李健剛 孫永超 孔越 熊洲嶸

北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司 100082

引言

BIM（Building Information Modeling 建筑信息模型）技術(shù)從理念的提出到進(jìn)入實(shí)踐應(yīng)用，經(jīng)歷了一段較長(zhǎng)的時(shí)間。在信息化的趨勢(shì)下，標(biāo)準(zhǔn)體系層面與軟件技術(shù)支撐層面的大量工作［1］使得BIM技術(shù)不斷發(fā)展。但目前，BIM 技術(shù)還遠(yuǎn)未達(dá)到成熟階段，國(guó)內(nèi)目前的BIM 技術(shù)應(yīng)用大部分還停留在單點(diǎn)工程或單個(gè)環(huán)節(jié)的應(yīng)用階段［2］，部分復(fù)雜項(xiàng)目也開(kāi)始用BIM 來(lái)解決系統(tǒng)上的管理難題，但大多數(shù)還是針對(duì)某個(gè)特定案例個(gè)別實(shí)施，其成本一般較高，普遍推廣的價(jià)值相對(duì)較?。?］，雖然國(guó)內(nèi)部分企業(yè)或BIM 廠(chǎng)商也正在尋求BIM 系統(tǒng)應(yīng)用上的突破，但還任重道遠(yuǎn)。如何在紛繁復(fù)雜的軟件技術(shù)背景下，尋求適合自身發(fā)展的BIM 技術(shù)模式，是擺在廣大工程技術(shù)人員及決策者面前的一個(gè)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

達(dá)索系統(tǒng)3DE平臺(tái)是達(dá)索系統(tǒng)全新整合的設(shè)計(jì)協(xié)同平臺(tái)，基于該平臺(tái)也提供了一系列的行業(yè)解決方案，如土木行業(yè)解決方案［2］。它是目前國(guó)際上比較先進(jìn)的PLM 解決方案平臺(tái)，但由于涉足土建行業(yè)比較晚，其解決方案落地仍然存在一定的難度［4］。本文基于達(dá)索系統(tǒng)3DE 協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，利用其內(nèi)嵌的EKL 腳本語(yǔ)言對(duì)模板進(jìn)行處理，將多種模板合并在一個(gè)模板之中，模板中嵌入設(shè)計(jì)邏輯，達(dá)到了批量參數(shù)化建模，在不同方案之間可實(shí)時(shí)調(diào)整的目的。

1 CATIA開(kāi)發(fā)方式及EKL簡(jiǎn)介

達(dá)索系統(tǒng)的CATIA 提供了四種定制開(kāi)發(fā)方式，分別為：Interactive User Defined Feature（UDF）、Knowledge ware、Automation API、CAA C++和JAVA API。除了第一種開(kāi)發(fā)方式外，后三種都需要采用一定的編程手段來(lái)實(shí)現(xiàn)［5］。

其中Knowledge ware的開(kāi)發(fā)方式主要基于其內(nèi)嵌的企業(yè)知識(shí)語(yǔ)言（EKL：Enterprise Knowledge Language）來(lái)完成。EKL 作為達(dá)索系統(tǒng)原生內(nèi)嵌腳本語(yǔ)言，其使用極為靈活與方便，學(xué)習(xí)成本相對(duì)較低。使用者不但可以通過(guò)其常規(guī)使用的公式、規(guī)則、檢查、設(shè)計(jì)表、知識(shí)工程陣列、行為等知識(shí)工程工具進(jìn)行操作，而且可以調(diào)用Knowledge Packages中封裝的大量的知識(shí)包，能夠大大提高設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的效率［6］。EKL不僅可作為企業(yè)在研發(fā)過(guò)程中的一種成本較低的開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行使用，同時(shí)還可以利用知識(shí)體系的便捷復(fù)用達(dá)到沉淀企業(yè)知識(shí)的目的［7］。BIM設(shè)計(jì)的一個(gè)重要特征就是能夠?qū)⑵髽I(yè)的經(jīng)驗(yàn)嵌入到企業(yè)的知識(shí)體系中［8］。

