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1、参数 化在桥 梁初步设计 中的应 用 于千惠 肖汝诚 同济大 学桥梁 工程 系 上 海 2 0 0 0 9 2 摘要 参数化设计允许设计团队通过修 改关键参数变更 整个设计 方案 便于操控 和改进 介绍 了这一设 计理念用 于解决桥梁 初 步设计阶段的方案变更 问题 和满 足生成多样化 的方案的需求的可行性 提出了将 参数化设计应 用于桥梁初 步设 计的方法 并通过 一 个 具 体 工 程 实 例 验 证 了 这 一 理 念 的 实用 性 关 键 词 桥 梁 初 步 设 计 设 计 变 更 方 案 多样 性 参 数 化 0 引言 在桥 梁 的初步 设 计 阶段 会 遇 到 因 总体 布 置 数
2、 据 改 变而引 起 的整 个设计 失 效重做 的情况 比如道 路 的 纵坡 一旦 改变 整个结 构形 态都会 发 生变化 全 部 的初 步设 计 图需要 重新绘 制 导 致大 量不 必要 的重 复工 作 另 一方 面 为 了满 足 桥 梁设 计 时结 构 合理 性 经 济性 美 观性 等 的需 求 桥 梁 的分 孔 布跨 传 力体 系 结 构 形 式 截 面尺寸 等设 计 要 素都 不 能 根据 局 部 条 件直 接 确 定 而要在生成整体性的方案后 根据其综 合效应 反 复调整 获得最 优结 果 在传 统 的设 计 流程 中 方案 修改 不便利 难 以分 析 设 计要 素 的调 整对 方
3、案 产 生 的影 响 制 约 了 对方 案 的 优 化程度 另 外 为 了使 结 构 满足 环 境 景 观 人 文 多 方面要求 初步设计时需要提出可供 比选的多样性 的 设 计方 案 参数 化设 计作 为 一种 革 新 的 设计 理 念 其 核 心 是 建 立灵 活可调 整 的桥 梁 几何 模 型 即把 几 何 实体 的尺 寸定义 为灵 活可 变 的参 数 并 在 参数 之 间 建 立必 要 的 数 值关联 在 几何 实体之 间建 立拓扑 约束关 系 得 到 由 初 始参数 操控 的几何 模型 l 通 过参数 化建 模 的方 式 生成 的模 型可 用于 满足桥 梁初 步设计 阶段对 模 型变
4、 更 和多样方 案 生成 的需 要 因此 将 参数 化 的设 计 方 法 应 用于桥 梁 的初步 设 计 中可 以提 高 设计 效 率 缩 短 设 计 周期 本 文介绍 参数 化 建模 在 相 关 领域 的发 展 现 状 然 后 分析 了参数 化在 桥梁初 步 阶段 中应用 的可行 性 以及 相应的工作 流程 并 通过一个 应用 实例来 证 明其 实 用性 收稿 日期 2 0 1 3 1 1 2 2 1 参数化 设计 及其在 相 关领域 的发展 现状 Ko l a r e v i c 描述 了建筑参数 化设计 与传统设计 思 考方式的差异 在参数化设计 中 我们定义的是具体 方案 的参数而不是
5、形状 通过对参数赋值 我们可以 创建 不 同的对 象和形 态 方程 可 以用来 描述 对象 之 间 的关 系 建 立一 种 相 互关 联 的几 何 关 系 参 数 化设 计 中建立 的是 由初 始参数 操控 的模 型 易 于修改 并 从 几何 模 型 中输 出数据 用 于不 同设 计 阶段 模 型数 据 交 换 数据具有高度的互用性 目前 这一先进理念已经 在 建筑领 域被 深入 的研究 和实 践 2 0世 纪 9 0年 代 建 筑 师 F r a n k Ge h r y为 了 实 现 一 些外 形 由不 规 则 曲 面组 成 的建 筑 利 用 参 数化 设 计 软件 处理 复杂 几 何形
