新论文 | 钢混组合梁多尺度BIM正向设计研究

0 内容概要

在国家大力倡导绿色建筑以及城市化进程不断加快的背景下，钢混组合梁结构因其优越的受力性能、高度预制装配化和良好的综合效益而被广泛应用于城市高架桥梁建设中。然而，当前缺乏配套的工业设计软件和BIM正向设计模式滞后的现状制约了三维正向设计在钢混组合梁领域的推广应用。本文引入多尺度BIM建模方法，提出了基于模型精细度（LOD）的钢混组合梁模型分级方案，并通过内嵌设计逻辑和构造原则的方式实现钢混组合梁立面、断面和平面半自动设计；最后，按照不同模型精细度等级生成对应的BIM模型，并测试模型实例化效率。

1 研究背景

对于钢混组合结构桥梁而言，传统以二维图纸为信息载体的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模型的需求强烈。然而，现有的桥梁BIM正向设计系统以混凝土桥梁为主，钢混组合梁有关研究相对匮乏，且存在以下主要问题：

1）脱离实际的设计流程。
2）模型复用率低。
3）模型数据缺乏可操作性。

通过引入多尺度建模的理念，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。因此，笔者首次将多尺度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分级方案。

2 钢混组合梁BIM模型分级

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《Level of Development (LOD)Specification》和《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和LOD350。

不同LOD等级下的典型构件模型如下图所示：

3 基于3DExperience的正向设计

为了实现多尺度建模方案，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，最终确定采用达索3D Experience平台。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实例化这3个过程，具体实现流程如下图。

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，并适用于变宽段主梁增设时的复杂情况。此外，引入决策表用于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，有效降低了设计人员和开发人员的沟通成本，减少因理解偏差和条件组合工况遗漏所导致的逻辑错误。下图为本文基于决策表进行箱间横梁布置逻辑编制的过程。

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，笔者在曲线路段上生成单跨钢混组合梁多尺度模型，并记录生成各部件所消耗的时长T，如下表，由表可知：

1）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。

4 结论

钢混组合梁设计理论已趋于成熟，但其配套的工业设计软件相对滞后，现有的正向设计系统存在与设计流程脱节、模型复用率低、数据可操作性差等问题，导致BIM正向设计效率低下，制约了钢混组合梁的推广应用。针对以上问题，本文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，并验证了本文所提出方法的可行性。该方法能够在低LOD等级下实现高效的设计反馈，并提高了模型的复用性，也为推动BIM技术在其他线性工程正向设计中的应用提供思路和参考。

引用本文：
曹炳勇, 施新欣, 陈莎莎, 董冰, 崔小建. 钢混组合梁多尺度BIM正向设计研究 [J/OL]. 重庆交通大学学报(自然科学版): 1-12 [2022-03-24].