2 模板的需求分析

在橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中，常用的上部結(jié)構(gòu)形式有現(xiàn)澆梁、預(yù)制T梁、預(yù)制小箱梁等，下部結(jié)構(gòu)形式有柱式墩、樁柱式墩、擴(kuò)大基礎(chǔ)橋墩等，如圖1、圖2 所示。

圖1 常規(guī)上部結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Models for common types of superstructure

圖2 常規(guī)下部結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Models for common types of substructure

橋梁三維設(shè)計(jì)過(guò)程中主要需要考慮因素有：現(xiàn)況地面及環(huán)境條件、道路定線(xiàn)及邊線(xiàn)、橋梁布跨、橋梁斜交角度等。此外針對(duì)上、下部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，還會(huì)有一些細(xì)節(jié)因素需要考慮。

利用模板來(lái)解決上述橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求時(shí)，一般有如下兩種方式：

第一種就是按上述設(shè)計(jì)需求進(jìn)行枚舉，如將結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行簡(jiǎn)單歸類(lèi)，得到一定數(shù)量的分類(lèi)模板需求，分別創(chuàng)建單獨(dú)的模板進(jìn)行調(diào)用。這種方式在一定程度上對(duì)模板創(chuàng)建需求比較明確，可以達(dá)到快速創(chuàng)建模板的目的，弊端就是項(xiàng)目應(yīng)用過(guò)程中需要提供大量的模板形式供選擇，模板調(diào)用難度較高，后期模板維護(hù)工作量較大。另外，如果出現(xiàn)沒(méi)有被枚舉到的結(jié)構(gòu)形式，則無(wú)法建模。

另外一種處理方式則是先將主要需求進(jìn)行結(jié)構(gòu)化，再利用CATIA 中內(nèi)嵌的EKL 腳本語(yǔ)言將知識(shí)邏輯結(jié)構(gòu)進(jìn)行模板歸一化，這樣就達(dá)到知識(shí)規(guī)則控制模板的調(diào)用需求，實(shí)現(xiàn)多模合一下模板集成應(yīng)用的目的。

要實(shí)現(xiàn)第二種設(shè)計(jì)模板，首先需要梳理模板使用過(guò)程中可能出現(xiàn)的設(shè)計(jì)需求，即對(duì)主要的變量因素進(jìn)行梳理。同時(shí)，也需要將各種細(xì)部尺寸參數(shù)進(jìn)行分類(lèi)整理。本文基于第二種模板設(shè)計(jì)思路，對(duì)常規(guī)橋梁上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)基于嵌入設(shè)計(jì)邏輯的模板進(jìn)行歸一化的參數(shù)化設(shè)計(jì)，其中下部結(jié)構(gòu)的參數(shù)規(guī)劃如圖3 所示。

圖3 下部結(jié)構(gòu)模板參數(shù)規(guī)劃Fig.3 Outline of parameters for the substructure template

3 模板集成應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)方法

3.1 技術(shù)實(shí)現(xiàn)的思路與框架

本文模板集成應(yīng)用方法的主導(dǎo)思想是將同一類(lèi)中多種形式的模板通過(guò)一定的規(guī)則設(shè)置，統(tǒng)一到一個(gè)集成的模板中，并將設(shè)計(jì)邏輯嵌入模板中。這樣處理后的集成化模板，不僅可以基于設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速參數(shù)化設(shè)計(jì)，還可針對(duì)不同設(shè)計(jì)方案對(duì)結(jié)構(gòu)形式實(shí)時(shí)進(jìn)行靈活調(diào)整，避免了因結(jié)構(gòu)形式的調(diào)整造成的重新建模，增強(qiáng)了整體模型結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性與穩(wěn)定性。