6、体 以解 决 方案 的设 计 建造 中遇 到 的一 系列 问题 Ge h r y的团 队在这些 项 目中的 部分 研究成果成为了目前 D i g i t a l P r o j e c t 软件的前身 这 些 实践促 进 了建筑设 计 中计算 机技术 的应 用和 参数 化 设计 的发展 发 展 到现 在 已经有 数 款 软 件被 应 用 于 土 木建 筑 的参 数化 建模 C AT I A 是通用 的造 型软 件 由于其 出 色 的 曲 面 处 理 能 力 也 被 用 于 建 筑 造 型 Di g i t a l P r o j e c t 是基 于 C ATI A 开发 的 系列 建筑 软
7、件 Ge n e r a t i v e C o mp o n e n t s曾 经 是 在 Mi c r o S t a t i o n软 件 平 台 上 运 行 的 现 在 已 经 成 为 独 立 运 行 的 软 件 Gr a s s h o p p e r 是 基 于 Rh i n o的 参 数 化 几 何 造 型 软 件 以上 软 件 着 重 于 用 参 数 化 的方 式 处 理 复 杂 的 曲 面 造 型 另 一类 的参数 化 软 件则 是 随着 B I M b u i l d i n g I n f o r ma t i o n Mo d e l i n g 技 术 的 发 展 而
8、 产 生 的 B I M 技 术是指在建筑 的全寿命 周期维护一个统一 的数 字模 型 以避 免在 建 筑 设计 中建 筑 结构 机 电等领 域 之 间 的数据 传递 中 的重复建 模 和数据 互换错 误 的 问题 其 N 4 2 0 1 3上冯 么咯 4 5 一 s 核 心是统 一 的数 据 交 换 标 准 B I M 软 件 平 台 需 要 提 供 符合 设 计 逻 辑 和 便 于 文 档 维 护 的工 具 Au t o d e s k R e v i t B I M 通 过 预定义 的参 数化 模 块 组装 成 的 模 型实 现 这一功 能 这 类软 件平 台着重 利用 参数 化模 型
9、的数 据互 用性 从参 数化 的模 型中高 效准确 的输 出数 据 目前 参数化 在桥 梁 隧道 以及道 路等基 础 设施 领 域 的应用 研 究 还 不 充 分 Ka t z根 据 I F C B r i d g e模 型 和现有 软件 工具 的情况探 讨 了建立 桥梁参 数 化模 型 的两 种方 法 一 种是 建立 三维实 体模 型 另 一种 是 以桥 梁 轴线 为参 考 系建 立 模 型 并 主 张将 两 种 方法 结合 使 用 S a mp i o 在 2 0 0 3年 提 出 了 一个 箱 型梁 的参 数 化设计系统 这一系统通过操控一套固定 的参数体系 定 义截 面 再 由这些 截
10、面 自动 生成 主梁 并 且提 供 相应 的有 限元 网格 划分用 于后 续 的结构分 析 在商 用 软件 方 面 Mi d a s 开发 了用 于 变 截 面 连 续箱 梁 从 路 线 到施 工 详 图的一体 式 桥 梁设 计 软 件 但 这 种类 型 的参 数 化 设计软件 不支持用户 自定义参数和几何约束 限制了 模 型 的灵活性 和 可扩 充 性 其 适 用 的设 计 阶段 是 桥 梁 的细化设 计 阶段 即在初 步设 计完成 之后 根 据确 定 的 整 体设 计参数 生 成具 体 的施 工 图 而 针对 适 用 于 初 步 设计 阶段 灵 活建模需 求 的专业 性参数 化设 计研 究
