1 引言

波形腹板鋼-混凝土組合梁具有自重輕、抗震性好、跨越能力強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)、便于工廠化生產(chǎn)等優(yōu)勢(shì)，常被用于跨越既有線以及抗震設(shè)防烈度高的高速公路設(shè)計(jì)項(xiàng)目中。 在施工圖設(shè)計(jì)過程中， 對(duì)于30 m、40 m、50 m、60 m 等標(biāo)準(zhǔn)等寬跨徑的波形鋼腹板橋梁，上部鋼梁布設(shè)采用通用圖的方案，但是在高架立交區(qū)域，常出現(xiàn)立交變寬區(qū)域、小半徑曲線的彎橋以及非正交設(shè)計(jì)的斜橋。 對(duì)于上述3 類設(shè)計(jì)情況，通用圖不能滿足設(shè)計(jì)成果交付的需求，而傳統(tǒng)的AutoCAD 設(shè)計(jì)工具在處理這些問題時(shí)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，設(shè)計(jì)精度和設(shè)計(jì)質(zhì)量都會(huì)由于人為因素下降，設(shè)計(jì)工作存在一定的困難。 為解決上述問題，相關(guān)人員試圖通過研發(fā)一款專業(yè)軟件來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)繪圖， 本文主要對(duì)該正向設(shè)計(jì)軟件的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行分析說明。

2 波形鋼腹板組合梁設(shè)計(jì)軟件

2.1 總體功能架構(gòu)

本軟件總體功能設(shè)計(jì)如圖1 所示。 基于Bentley 平臺(tái)的CIF SDK 等專業(yè)工程圖形計(jì)算類庫， 相關(guān)人員通過自主攻關(guān)對(duì)緯地文件進(jìn)行數(shù)據(jù)化解析， 通過導(dǎo)入緯地文件自動(dòng)生成帶平、縱、橫、超高、斷鏈信息的路線模型；通過數(shù)據(jù)輸入、CAD文件導(dǎo)入、交互式工具動(dòng)態(tài)繪制等多種方式，完成橋梁上部結(jié)構(gòu)各類構(gòu)造的布置，包括鋼梁控制元素、角鋼邊線、橫隔梁控制線、箱間橫梁控制線等。 利用參數(shù)與圖形結(jié)合、交互聯(lián)動(dòng)的斷面模板設(shè)計(jì)手段， 可使設(shè)計(jì)人員快速完成橋梁各構(gòu)件參數(shù)的輸入。 使用自定義元素實(shí)現(xiàn)面向橋梁對(duì)象的數(shù)字化設(shè)計(jì)，從而能夠自動(dòng)計(jì)算各類參數(shù)，一鍵創(chuàng)建BIM 模型。 最后高效完成設(shè)計(jì)成果，包括施工圖批量繪制、參數(shù)表自動(dòng)繪制、工程數(shù)量表自動(dòng)統(tǒng)計(jì)等。 通過自研插件，BIM 模型一鍵導(dǎo)出Josn、Udb、Udd 等模型格式， 精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)模型能夠在施工階段數(shù)字化系統(tǒng)中被應(yīng)用。

圖1 總體功能架構(gòu)

2.2 橋梁數(shù)據(jù)的組織方式

橋梁軟件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一款BIM 正向設(shè)計(jì)軟件的內(nèi)核， 其數(shù)據(jù)的組織與歸類不但要滿足施工圖設(shè)計(jì)階段的業(yè)務(wù)要求，還需適應(yīng)下游施工管理階段分部分項(xiàng)的劃分方式。 在波形鋼腹板組合梁正向設(shè)計(jì)軟件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中， 使用了工程類別分解+ 工程實(shí)體分解的方式， 這種方式類似于項(xiàng)目管理中常使用的分部分項(xiàng)，但又不完全一樣。 設(shè)計(jì)人員采用了面向?qū)ο竺枋鍪澜绲某橄笏季S方法， 按照分部分項(xiàng)的包含關(guān)系來劃分工程類別，如上部結(jié)構(gòu)、鋼箱梁、橫隔梁、箱間橫梁等，在每一類工程類別的后面按層級(jí)分解各個(gè)工程實(shí)例對(duì)象，如1-1 箱間橫梁、1-2 箱間橫梁等。 這樣的劃分能夠全面表達(dá)工程實(shí)體的類別以及層級(jí)關(guān)系， 可以按照任意維度來劃分和歸類工程實(shí)體數(shù)據(jù)， 可以很容易排列組合形成施工算量、進(jìn)度、質(zhì)量管理中分部分項(xiàng)的劃分結(jié)構(gòu)[1]。