集成化模板方法可以更好地適應(yīng)復(fù)雜模型的處理，可以很好地維護(hù)整體模型骨架的穩(wěn)定性，避免了因設(shè)計(jì)條件改變而帶來(lái)的更大規(guī)模的結(jié)構(gòu)模型協(xié)調(diào)問(wèn)題。模板集成應(yīng)用方法實(shí)現(xiàn)框架思路如圖4 所示。

圖4 模板集成應(yīng)用方法框架思路Fig.4 Framework of the integrated template application method

3.2 模板骨架定義

在模板定義過(guò)程中，首先需要考慮的是模板骨架，用以界定模板實(shí)例化過(guò)程中的具體控制條件［9］。橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的模板骨架主要考慮的控制條件因素一般有：控制橋梁分孔定位的局部參考坐標(biāo)軸系、道路中線(xiàn)、道路外邊線(xiàn)以及現(xiàn)況地面等。橋梁結(jié)構(gòu)模型一般骨架條件如圖5 所示。

3.3 模板參數(shù)控制

參數(shù)化設(shè)計(jì)是達(dá)索系統(tǒng)平臺(tái)的一個(gè)基本特征，參數(shù)化為后期設(shè)計(jì)調(diào)整提供了極大的便利［10］。本文橋梁上部結(jié)構(gòu)模板設(shè)計(jì)過(guò)程中主要考慮了總控參數(shù)及其各部件細(xì)節(jié)參數(shù)兩大類(lèi)。上部結(jié)構(gòu)模板主控參數(shù)如圖6 所示。

圖5 橋梁模型骨架條件Fig.5 Skeleton conditions of bridge model

總控參數(shù)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總體控制參數(shù)，以上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模板為例，其總控參數(shù)主要有：主梁類(lèi)型、橋面是否設(shè)置雙面坡、主梁高度、首支撐線(xiàn)控制參數(shù)、尾支撐線(xiàn)控制參數(shù)、橋面鋪裝及伸縮縫參數(shù)、梁格控制參數(shù)、輔助參數(shù)等。通過(guò)總控參數(shù)，將常規(guī)上、下部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)可能遇到的形式進(jìn)行不同組合設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)橋梁不同上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)形式的參數(shù)化組合設(shè)計(jì)。

圖6 模板總控參數(shù)示意Fig.6 Overall controlling parameters for the template

除了總控參數(shù)之外，還應(yīng)對(duì)細(xì)節(jié)尺寸進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，如圖7 所示。利用細(xì)節(jié)參數(shù)可實(shí)現(xiàn)模板基本細(xì)節(jié)尺寸的調(diào)整。此外，根據(jù)具體情況還可以增加其他參數(shù)來(lái)控制相應(yīng)的細(xì)部形態(tài)。

模板細(xì)節(jié)參數(shù)還可以與設(shè)計(jì)過(guò)程中的模型精細(xì)度（LOD）需求相關(guān)聯(lián)，達(dá)到不同設(shè)計(jì)階段下不同精細(xì)度模型需求的不同設(shè)計(jì)參數(shù)相匹配的目的。

圖7 細(xì)節(jié)參數(shù)設(shè)置示意Fig.7 Overall settings of detail parameters

3.4 規(guī)則應(yīng)用

模板集成應(yīng)用時(shí)，除了需要表達(dá)初始幾何形態(tài)外，還需要考慮后期修改時(shí)的適應(yīng)調(diào)整。這些不同條件情況下的參數(shù)自動(dòng)調(diào)整可以通過(guò)規(guī)則設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)。規(guī)則設(shè)置時(shí)從層級(jí)上主要考慮兩級(jí)參數(shù)需求，第一級(jí)是與總體模型的匹配關(guān)系的總控參數(shù)設(shè)定，第二級(jí)是與細(xì)節(jié)模型相匹配的細(xì)節(jié)參數(shù)的設(shè)定。第一級(jí)規(guī)則中主要考慮跨徑、路幅寬度等宏觀(guān)條件下的上、下部結(jié)構(gòu)選型等總控相關(guān)因素，第二級(jí)主要是既定結(jié)構(gòu)下的模型細(xì)節(jié)尺寸參數(shù)控制。

