常泰长江大桥跨江连接常州与泰兴两市，位于泰州大桥与江阴大桥之间，主航道桥采用双层斜拉桥方式，是长江上首座集高速公路、城际铁路、一级公路“三位一体”的过江通道

    常泰长江大桥钢桁梁设计采用参数驱动正向设计思路，包含全桥系统线、节段三维模型和自动生成施工图三大部分。全桥系统线即是钢桁梁骨架线，节段模型控制点定位于系统线，并采用控制点移动的方式更新节段内各杆件的位置参数、制造长度参数、倾角参数；节段三维模型的建立考虑常泰长江大桥钢桁特点提出相应建模思路；对三维几何模型进行投影、剖切获取平面施工图，施工图中标注尺寸与几何参数链接，可实现自动更新。对设计参数采用分类管理并存在关联，使参数管理系统化，应用VBA开发功能提高参数调用效率。应用此正向设计思路，实现了钢桁梁批量出图，提高了数据标注准确率，降低了核图工作量。

    目前尚未有针对钢桁进行系统化正向设计研究，包含三维模型迅速生成、工程图纸输出和材料数量表快速生成等。基于此，依托常泰长江大桥钢桁设计背景，介绍一种基于参数化驱动的钢桁正向设计思路。

    工程概况

    主航道桥采用主跨1176m斜拉桥，孔跨布置为（142+490+1176+490+142）m=2440m，主梁采用双层桥面，上层为密纵梁结构体系，下层为箱桁组合结构体系。桁架采用N形桁，桁宽35.0m，桁高15.5m，全桥共174个节间，标准节段为2节间，长28m。桥梁为三合一功能过江通道，上层为双向6车道高速公路，下层上游侧为双线城际铁路，下层下游侧为双向4车道一级公路，断面荷载非对称布置。

    大桥主航道桥示意图

    大桥主跨跨度1176m，在公铁两用斜拉桥中居世界第一，因此在钢桁设计中采用了诸多设计考虑。首先，钢桁采用Q370qE、Q420qE与Q500qE共3种强度型号的钢材，其中Q420qE与Q500qE高强钢材用于桥塔、辅助墩处主梁受力较大区域；其次，由于桥梁横断面非对称布置，导致钢桁梁空间受力效应显著，上、下游桁片受力存在差异；最后，由于横向跨度很大，桁宽35.0m，导致主桁采用较大内宽1.2m，因此腹杆根据受力需要采用3类断面形式：H形、王字形（带肋H形）和箱形（带肋）。

    钢桁28m标准节段模型

    基于以上考虑，若采用传统设计方法存在以下问题：

    结构计算与绘图无法同步进行。传统绘图方式为减少后期修改，需等计算结果稳定后才可开展绘图

    绘图参数数据量大，人工读取效率低，需投入大量人力核图

    无法迅速得到结构三维模型，方案讨论、成果展示不直观，工程用量统计不精准。因此，常泰长江大桥钢桁采用正向设计

    钢桁正向设计思路

    钢桁正向设计思路大体为：从总体“骨架”系统线到局部节段建模再回到总体“骨架”系统线，移动控制点至下一节段更新模型，如此循环，直至所有标准节段设计完成。设计过程采用参数驱动，可实现批量设计出图。

    参数化驱动钢桁梁设计思路

    参数化驱动钢桁设计具体思路如下：

    （1）获取全桥系统线。全桥主桁系统线即是全桥钢桁的“骨架线”，由杆件制造长度、角度等参数确定。系统线驱动参数由总体线形计算人员确定，钢桁细部设计人员仅能读取调用建模所需参数，无权限修改，可确保数据交接的准确性。此外，由于几何模型和系统线参数存在驱动链接，若全桥系统线发生改动，模型也会自动更新。

    （2）建立标准节段模型。节段模型由控制点定位，控制点依附于全桥主桁系统线。模型建立的过程实质上是将参数与几何尺寸链接的过程。每进行几步可尝试改变参数，观察模型是否正常驱动，方便及时查找问题、调整建模方式。

    需要说明的是，由于建模过程步骤繁多，设计者很难在建模之前将所有参数定义全面。因此，建议先建立模型，然后在建模过程中根据需要定义参数。为了减少参数数量，优化建模流程，应尽可能采用几何关系约束建模。例如，2个板件镜像对称，采用镜像约束；2个板件开孔位置相同，采用投影孔洞的方式定位。

    常泰长江大桥钢桁采用整体焊接节点，节点位置处的杆件连接构造复杂。若采用先建立杆件后生成节点的方式较难实现，因此建议先建立节点板后生成杆件。节点板控制参数除倒圆半径、坡度斜率外还有与其相连各杆件的轮廓尺寸，可通过几何约束关系建立节点板与各连接杆件的几何关系。

    根据受力需要，常泰长江大桥主桁腹杆截面有3种类型：H形、王字形和箱形，分别对应不同的腹杆类型参数（0表示H形、1表示王字形、2表示箱形）。为使标准节段模型具有广泛适用性，建模时需包含所有可能出现的板件，并设定软件根据腹杆类型参数判断，将不需要的板件隐藏。

    腹杆截面类型

    若程序判断本节段腹杆为工字形则隐藏板件①、②和③；若腹杆为王字形，则隐藏①和②；若腹杆为箱形则隐藏③和④（箱形板肋②依据计算确定是否保留）。

    节段模型的建模参数由参数表批量输入，参数表中参数可依据节段编号从数据库中自动搜索得到，避免人工输入效率低、易出错。

    （3）将建好的模型从不同方向投影、剖切获取视图，视图标注后得到二维平面工程图。图面注释参数也与参数库建立好链接，如节点编号、系统线尺寸、倾角标记尺寸等。图纸的材料数量表也可由参数自动生成。可使设计人员从繁琐的数据标注、材料统计中解放出来，并减少人为粗心错误与核图工作量。