2.3 自定義對(duì)象實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化設(shè)計(jì)

Bentely 是一個(gè)通用的CAD 圖形平臺(tái)，提供點(diǎn)、線、面、體等通用的幾何對(duì)象， 在工程世界中， 往往需要面對(duì)的是鋼箱梁、橫隔梁、端橫梁、箱間橫梁等工程對(duì)象，這些對(duì)象除了具有自己的幾何形體外，還包含自己所特有的一些數(shù)據(jù)，如尺寸、材質(zhì)等。 利用自定義對(duì)象對(duì)工程實(shí)體的數(shù)據(jù)和圖形進(jìn)行整體封裝，用一套數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)圖形的多維度、多場(chǎng)景表達(dá)。 同一個(gè)自定義對(duì)象可以包括三維模型、平面圖、立面圖、剖面圖以及大樣圖等，不同圖形表達(dá)可以共用同一套工程屬性數(shù)據(jù)，當(dāng)自身數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)， 不同場(chǎng)景的圖形表達(dá)都會(huì)自動(dòng)發(fā)生相應(yīng)變化。 通過自定義對(duì)象，可建立和管理工程對(duì)象間的隸屬關(guān)系，當(dāng)感知到與自己所關(guān)聯(lián)的對(duì)象發(fā)生改變時(shí)， 就能自動(dòng)根據(jù)此改變化做出相應(yīng)的響應(yīng)，構(gòu)造出智能化對(duì)象關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

傳統(tǒng)意義上，設(shè)計(jì)人員可以通過參數(shù)化約束和設(shè)置變量的方式實(shí)現(xiàn)變量與幾何輪廓的聯(lián)動(dòng)變換， 但是其本質(zhì)仍然是使用變量控制的幾何元素，變量并不是實(shí)際意義上的工程屬性，無法使變量根據(jù)其表示的工程意義執(zhí)行有效管理。 通過自定義對(duì)象， 還可實(shí)現(xiàn)對(duì)工程屬性歸類管理， 與幾何輪廓深度綁定，使二者成為一個(gè)整體。 通過數(shù)據(jù)來表達(dá)工程構(gòu)造物之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，自動(dòng)計(jì)算構(gòu)件尺寸，例如，橫坡的取值變了，左右腹板的梁高會(huì)發(fā)生變化；橫隔板的位置變了，卡在波形腹板之間的距離就會(huì)變化，橫隔板的長(zhǎng)度也會(huì)隨之產(chǎn)生相應(yīng)變化。 這些變化都可以通過數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算， 從而通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)圖形發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)一定程度的設(shè)計(jì)自動(dòng)化。

