空间桥梁外形三维快速设计研究

祝可为

（福建船政交通职业学院 土木工程学院，福州 350007）

随着近年来我国桥梁建设速度大幅提升，桥梁桥型已相对固定，因此多数桥梁均在外形方面进行突破，以达到建造城市地标性建筑的目的。目前我国学者在三维设计方面也开展了许多相关的研究。在数据结构研究上，文献[1]以扫描法和参数化特征造型为桥梁模型的主要造型方法，半边数据结构为模型的数据结构。文献[2]采用基于知识的参数化建模方法对桥梁的参数化建模进行研究，提出了桥梁设计知识表达模型、知识获取方法、桥梁结构拼装算法、桥梁智能变动算法。文献[3]结合斜拉桥结构的特点，采用参数化方法对斜拉桥进行三维建模，实现了斜拉桥三维可视化。文献[4]对三维几何体参数化建模的过程进行了深入探讨，并结合桥梁缮陶特点，对桥梁组件的三维参数化建模及桥梁整体拼接进行了研究。王哲结合某桥梁工程，围绕CATIA软件在该项目中的具体应用展开探讨[5]，明确了CATIA软件"模板+骨架"建模形式的优势，并从骨架建立，简支T梁模型建立两个方面阐述了建模流程。文献[6]采用三维CATIA软件可更准确地对副塔及副塔内的钢锚箱结构构件进行细部结构设计，为大型复杂桥梁，特殊构件等细部结构设计提供了技术参考。对于空间外形桥梁结构，由于桥梁外形特殊，且线形复杂，引入三维设计可有效提升设计的精细程度，解决了传统二维设计的弊端[7]。

由于复杂的空间线形只能依靠三维技术来进行设计，但在实际三维软件使用过程中，大部分设计人员停留在沿用二维CAD制图的思路之上，对于三维时代的建模思路缺乏创新，导致了三维建模效率的降低。本文依托某大跨径拱桥（图1）、大型空间悬索桥（图2）等工程，通过比较二维制图与三维设计思路的差异，提出三维时代下针对桥梁全桥、钢结构及混凝土结构的建模思路方法，用于指导实际生产工作，以期为同类型桥梁的三维快速设计提供思路。

图1 某大跨径拱桥三维模型

图2 大型空间悬索桥三维模型

2 三维设计与二维制图的差异

三维设计与二维设计的差异表现在设计施工一体化的程度及最终成果的形式上。

2.1 设计加工制造一体化程度差异

在二维时代，设计与钢结构加工制造相互脱节、相互独立。加工制造单位需要基于设计图纸重新建模、制图，以满足加工制造的需求。而三维设计是基于BIM理论体系，不仅包括了三维设计，还包括了加工、制造、安装、管理等全过程。在三维设计中，充分考虑下游产业的特点及需求，力求使三维设计成果能应用于下游加工制造过程中。

2.2 最终成果差异

二维设计的最终成果是平面图纸（图3），CAD图纸通过给出特征截面的方法对变截面结构进行描述，但截面间的具体过渡曲线并未明确表达。施工过程中，施工单位通过“以直代曲”的方式进行放样，降低了结构的准确性。基于二维图纸设计变截面复杂结构，也易发生设计意图与图纸相悖、设计人员与施工人员理解不同等问题。

图3 某桥梁平面布置图

在三维时代，完成三维设计的同时，结构最终建成的实体也同样形成（图4），三维设计过程可认为是一次全桥施工的模拟，这样便于设计人员提前发现问题，确保设计意图的准确传递，但也导致设计人员需要完成原本由施工单位完成的放样工作，这样无形中增加了设计人员的工作量。因此在三维设计时需要考虑如何精确、高效的对截面进行过渡放样，形成最终实体。

图4 某桥梁三维实体示意图

3 三维设计建模思路的提出

3.1 钢结构建模思路

3.1.1 传统建模思路

采用二维设计钢结构桥梁时，基于图纸的排布，设计任务分解往往按施工节段进行（图5）。设计人员各分得一部分节段。以钢箱梁为例，在单个节段图纸中均包含有结构的顶板、底板、腹板、横隔板、加劲肋等构造。此种任务分解方式导致大量相同功能、相同位置的板材重复出现于施工节段的图纸中，存在大量重复性的图纸绘制工作。当其中一个节段的构造进行调整时（如施工节段的长度调整），由于内容存在大量的相关性，图纸的修改工作量较大，易形成前后不一致现象。

图5 钢结构传统任务分解模式

3.1.2 钢结构“板材设计法”

