数字化造桥：钢结构三维参数化设计之路探索

寂静回声

在大跨度桥梁中，钢桥具有绝对优势，但钢桥结构复杂、设计工作量大。传统上钢桥设计采用AutoCAD等二维CAD软件出图，由于设计信息分散保存在大量视图及图纸中，容易产生“差、错、碰、漏”现象，同时由二维点、线、圆弧、标注等图元描述的三维实体不能由计算机自动判释，使得实施产品数据管理和协同设计遇到很大障碍。

用于钢结构三维参数化设计平台发展比较快，主要可分为两类：用于机械行业的主要有Catia、UG、Solidworks、Inventor等，可用于机械、模具、钣金、管道、小型全焊结构的设计，大部分产品附加了机械行业的标准件库，用于建筑行业的主要产品有Bently公司的ProStructure、达索系统的3D Experience、芬兰Tekla公司的Tekla Structure、英国AceCAD公司的StruCAD等，主要用于高层建筑、体育场馆、工业厂房的设计，一般都提供了比较丰富的型材和节点库。上述软件都提供了三维模型创建、生成二维详图和零件表的功能。一般来说，用于机械行业的钢结构设计软件通用性更强，亦可用于AEC（Architecture, Engineering, and Construction）设计，比如北京奥运会主场馆鸟巢的设计者就首次在建筑工程中应用基于Catia空间模型的三维设计方法，成功地解决了复杂空间结构、扭曲构件与特殊节点建模问题。三维模型直接生成的图纸则表现形式较为丰富，三维布置图、预拼装图能精准无误的表示各细部结构的空间位置，二维剖面图及大样图是由三维模型经过计算机程序自动投影、剖切得到，比由人脑加工转换得到的二维图纸更加高效、精准，也更便于其他人员再次复核。因此，不仅在空间构造表现方面，三维图纸有其绝对优势，而且在剖切示意及大样展示及工程数量统计方面，由自动生成的二维图纸更能保证精确度。三维模型关联工程图纸的方式，在改善了出图效能的同时也将工程师的工作重心真正意义地转移到了设计上面，而不是常规的先有图纸后有模型，能有效保证BIM三维模型的精确性，并能提高设计院应用BIM 的积极性。到目前为止，中铁建大桥院已有多座大型复杂钢结构桥梁采用了直接由三维建模生成施工图。

生成二维图纸时，会遇到一些影响设计进度的问题：比如钢桥模型较大或模型中大量的螺栓孔对模型性能的影响、焊缝建模、二维出图过程中消隐线处理等等，需要一个一个去克服。经验表明，如果在三维建模时就考虑到生成二维图的需要，会大大减少后期工作量。这就需要针对特点结构类型事先对建模方式进行规划，也就是规范化建模。实际上，规范化建模也可以提高模型的可重用性和参数驱动的性能。
在桥梁全生命周期和各专业横向的数据交换过程中，三维参数化模型起到了信息载体的作用，同时Solidworks、Inventor等工具软件生成的三维参数化模型可采用IFC（IndustryFoundation Classes）、STEP（产品数据交换标准）等格式进入建筑软件，为协同设计打下了良好的基础。在建筑模型信息化环境的搭建过程中，信息化服务器负责模型的存储与管理，涉及到实体模型的互操作性和可重用性，目前信息化服务器分为两类：第一类是基于文件的服务器如Autodesk Collaborative Project Management、Bentley ProjectWise Integration Server；第二类是基于对象的服务器，如Dassault Enovia，从技术发展层面看，采用基于对象服务器是一个大的趋势。同时在使用过程中也发现，Solidworks软件虽然使用方便、建模效率高、对二维出图支持好，但在管理大模型（如全桥模型）时性能下降明显。所以，基于以上考虑，先搭建3Dexperience CATIAV6平台，与原有的Solidworks软件一起形成一个高低搭配的信息化环境。在这个环境中，Solidworks作为创作工具对钢桥节点、杆件、锚箱等次级装配进行建模，CATIA V6平台负责全桥模型组装、融合其它专业数据、设计协同、生成供发布用的轻量级模型等工作。这里首先需要解决的问题是如何将现有Solidworks钢桥三维模型导入到CATIAV6平台，由于转换成中间格式文件存在不同程度的信息丢失，比如Solidworks中的自定义属性信息就不能传递到CATIA V6平台中，所以需要专门在CATIA V6平台上开发一个专用软件工具，用于将Solidworks实体模型及自定义属性字段导入达索CATIA V6 系统，从而使得用户在V6系统中可以读取Solidworks模型中的所有几何信息和属性信息。

由于CATIA V6对中文属性名的支持存在一些问题，转换时需要对属性名称进行修改

总结
1、目前与建筑模型信息化相关的标准正在形成与完善阶段，相关人才培训、技术政策、软件研发还不能完全满足要求，因此在桥梁设计中全面采用三维软件会遇到相当大的困难。
2、在建筑模型信息化实施时，单一软件肯定不能满足桥梁设计的要求，需要对不同厂商的软件进行集成，搭建一个合适的信息化环境，可以通过定制开发等手段基本解决不同软件间的数据交换问题。
3、由于桥梁设计的特殊性，对现有三维软件进行用户定制和二次开发不可避免。需要针对具体应用场景采用三维参数化模板、直接调用软件API等方式进行开发。
4、由于目前施工图交付还是以二维图为主，在三维建模时考虑到二维出图的要求，可以减少后期工作量。