2.4 鋼梁構(gòu)件動(dòng)態(tài)布置

自定義對(duì)象是BIM 正向設(shè)計(jì)的核心，可以通過數(shù)形聯(lián)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化設(shè)計(jì)， 而如何高效地把這些自定義對(duì)象實(shí)例布置出來，完成一座橋的設(shè)計(jì)，就需要用到交互式的布置工具。 軟件交互式動(dòng)態(tài)布置的操作如下：（1）通過拾取橋梁起終點(diǎn)范圍內(nèi)的路線，可偏移生成箱梁中心線，根據(jù)布跨自動(dòng)創(chuàng)建每一跨的每一片的梁組，配合模板參數(shù)數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成波形鋼腹板箱梁的平面示意圖；（2）接著通過點(diǎn)擊“布跨線”自動(dòng)生成端橫梁。 橫隔梁的布置則需點(diǎn)擊梁組對(duì)象，在波形腹板的約束下，生成橫隔梁并自動(dòng)計(jì)算橫隔板寬度。 箱間橫梁的布置通過拾取2 片橫隔梁進(jìn)行自動(dòng)布置。 通過拾取具有特征的元素，可有效控制軟件的操作流程，以避免因操作不當(dāng)造成的軟件錯(cuò)誤。

2.5 變量參數(shù)求解與自動(dòng)建模

在完成上述橋梁構(gòu)造布置后， 在軟件系統(tǒng)中存儲(chǔ)了各個(gè)橋梁構(gòu)造的布置位置以及部分必要的構(gòu)造參數(shù)， 基于這些數(shù)據(jù)，結(jié)合自動(dòng)建模程序，就能自動(dòng)計(jì)算各部位的參數(shù)以及一鍵生成BIM 模型。 BIM 模型不僅要發(fā)揮可視化的價(jià)值，更重要的是， 需要用這個(gè)可視化的形體去承載一個(gè)個(gè)工程實(shí)例的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。 這些數(shù)據(jù)分門別類，有表達(dá)幾何型圖形的數(shù)據(jù)，有用來繪圖的平面投影數(shù)據(jù)， 還有用來進(jìn)行工程量計(jì)算的算量參數(shù)，都是在建模過程中根據(jù)程序自動(dòng)計(jì)算而得的。 不同的業(yè)務(wù)有不同的算法， 對(duì)同一個(gè)工程實(shí)體部位， 其數(shù)據(jù)訴求也不一樣，在軟件內(nèi)通過大量的自定義對(duì)象，將這些設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在BIM 模型中，可以滿足不同業(yè)務(wù)的訴求[2]。

2.6 自動(dòng)繪圖

基于BIM 模型工程實(shí)例所承載的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，通過程序構(gòu)造出圖模板，讀取相應(yīng)構(gòu)造的投影數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)繪圖，可實(shí)現(xiàn)施工圖紙的批量繪制。 目前，軟件可實(shí)現(xiàn)典型橫斷面圖、組合梁一般構(gòu)造圖、鋼梁構(gòu)造圖、箱間橫梁構(gòu)造圖、剪力釘布置圖等6 大類波形鋼腹板組合梁核心圖紙自動(dòng)繪制。

2.7 自動(dòng)統(tǒng)計(jì)工程數(shù)量

波形鋼腹板組合梁傳統(tǒng)的工程量計(jì)算方式為： 人工把算量參數(shù)從圖紙抄錄到Excel 表格中，通過一些內(nèi)置的表格公式計(jì)算和統(tǒng)計(jì)工程數(shù)量。 這項(xiàng)工作煩瑣耗時(shí)， 人工抄錄容易出錯(cuò)，輸入數(shù)據(jù)工作量大，不同設(shè)計(jì)人員交叉復(fù)核煩瑣，人工統(tǒng)計(jì)容易漏項(xiàng)。 在本軟件中，按照橋梁數(shù)據(jù)的組織結(jié)構(gòu)，可以很清晰地定義出工程量統(tǒng)計(jì)的匯總結(jié)構(gòu)， 根據(jù)特定的算量規(guī)則以及獲取工程實(shí)例部位的算量參數(shù)， 可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)—算量同步進(jìn)行，設(shè)計(jì)了多少工程構(gòu)造，都能及時(shí)地進(jìn)行工程量計(jì)算與工程量統(tǒng)計(jì)，達(dá)到設(shè)計(jì)—量控同步的目的[3]。