前述表明三维设计时应充分考虑下游产业的特点，因此制造厂进行钢材加工时，是以板材的厚度、板材的尺寸作为分类标准，而不以施工节段作为分类依据。同时还需要根据运输、焊接设备等条件对板材进行二次切分，满足相应的尺寸要求。本文在充分结合钢材加工特点的基础上，提出三维设计针对钢结构的“板材设计法”思路。“板材设计法”的特点为“整板设计，最后切分”。

采用“板材设计法”时，首先对任务的分解模式做出改变，不再以施工节段作为项目任务分解的依据，而是以构成钢箱梁的主要板材（顶板、底板、腹板、横隔板等）进行任务划分（图6）。板材采用全桥整体设计，加劲肋等连续构件也采用贯通布置，不考虑施工节段间的断开。同类型主要板材仅由一位设计人员完成设计（如顶底板、腹板等箱梁外轮廓结构由一位设计人员进行设计，横隔板等内部细部构造由另一位设计人员设计）。

图6 按主要板材进行任务分解

这样的任务分解模式能最大限度减少不同设计人员之间模型的关联点。而采用按施工节段进行任务分解时，不同设计人员设计产品之间的关联点较多（施工节段间各顶、底、腹板及对应加劲肋等构造均相互关联），对应的修改风险也较大。而采用按照板材功能进行任务划分，不同设计人员设计产品之间的关联点较少（横隔板仅与外轮廓位置有关，结构设计时外轮廓的变动程度小），主要板材均分属于同一设计人员，同类型板材在设计时只有一种设计思想，保证了设计及后期修改时同一块板材的连续性、唯一性，也避免了后期因统一设计规则而造成的返工。需要进行修改时，修改工作量集中于单个设计人员中，避免了设计人员因沟通不畅产生的更新不及时，降低了大面积修改的风险。同种板材单一设计人员体现了“板材设计法”整体设计的思想。

对设计任务按照板材功能进行划分后，参考在3DE平台中成熟的船舶设计理论[4-5]对桥梁钢结构进行三维正向设计，设计过程分为钢结构概念设计（以下简称SFD设计）及钢结构细部设计（以下简称SDD设计）两个环节。这两个环节中模型相互联系、相互独立。

SFD设计应用于桥梁设计的早期及中期节段，即桥梁结构可能发生较大变化的时期。本阶段的设计内容包含主要的受力板材（外轮廓结构）、加劲肋、横隔板及大型的开孔等。在本阶段板材的表现形式为一块带有厚度的平板或曲板，且未考虑施工节段的划分。这个阶段的模型主要用于全桥工程量的统计、有限元模型分析及施工节段的规划等。

SFD设计则应用于桥梁设计的中后期，即桥梁结构不再有较大变化时。本阶段的主要工作为：首先将SFD设计生成的模型进行节段划分；其次为各种板材添加细部构造（过焊孔、焊缝、端部切除、过渡等）；最后将整体模型按施工节段分割为独立的零件。SFD阶段的模型主要用于施工方案的模拟、板材的加工下料、最后图纸的绘制等。在设计的中后期才进行施工节段的划分，体现了“板材设计法”最后切分的思想。

3.2 混凝土结构建模思路

3.2.1 传统建模思路

传统的CAD制图方法是通过逐个关键断面绘制的方式来表述异形混凝土结构。三维设计时，如仍采取同样的方式，则需要针对变截面混凝土构件依次绘制多个关键截面，并用多截面放样的方法形成实体结构。默认的多截面放样方法其截面间过渡存在不可控性。为保证实体结构的准确性，需要针对截面的每个特征点设置其对应的放样线型。

而传统设计思路的设计对象是混凝土三维实体结构。对实体结构进行放样操作，存在以下问题：

（1）实体结构特征点较多

如图7所示，对于一个变截面连续梁，存在多达十五个变截面特征点，因此在设计时需要对十五个特征点都进行放样线形的确定，工作量较大。

图7 变截面连续梁特征点分布

（2）特征点间放样线形复杂

对于同时变高变宽结构，特征点的过渡线形往往是一条三维空间曲线，其变化形式复杂，设计时易发生错误。

3.2.2 混凝土结构“模板设计法”

在进行三维建模时，应力求简化特征点数目及简化放样线形，以此提高三维设计建模的效率。为简化建模难度，引入降维思想。在数学中降维法是把一个多因素问题转化成一个较少因素，用低维的概念去类比高维的概念，将高维的图形转化为低维的图形。

三维结构是由点、线、面、实体构成的。当对实体操作困难时，考虑降低维度，对曲面进行操作。基于这个思想，本文提出了针对于混凝土的“模板设计法”。

在混凝土结构的施工过程中，需要搭设模板，通过一系列的模板（顶模、底模、侧模、内膜）形成封闭的轮廓，在其中灌注混凝土，最终形成实体结构。将三维设计与施工过程进行类比，发现三维设计过程即相当于现实中的施工过程的模拟，最终形成的三维设计模型即为实际中的结构。因此可以考虑在三维设计过程中，仿照施工步骤，改变传统直接对实体进行操作的方法，通过搭设一系列的模板曲面，通过曲面的相互封闭最终形成三维实体，这便是“模板设计法”的思路。模板可以为曲面、平面，其位置根据混凝土构件的边界轮廓确定，依据混凝土的体型及结构尺寸进行设计。