11、 还很 少 见 下面介 绍在借 鉴参 数化 设计 在建 筑领 域 的应 用 的基础 上 发 展 了参 数 化设 计 应 用 于 桥 梁初 步 设 计 阶 段 的方 法 2桥 梁初 步设计 的参 数化 方法 桥梁本 身是 一种 具有较 强 的逻辑性 的结构 物 桥 梁初 步设计 阶段 的基本 工作 流程 可概括 为 如下 几个 步 骤 在水文和地质等环境条件 的限制下 进行道路选线 和分 孔布跨 设计 以满 足桥 下通 航 桥 上交 通等 功 能要 求 根据跨 径 和地基条 件选 择适 合 的桥 型 和基 础形 式 根据 所选 桥型设 计 结 构 的形 态 和 空 间 尺 度 考 虑 到施 工
12、过程 和耐久 性 等 因素 的 影 响 分析 适 合 该 形 态 荷 载 传 递路 径 的具 体 结构 体 系 并 对 此进 行 安 全 性 验 证 和 关键 构造 细节 设计 最终 完成一 个桥 梁初 步设 计方 案 从这 个 流程 中可 以看 出 初 步设 计 是 一 个 自上 而 下 的过 程 即 由桥 梁整体 需要 满足 的条 件 出发 逐 层 次 推 进 到构 件层 次 的设 计 因此 适 用 于初 步 设 计 阶 段 的 模 型也应 该具 有 以桥 梁结 构形 成 的整体 为核 心 的数 据 逻辑 在 设计 流程 的逐层 次推 进 中 在环 境层 次 参 数 包 括表 达通航 要求
13、 河 床断 面和交 通路线 的参数 在 总 体布置层次包括跨径 桥面坡度 桥宽等参数 在构件 4 6 上 么姥 N o 4 2 0 1 3 层 次包 括截 面 轴 线 和定 位 坐 标 等 初 步设 计 的设 计 流程可 视 为是这 些 内部 具有 层次性 和关 联性 的关 键 参 数 进行 设计 而 由于桥梁 结 构本 身 的 逻辑 性 南这 些 参 数 生 成 相 对应 的结 构实 体 的关 系是 比较 清 晰 的 比如 主 梁 可 看 成是 一个 线性 构 件 由沿 着 轴线 排 布 截 面 生 成 目 前 的辅 助设计 软 件 以基 于历 史 基 于 函数 或基 于 约 束 的方式 J
14、 可 以实 现 桥 梁 中涉 及 到 的 由参 数 生 成 各 种 构件 的功能 本 文主要 着重 于参数 化方 法 的架构 对 于 具体 的软件 作 方法 不作具 体展 开 综 合 上述分 析 桥 梁 的参 数 化 设计 的方 法 就 可 以 概括 为分 层次 的提 取 出设计 过 程 中涉及 的 参数 利 用 软件 建立 参数 与桥 梁 结 构 之 间 的生 成 关 系 生成 由初 始参 数控 制 的几 何模 型 然 后根 据设计 需求 对 参数 进 行调 整 获得 满 足需 求 的方 案 图 1列 出 了一 个通 用 的参 数化 的桥 梁初 步设计 的工 作流 程 图 1 参数化桥 梁初
15、步设计的工作流程 下面 给 出了初 步设计 的参数 化建模 的关 键步 骤 1 根 据桥 梁 的设 计流 程 提 取关键 设计 参 数 不 同桥 型 的关键 设计 参 数 既 有 重合 又 有 差异 在保 证 模 型 的简 明 避 免复杂 的数 据耦 合关系 的前提 下 需要 对 参数 进行 选择 和提 取 2 梳理这些参数之间的逻辑关系 形成一个有效 可调用的数据库结构 解决这一 问题 是实现参数化 建模 的基 础 3 通过计 算机 软件 表 达 参 数 和模 型之 间 的逻 辑 关 系 在 保证 模 型灵 活 性 的前 提 下 对 模 型 的部 分 功 能 进行模 块化 设计 把不 影 响设计 意 图表达 的生 成关 系封装成子构件 这是一个桥梁设计和软件应用综合