    因为二维工程图纸是由三维模型剖切、投影得到，所以图纸中不会出现几何逻辑错误。复核人员可直接对三维模型进行校核，检查板件之间的连接关系及是否存在碰撞，这种复核工作相对于平面图纸更为直观。

    （4）生成下个节段模型与图纸。将本节段模型控制点迁移至下个节段位置，本节段定位控制点为1—10，分别对应移动到下个节段控制点位置1’—10’，使得节段内各杆件的位置参数、制造长度参数、倾角参数实现更新。

    控制点在主桁系统线上移动

    各杆件的位置参数、制造长度参数、倾角参数也可采用数据库调用的方式输入，但常泰长江大桥采用的控制点移动方式具有以下优势：①方便调整全桥线形。单根杆件制造参数改变会使全桥杆件系统线发生调整，若采用参数数据库则需更新全部参数数据，包含各杆件夹角参数，工作量较大；而有全桥系统线的存在，仅需改变杆件制造长度参数，便可迅速更新各杆件夹角参数。②节段间分段点位置明确。在全桥系统线上可方便移动节段分段点（见图5中1、5、7点位置），迅速实现分段点相邻杆件长度的调整。

    更新节段控制点位置后，在参数数据库中输入新的节段编号，由节段编号可自动搜寻得到新节段的模型参数。模型参数会以参数表的形式批量导入建模软件，使得模型的尺寸信息、板厚信息及时更新。

    （5）三维模型驱动二维工程图纸自动更新，便捷实现施工图出图。

    以上流程在常泰长江大桥钢桁设计中得以应用。目前很多软件（如Inventor、Revit、Tekla、Bentley）都可实现模型参数化驱动，钢桁参数驱动正向设计流程可由以上软件实现。

    参数管理与调用

    参数化（Parametric）这个概念最早起源于数学，其含义是由若干变量构成一个表达式，通过修改这些变量能够改变表达式的值。在数字化设计环境中，参数化表现为通过改变设计对象的内在变量来管理和控制设计对象的形态和相互关系。

    参数化三维建模技术的根本思想是用参数定义模型的各种几何特性，通过一定的公式和数学法则相互关联，调整相关参数，从而批量、快速构建三维模型。常泰长江大桥主航道桥钢桁共46类节段，一个节段由近400个参数驱动，合计约18400个参数。因此如何实现高效的参数管理调用十分重要。为了便于管理，将钢桁设计参数分为3类：系统线参数、杆件轮廓尺寸参数、杆件细部尺寸参数。

    （1）系统线参数。系统线为钢桁的“骨架线”，可作为节段建模定位的基准。系统线数据库中包含以下信息：各主桁杆件制造长度参数，节段间分断点位置参数，端节点起拱倾角参数。这些参数由总体线形计算人员确定。

    （2）杆件轮廓尺寸参数。杆件轮廓尺寸参数包含各杆件的几何轮廓尺寸，如上、下弦杆内宽与内高尺寸，腹杆翼缘宽高尺寸，截面板件厚度尺寸，腹杆类型参数（H形、王字形、箱形）等。从节段模型建立的流程来看，这些参数独立存在，不依赖其他参数取值。但这些参数仅可建立节段轮廓，粗略估算工程用量。

    （3）杆件细部尺寸参数。为使模型细部更精确，能生成满足加工制造精度的二维施工图，定义了杆件细部尺寸参数。这类参数包含杆件上开孔定位尺寸（螺栓孔、人孔等）、钢结构构造细部尺寸（过焊孔、倒角等）和腹杆燕尾槽尺寸等。这些尺寸的应用依赖于杆件轮廓尺寸参数，且部分是由轮廓尺寸运算后得到。

    3类参数存在如下关联：首先，系统线参数驱动系统线为建模起到定位作用，没有系统线，便无法应用杆件轮廓尺寸建模；其次杆件细部尺寸依赖于杆件轮廓尺寸，其取值受轮廓尺寸限制或由轮廓尺寸计算得到。

    常泰长江大桥在实际应用中参数管理采用电子表格的VBA开发功能，对钢桁3类设计参数分别建立数据库，所有参数可直接或间接通过节段编号搜寻。最终实现仅输入节段编号便可自动生成导入模型的参数文件，极大提高了设计效率。

    参数化驱动设计包含于BIM技术中，且是其重要组成部分。提出的钢桁正向设计思路，通过对设计参数的系统化管理与高效调用，实现了迅速、批量得到节段三维模型与工程图纸。通过在常泰长江大桥主航道桥钢桁中的应用，与传统CAD绘图相比，该技术优势体现在如下几方面：

    （1）结构三维呈现，几何关系清晰，对于复杂的钢结构细节展示优势明显；

    （2）图纸由三维模型投影、剖切得到，不会出现几何逻辑上的明显错误；

    （3）工程量统计便捷、精准，为施工吊装提供准确依据；

    （4）人员分工管理明晰，工作交接界面清楚，不会出现由于总体线形调整、设计人员沟通不及时造成的图面错误；

    （5）标准节段模型建立后，后续生成图纸批量化、效率高，设计计算与绘图可同步进行，并通过参数库更新迅速实现图纸修改更新

    内容来源：

    铁路BIM联盟成员单位——中铁大桥勘测设计院集团有限公司

    张皓清，苑仁安，傅战工.

    基于参数驱动的常泰长江大桥钢桁正向设计思路[J].铁路技术创新.

    （铁路BIM联盟文章，转发请注明出处）

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