“模板设计法”最大的特点是改变了设计的对象，将设计的焦点对准形成实体结构的曲面，达到了降维简化的目的。

当对曲面进行操作时（以底模为例），如图8所示，单个模板仅有2个特征点，大量减少了特征点的数目，将设计进行了分解，单次仅需针对少量特征点进行放样曲线设计，降低了设计难度。同时桥梁结构中许多放样线形都是属于在同一个平曲面内的变化，可以依靠三维软件强大的曲面折叠和展开功能，将放样线形由空间三维曲线转化为平面二维线形，降低了设计的复杂程度。

图8 变截面连续梁模板

4 三维建模思路应用

4.1 钢结构“板材设计法”应用

以钢箱梁为例阐述板材设计法的具体流程。首先以板材为依据对钢箱梁的内外轮廓结构分配不同的设计人员。

各设计人员接收任务后依次绘制出各板材的支持面（即板材所在的空间位置，可以为平面或曲面）。钢箱梁的顶板、底板、腹板可先绘制出断面轮廓草图，根据断面轮廓沿顺桥向依次拉伸、扫略得到顶、底板、腹板的支持面；横隔板则可以根据其所处的位置，通过偏移箱梁跨中截面平面或支点截面平面的方法得到其所在位置。得到各板材支持面后，便可在支持面上绘制各板材轮廓。箱梁的顶板、底板、腹板等主要轮廓的支持面与板材实际轮廓相同，只需注意焊接关系，选取相应的限制曲面即可；横隔板则在其支持面上，依次选取箱梁的外轮廓板材将其限制形成对应的形状，三维设计结构树及模型见图7。箱梁的主要受力板材形成后，便可在其上设置加劲肋、过人孔、局部加强筋、过焊孔等细部构造。通常在方案设计阶段，仅对加劲肋、过人孔、局部加强筋等构造进行设计。

完成SFD模型并通过各级会审后，设计人员可开始SDD阶段的设计。通过3DE平台的板材切割功能，按照拟定的施工节段，将全桥板材进行切割，如图9所示。切割后的板材按板材的类型进行图纸排布，形成最终的施工图纸。根据板材类型进行图纸排布也能方便钢结构的加工下料。

图9 钢结构“板材设计法”结构树及模型

4.2 混凝土结构“模板设计法”应用

以混凝土变截面连续梁为例，采用“模板设计法”时，首先根据连续梁跨中、支点等关键截面绘制断面草图，输出断面上各轮廓曲线。再根据截面立面、平面变化方式绘制对应的平面、立面草图。将断面草图与立面、平面草图中的顶板、底板、腹板内外轮廓曲线一一对应，采用拉伸或扫略命令形成曲面，这些曲面即为混凝土现浇施工时的模板。

模板形成后，可采用两种方式生成混凝土实体结构。第一种方式可建立一个尺寸略大于连续梁且将连续梁完全包络其中的长方体，在3DE平台中使用模板对长方体进行切割等操作，类似于机械加工时的机床铣削工艺，此方法适用于较为简单的混凝土结构，特别是针对混凝土主梁（图10）。第二种方式为通过模板间的相互切割，形成封闭的曲面，采用3DE平台封闭曲面功能生成实体结构（图11）。此方法较为通用，可用于负责结构的建立，如混凝土主塔、拱座等不规则结构。

图10 采用模板切割方法建立混凝土结构

图11 采用模板包络方法建立混凝土结构

5 结论

本文在二维传统制图思路上，分析了二维、三维设计的差异，提出了三维设计应用于钢结构及混凝土结构的建模思路。

依托某大跨径拱桥钢结构提出板材设计，基于BIM技术中的全过程理念，充分结合钢材加工的特点，通过对任务分解模式及设计流程的改变，以“整板设计，最后切分”为理念，最大限度减少不同设计人员之间模型的关联点，使得主要板材均分属于同一设计人员，同类型板材只有一种设计思想，保证了设计及后期修改时同一块板材的连续性、唯一性，减少了后期修改时的工作量。加快了钢结构三维设计的速度。

依托大型空间悬索桥混凝土结构提出模板设计，将三维设计与施工过程进行类比，运用数学中的降维思想，将设计的对象由三维实体结构改变为模板曲面，减少了特征点数目、放样线形的复杂程度，降低了设计的难度，提高了三维设计建模的效率。