要做大量的準(zhǔn)備工作才能實現(xiàn)自動化。其中之一是對數(shù)字地形模型的自適應(yīng)。因為橋臺、基礎(chǔ)和施工場地的自適應(yīng)變化數(shù)據(jù)量巨大，可能使整個自動化效率降低。因此，建議在后期處理和細(xì)節(jié)中手動調(diào)整它們。此外，根據(jù)給定的數(shù)據(jù)，可以導(dǎo)入梯度，也可以使用該接口創(chuàng)建梯度。
模板應(yīng)用程序
可以通過用戶界面輕松地將模板插入到新項目中。這種插入方式可以防止一開始就可能出現(xiàn)的錯誤，并允許不熟悉模板的人使用。該接口要求輸入主要參數(shù)（例如跨度、橫截面類型)，并檢查輸入?yún)?shù)是否存在可能的沖突，以防止不正確地插入到項目文件中。
數(shù)據(jù)管理
所有信息通過屬性和幾何信息直接應(yīng)用于模型本身。模型信息被不斷地提取并以軟件中立的格式存儲，例如圖紙、表格和文本，對于任何參與項目的人來說都很容易閱讀到這些信息。這個過程是單向的，意味著所有的信息都是從模型中提取出來的，對文檔的更改不會影響模型本身。這將極大地減少可能產(chǎn)生的錯誤，例如錯誤命名的屬性和冗余信息，這些可能會在分析過程中導(dǎo)致問題。
模型信息的提取不僅為設(shè)計人員、客戶提供了簡單的分析和項目概述，還改進(jìn)了數(shù)據(jù)管理模式。有了這個功能，設(shè)計師可以快速嘗試不同的設(shè)計，并得到關(guān)于它們?nèi)绾斡绊憣傩�、橋梁的可持續(xù)性等即時的反饋。
存在的問題
模型設(shè)計中的自動化并非沒有問題。當(dāng)轉(zhuǎn)換到一種新的設(shè)計方法時，工程師們可能需要一段時間去適應(yīng)。在開始建模前，使用程序化的方法需要進(jìn)行許多準(zhǔn)備工作。與常規(guī)的邊界表示方法不同，程序化的方法需要創(chuàng)建具有正確屬性的對象，而參數(shù)化、自適應(yīng)設(shè)計的創(chuàng)建，則要求用戶提前考慮構(gòu)件特性的建模順序，以及它們之間的關(guān)聯(lián)方式。
由于對橋梁參數(shù)的更改，也迫使軟件需要重新計算所有受影響的對象，因此必須確保這種更改操作是按照正確的順序進(jìn)行的，以防止循環(huán)關(guān)聯(lián)。使用層次順序有助于保持序列的一致性。
此外，需要清晰地記錄模型的操作歷史，以確保構(gòu)件的特性能夠被輕松地使用。這也需要每位工程師都必須遵循明確的約定。
雖然當(dāng)前的軟件，獨立的數(shù)據(jù)交換格式還不能交換方法和信息，但該模板是可用的一個軟件產(chǎn)品。而不能交換方法和信息這個缺點至少可以通過提取常量數(shù)據(jù)，部分抵消。
提高初步設(shè)計的效率
創(chuàng)建模板要比創(chuàng)建非關(guān)聯(lián)模型慢得多，然而使用模板模型有很多優(yōu)點。首先，由于創(chuàng)建模型只需要修改初始模板模型的參數(shù)，因此可以節(jié)省大量的時間。與傳統(tǒng)的規(guī)劃過程相比，常規(guī)BIM階段的概念設(shè)計和初步設(shè)計階段，通常需要做更多的工作。使用模板可以將第一規(guī)劃階段的工作減少到最少。
與傳統(tǒng)的規(guī)劃過程不同的是，在傳統(tǒng)的規(guī)劃過程中，初步設(shè)計的后續(xù)利用率不高，而在BIM流程中，初步設(shè)計在信息流中沒有任何中斷，這節(jié)省了規(guī)劃的時間。
另外，為了減少BIM應(yīng)用中通常會出現(xiàn)的規(guī)劃誤差，這種方法進(jìn)一步減少了誤差率。由于預(yù)先分配的屬性，減少了當(dāng)輸入邊界條件時，幾何圖形的錯誤信息。
除了控件程序庫中的對象，大多數(shù)創(chuàng)建的對象之間沒有任何關(guān)聯(lián)，易于分離。因此可以同時在多家公司和工程師之間分配已創(chuàng)建的對象，而不必?fù)?dān)心沖突。這也減少了規(guī)劃時間，保證了更快的模型創(chuàng)建和后續(xù)過程。
參數(shù)自適應(yīng)橋梁模板
圖紙作為衍生品
主橋上部結(jié)構(gòu)的仿真模型、二維圖紙、三維有限元分析及裝配組件等所有的信息，都在主控模型中進(jìn)行存儲和維護(hù)。
在三維設(shè)計中，圖紙不再是主要產(chǎn)品，而是三維模型的衍生品。通過在模型中定義一個剖切面，然后將其放置在二維平面上，就可以得到圖紙。當(dāng)把圖紙文件向上定位到層次結(jié)構(gòu)時，它們就與模型關(guān)聯(lián)在一起了。主控模型到從屬模型的關(guān)聯(lián)是單向的，因此必須在主控模型中進(jìn)行更改。