多模合一的規(guī)則設(shè)置實(shí)質(zhì)是將設(shè)計(jì)邏輯及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)值嵌入到模板中，將設(shè)計(jì)過(guò)程中可能遇到的一些因素提前考慮，實(shí)現(xiàn)基于設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)值的快速參數(shù)設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)條件調(diào)整情況下自適應(yīng)結(jié)構(gòu)變化。規(guī)則的適配原則如圖8 所示。

圖8 規(guī)則設(shè)置原則Fig.8 Principles of setting rules

通過(guò)規(guī)則的設(shè)定，使模板與參數(shù)控制要素進(jìn)行有效邏輯關(guān)聯(lián)，從而適應(yīng)設(shè)計(jì)的調(diào)整，達(dá)到一定程度上的智能化設(shè)計(jì)效果，部分規(guī)則設(shè)置如表1 所示。規(guī)則的設(shè)定，不但可以實(shí)現(xiàn)多模合一，同時(shí)還可以通過(guò)規(guī)則適配，來(lái)替代常規(guī)設(shè)計(jì)參數(shù)自定義等工作，減少方案設(shè)計(jì)時(shí)輸入?yún)?shù)過(guò)多等弊端。規(guī)則適配的結(jié)果不僅可以實(shí)現(xiàn)既定規(guī)則下的快速建模，而且還可以在需要調(diào)整時(shí)快速修改。

表1 部分規(guī)則設(shè)置內(nèi)容Tab.1 Contents of some of the rules set

3.5 檢查設(shè)置

在設(shè)計(jì)過(guò)程中難免也會(huì)遇到一些設(shè)計(jì)構(gòu)造上的細(xì)節(jié)需求，這些都可以通過(guò)檢查的功能進(jìn)行提醒或捕捉。檢查功能在一定程度上可以避免設(shè)計(jì)錯(cuò)誤或設(shè)計(jì)不合理性的發(fā)生。本文下部結(jié)構(gòu)模板中的部分檢查功能見(jiàn)圖9。

在多模合一的情況下，檢查功能的設(shè)置建議僅針對(duì)宏觀(guān)要素進(jìn)行檢查，細(xì)節(jié)參數(shù)的合規(guī)性檢查可以通過(guò)后期統(tǒng)一的數(shù)據(jù)分析與處理來(lái)完成。

4 集成模板的實(shí)踐應(yīng)用

通過(guò)上述參數(shù)、規(guī)則及檢查等功能的設(shè)置，再利用知識(shí)工程模塊的相關(guān)功能就可以對(duì)工程模板進(jìn)行快速調(diào)用，實(shí)現(xiàn)常規(guī)橋梁的參數(shù)化設(shè)計(jì)。本文模板在實(shí)際工程中應(yīng)用的項(xiàng)目模型骨架條件如圖10 所示。

圖9 檢查功能設(shè)置示意Fig.9 Configuration of the checking function

上述集成模板部分可以定義為UDF，但一般建議定義為工程模板，具體應(yīng)用形式可以根據(jù)項(xiàng)目實(shí)施需求進(jìn)行界定。在進(jìn)行模板調(diào)用之前，需要在資源表（Resource table）中進(jìn)行模板資源的定義，方便后期資源的調(diào)用。本文中利用EKL腳本語(yǔ)言進(jìn)行模板快速應(yīng)用代碼如圖11所示。