2.8 利用線性內(nèi)插法設(shè)定箱梁橫坡

對(duì)于曲線上橫坡變化段的鋼箱梁， 如果按路線橫坡取值計(jì)算，會(huì)使得鋼箱梁板件尺寸比較零碎，給后期的加工制造帶來很大的麻煩，所以，需要人為地設(shè)置一個(gè)合理的橫坡值，通過線性內(nèi)插的方式來處理變化段的橫坡數(shù)據(jù)。 軟件在處理這個(gè)問題時(shí)，具體算法如下：（1）橫坡變化段起終點(diǎn)橫坡的設(shè)定：獲取某一跨下所有的箱梁，根據(jù)路線獲取其起點(diǎn)樁號(hào)、起點(diǎn)橫坡（路線讀?。?、終點(diǎn)樁號(hào)、終點(diǎn)橫坡（路線讀取），參考路線的起終點(diǎn)橫坡值，設(shè)置鋼箱梁的起終點(diǎn)橫坡值；（2）橫坡變化段橫坡地計(jì)算：根據(jù)線性內(nèi)插法計(jì)算變化段的橫坡值，例如，起點(diǎn)橫坡為3.50%， 終點(diǎn)橫坡為4.50%， 則跨中位置處橫坡為4.00%；腹板變截面位置、橫隔梁處的橫坡值都按照其內(nèi)插點(diǎn)的值進(jìn)行取值計(jì)算。 插入點(diǎn)橫坡i（%）與起點(diǎn)樁號(hào)處橫坡（k1，i1）和終點(diǎn)樁號(hào)處橫坡（k2，i2）的計(jì)算公式為：

3 工程應(yīng)用實(shí)例

桑園子黃河大橋?yàn)镚312 線蘭州過境段重點(diǎn)、 控制性工程，大橋位于桑園子峽谷，橋軸線與黃河斜交角度約60°，跨越黃河、隴海鐵路、省道公路。 橋梁按8 車道設(shè)計(jì)，左右幅分幅布置，單幅橋?qū)?2.75 m。右幅跨徑組合為波形腹板鋼-混凝土組合梁+斜拉橋+波形腹板鋼-混凝土組合梁（北岸），橋梁全長(zhǎng)990 m；左幅跨徑組合為波形腹板鋼-混凝土組合梁（南岸）+斜拉橋+波形腹板鋼-混凝土組合梁（北岸），橋梁全長(zhǎng)1 140 m。本項(xiàng)目南北岸引橋全部為波形鋼腹板組合梁結(jié)構(gòu)， 引橋受主橋斜拉橋的影響大，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中，多次進(jìn)行了設(shè)計(jì)方案調(diào)整，引橋波形鋼腹板組合梁也多次相應(yīng)修改設(shè)計(jì)。 在本項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)人員使用波形鋼腹板組合梁設(shè)計(jì)軟件，大大提高了設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。

4 結(jié)語

通過在桑園子黃河大橋引橋設(shè)計(jì)項(xiàng)目及其他相關(guān)實(shí)際項(xiàng)目中的應(yīng)用，可以得出如下結(jié)論。

1）波形鋼腹板橋梁施工圖設(shè)計(jì)效率比傳統(tǒng)CAD 手工繪圖提高了5 倍。 對(duì)于小半徑曲線、變寬、斜交的波形鋼腹板組合梁，由于存在路線、變寬等變量因素，不能直接按通用圖參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)交付，使用波形鋼腹板正向設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)出圖、出表，能很好、很快地解決這一問題。

2）預(yù)計(jì)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤降低30%。 通過BIM 正向設(shè)計(jì)軟件，可以把專業(yè)的設(shè)計(jì)知識(shí)變成程序化的軟件功能， 設(shè)計(jì)人員通過特定的界面輸入和程序化的計(jì)算， 預(yù)計(jì)可以解決30%的由人為因素造成的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，例如，標(biāo)注錯(cuò)誤、參數(shù)計(jì)算錯(cuò)誤、工程量匯總統(tǒng)計(jì)類錯(cuò)誤等。