為了進(jìn)一步實現(xiàn)自動化,不僅可以將幾何信息集成到模型中,還可以將制造信息集成到模型中,然后直接在從屬模型中提取制造圖紙,為后續(xù)的生產(chǎn)過程、物流和安裝提供信息。在由模型驅(qū)動的預(yù)制混凝土構(gòu)件和所需的施工順序中,這些屬性被分配給各個主部件,并通過產(chǎn)品制造信息(PMI)進(jìn)行可視化。
目前軟件獨立的數(shù)據(jù)交換格式允許這種制造信息的交換。因此，該模板通常可用于任何BIM軟件產(chǎn)品。
嵌入式結(jié)構(gòu)分析
建筑信息模型（BIM）的技術(shù)背景是，將三維構(gòu)件、語義數(shù)據(jù)、圖紙和仿真等對象連接在一起的關(guān)系數(shù)據(jù)庫。BIM是一個模型驅(qū)動的過程，因此主控模型概念在CAD/CAM軟件應(yīng)用中是一種常見的技術(shù)。
基于主控模型概念所提出的方法，最主要的目的是3D-CAD模型豐富了幾何和靜態(tài)邊界條件、屬性，便于后續(xù)的有限元分析(FEA)。
在自動生成的有限元網(wǎng)格基礎(chǔ)上，將鋼梁的拱度計算集成到模型中。將得到的撓度圖加載回主控模型中，得到鋼梁的理想預(yù)拱度，與模型的其余部分一樣，計算自適應(yīng)參數(shù)的變化。還可以考慮使用迭代步驟將預(yù)標(biāo)注添加到流程中，因為幾何元素不需要修改后，這樣做可以節(jié)約時間。
生成的有限元網(wǎng)格為通用的四面體網(wǎng)格，相比于其他網(wǎng)格，這種網(wǎng)格有一個較大的優(yōu)勢，就是有時可以不需要再定義網(wǎng)格相關(guān)的邊界條件，因此也不會因幾何參數(shù)變化而導(dǎo)致出現(xiàn)網(wǎng)格計算異常的風(fēng)險。通過在主控模型中計算恒載作用力，并將其作為參數(shù)添加到分析計算中，使所有的力和邊界條件都作用于幾何體本身，而不是網(wǎng)格，以保持模型的適應(yīng)性。
可持續(xù)性
BIM還可用于快速評估不同橋梁類型的可持續(xù)性，并即時反饋評估結(jié)果。在本研究中，兩種不同的主梁類型，焊接型鋼與軋制型鋼�？梢园l(fā)現(xiàn)，不同的梁型對環(huán)境的影響很小，焊接鋼梁由于其優(yōu)化的形狀，表現(xiàn)稍好。
標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)的未來
利用即將到來的數(shù)字化手段，例如面向?qū)ο蟮慕�、基于web服務(wù)器架構(gòu)的數(shù)據(jù)互聯(lián)、自動化制造等，開發(fā)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型驅(qū)動設(shè)計的新流程。將參數(shù)化模板程序與隱式建模技術(shù)相結(jié)合，使各種工程信息在整個項目生命周期內(nèi)的分配及使用，不再出現(xiàn)冗余。讓模型數(shù)據(jù)可重復(fù)使用，而不再隱藏在文檔中。
可以設(shè)想，在未來用BIM創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)將變得越來越重要�；贐IM的模板模型可以重復(fù)使用，并在整個項目過程中被不斷優(yōu)化。利用這種設(shè)計方法可以最大限度地減少誤差，提高規(guī)劃的速度。
必須強(qiáng)調(diào)的是，成功應(yīng)用3D CAD進(jìn)行公路橋梁設(shè)計的主要要求有——基于BIM應(yīng)用案例的模板概念、基于實體幾何結(jié)構(gòu)的CAD建模工具、自上而下的建模方法和控制文件、參數(shù)和特性的歷史操作記錄、清楚的分類關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)、良好的人機(jī)交互模式。
目前的研究已經(jīng)顯示出了參數(shù)化、自適應(yīng)的橋梁模板模型的巨大潛力。而這個模型中還可以增添更多的設(shè)計元素，例如圖紙、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)模擬、報告等文件，以及可持續(xù)性評價結(jié)果。雖然開放BIM的概念還沒有完全體現(xiàn)在隱式建模中，但未來將會實現(xiàn)工程全生命周期的自動化建模。