圖10 項(xiàng)目骨架條件Fig.10 Skeleton conditions of project

圖11 模板實(shí)例化代碼Fig.11 Code for template instantiation

在實(shí)例化過(guò)程中，還可以根據(jù)項(xiàng)目具體情況事先對(duì)參數(shù)進(jìn)行預(yù)定義，這樣在實(shí)例化過(guò)程中就可以通過(guò)獲取預(yù)定義參數(shù)得到相應(yīng)實(shí)例化成果，當(dāng)不進(jìn)行預(yù)定義時(shí)，模板將根據(jù)規(guī)則設(shè)定自動(dòng)完成相應(yīng)參數(shù)的匹配。其實(shí)例化結(jié)果如圖12 所示。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中也經(jīng)常會(huì)遇到方案比選或方案調(diào)整的情況，如將上述連續(xù)梁與預(yù)制小箱梁或預(yù)制T梁進(jìn)行比選或調(diào)整。如果采用多模合一的模板形式，就可以很方便在該模型下迅速完成修改調(diào)整。如將前面實(shí)例化項(xiàng)目中的第一跨調(diào)整為預(yù)制T梁時(shí)，只需要將總控參數(shù)中的“主梁類(lèi)型”調(diào)整為“T梁”即可，其調(diào)整后的成果如圖13 所示。

除了上述較常規(guī)的結(jié)構(gòu)實(shí)例化成果外，設(shè)計(jì)中也會(huì)經(jīng)常遇到現(xiàn)況管線(xiàn)穿越下部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的情況，需要將下部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)按現(xiàn)況管線(xiàn)情況進(jìn)行調(diào)整，如經(jīng)常會(huì)遇到的“板凳”承臺(tái)的方案，同時(shí)還需要考慮承臺(tái)設(shè)置角度。利用本文集成模板就可以快速得到所需結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)，如圖14 所示。

通過(guò)上述實(shí)例化及調(diào)整過(guò)程，不難發(fā)現(xiàn)，多模合一的集成化模板，不僅可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)橋梁的快速參數(shù)化設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化模板調(diào)用流程，還可實(shí)現(xiàn)基于設(shè)計(jì)條件變化對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)形式的快速參數(shù)化調(diào)整，大大提高了設(shè)計(jì)效率。

圖12 實(shí)例化結(jié)構(gòu)示意Fig.12 The structure model after instantiation

圖13 主梁調(diào)整示意Fig.13 Illustration of girder adjustment

圖14 下部基礎(chǔ)“板凳”形式Fig.14 ＂Bench＂shaped substructure

5 結(jié)語(yǔ)

利用達(dá)索系統(tǒng)3DE協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)內(nèi)嵌的EKL語(yǔ)言可以很好地解決多模合一的模板集成應(yīng)用問(wèn)題，并且可以快速實(shí)現(xiàn)模型的創(chuàng)建。基于EKL的模板制作與調(diào)用不僅可以實(shí)現(xiàn)橋梁的快速參數(shù)化設(shè)計(jì)，有效減少模板的管理量，同時(shí)也可以方便后期模型的修改，使得創(chuàng)建模型的適應(yīng)性得到極大提升，減少了模型的重復(fù)創(chuàng)建，同時(shí)也降低了模型的維護(hù)難度與維護(hù)成本，極大地提升了設(shè)計(jì)效率。

本文探討的多模合一的模板集成技術(shù)應(yīng)用方法，在項(xiàng)目初步三維設(shè)計(jì)中應(yīng)用效果良好。本文僅在模型創(chuàng)建與調(diào)整層面進(jìn)行了探索，在鋼筋建模、二維圖紙、協(xié)同分析等方面還有待進(jìn)一步研究。后續(xù)還可探索在快速建立與修改三維模型的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)快速生成施工圖、與結(jié)構(gòu)分析計(jì)算軟件的數(shù)據(jù)交互和反饋、與其他相關(guān)專(zhuān)業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)，以充分優(yōu)化工程設(shè)計(jì)流程，實(shí)現(xiàn)BIM應(yīng)用價(jià)值的最大化。