本文展示瞭如何建立引數化、自適應的橋樑模型，並將其與當前的設計方法進行了比較。其目的是建立一個可多次用作模板的BIM模型，而不是為每個建設專案建立一個新的橋樑模型。這種方法對於標準化的橋樑設計尤其可行，因為這類橋樑的佈置只在細節上有所變化，因此只需要較少的引數變化就可以完成設計。全引數化與自更新文件相結合，可以快速分析和比較不同的設計方法。因此，可以將其用到更多的方面，以找到滿足設計要求的最佳方案。
更快捷的初步設計
公路橋樑進行引數化自適應設計背後的核心思路，是為非特定專案而建立模型，並且可以作為同類型橋樑設計模型的模板，只需要改變相應的引數就可以適應不同的設計要求。
在使用模板之後，初步設計模型就可以直接使用了。它包含諸如表格、分析和繪圖等連結文件。所有這些都從主模型中提取資訊，從而可以進行更新和更改。為使用者提供實時的反饋，並告知他們改變引數將會如何影響橋樑的外觀、建設成本和可持續性。
如何在初步設計中採用新的BIM流程，並將其應用到組合橋樑的模板模型中是本文研究的重點。圖1為一個在實際工程中使用相關建模應用程式的效果示例。其目的是建立一個引數化、自適應的橋樑模型，該模型具有最大程度的預定義屬性，可作為模板用於多個專案，並能夠根據不同的橋位條件做及時的調整。該模型中還包括了橋樑的結構分析及其他檔案(草稿、表格等)。與模型相關的所有文件都會自動適應引數的變化而進行更新。引數也可以很容易地修改以適應專案的需求，從而使初步設計過程更便捷、更快速、更少出錯。在圖形使用者介面中使用自定義引數後，使用者可以處理結果模型，並進行自定義引數的修改。圖2中展示了一個引數化定義的兩跨橋樑，在被佈置到一段高速公路上時，可以根據地形條件自動調整橋跨佈置。
對使用引數化、自適應的橋樑設計方法與目前的設計方法進行比較，發現了使用引數化、自適應、隱式幾何描述的橋樑設計方法的優缺點。例如，隱式幾何描述將結構物件的所有資訊儲存在分層結構歷史記錄中。與大多數BIM系統不同的是，該方法使用的是明確的或混合的幾何描述，只保留最終的幾何屬性。複雜的CAD軟體提供的隱式幾何描述是建立橋樑模板模型，隨後進行個別修改及詳細說明的必要條件。
建立一個可以用作模板的模型，首先會導致更高的工作負荷。然而，使用引數自適應的橋樑模型，當需要重複使用時就顯示出了巨大的潛力，為後續的使用節省了時間、減少了錯誤。這使其成為對標準化橋樑進行結構設計的有效選擇，但由於其應用範圍有限，不能用於個別特殊橋樑的設計。總體而言，接下來，標準化橋樑的設計可以透過應用BIM，來滿足當今對更快、更便捷的設計流程的需求，並解決當前在初步設計階段工作量增加的問題。自適應的BIM模型可以減少橋樑的規劃時間，為下一步的規劃過程做準備。因此，利用BIM進行設計不再需要大量的設計人員。此外，使用模板模型還可以提高設計質量。因為預先分配的結構屬性、引數邊界、自動分析文件和設計警告，可以減少設計過程中出現錯誤的機率。
模板驅動建模的要求
對於橋樑這種受路線、地形約束限制的基礎設施，選擇自上而下的建模方法顯然是十分有利的，因為大多數構件需要在空間對齊，並由外部約束，例如交叉路線或已構建的基礎設施進行固定。
在初步設計中，需要一個不太詳細的模型可以更容易地適應不同的地形條件，並調整形狀以適應不同的要求。因此，在定位和形狀擬合方面需要有很強的靈活性。同時，與此相關的資訊，例如技術規範、圖紙、結構分析、工程量統計、概預算、施工進度表和可持續性，可以直接來自模型的屬性。
隱式CAD的自適應能力
對模型的更改主要在於控制組件，控制組件應包含在初步設計中需要調整的所有相關引數和特徵。其他重新載入的物件會自動適應由關聯效應引起的變更。但應防止雙向關聯，因為這樣會導致載入時間的增加和幾何圖形的過時。
然而，在整個建模過程中修改相關幾何形狀時，這種可以自動適應特殊邊界條件的屬性也具備高度的靈活性。為此，需要複雜的隱式幾何建模技術，即使在初步的模板模型建完後，這些技術仍然具有完整的引數和特性。
該模板包含一組相關的引數和特徵，在建模過程中需要進行修改。所有的幾何資訊都儲存在控制檔案中，而屬性則直接應用於物件。研究表明，為避免設計過程中的衝突，模板設計必須由工程師提前制定好。
在模板中也可以透過插入單獨的值、給定的值、函式/規則來更改這些引數。應設定上、下邊界條件，保證合理的求解值和質量資料。整合的Product Template Studio提供了一種快速而簡單的方法，可以很容易地將模型插入到專案檔案中之後，立即更改橋樑的引數。它指導使用者完成第一次插值過程，並對引數要求的狀態給出實時反饋，確保所有值都是正確的，並給出修改建議。
但是，有一些物件需要做大量的準備工作才能實現自動化。其中之一是對數字地形模型的自適應。因為橋臺、基礎和施工場地的自適應變化資料量巨大，可能使整個自動化效率降低。因此，建議在後期處理和細節中手動調整它們。此外，根據給定的資料，可以匯入梯度，也可以使用該介面建立梯度。
模板應用程式
可以透過使用者介面輕鬆地將模板插入到新專案中。這種插入方式可以防止一開始就可能出現的錯誤，並允許不熟悉模板的人使用。該介面要求輸入主要引數（例如跨度、橫截面型別)，並檢查輸入引數是否存在可能的衝突，以防止不正確地插入到專案檔案中。
資料管理
所有資訊透過屬性和幾何資訊直接應用於模型本身。模型資訊被不斷地提取並以軟體中立的格式儲存，例如圖紙、表格和文字，對於任何參與專案的人來說都很容易閱讀到這些資訊。這個過程是單向的，意味著所有的資訊都是從模型中提取出來的，對文件的更改不會影響模型本身。這將極大地減少可能產生的錯誤，例如錯誤命名的屬性和冗餘資訊，這些可能會在分析過程中導致問題。
模型資訊的提取不僅為設計人員、客戶提供了簡單的分析和專案概述，還改進了資料管理模式。有了這個功能，設計師可以快速嘗試不同的設計，並得到關於它們如何影響屬性、橋樑的可持續性等即時的反饋。
模型設計中的自動化並非沒有問題。當轉換到一種新的設計方法時，工程師們可能需要一段時間去適應。在開始建模前，使用程式化的方法需要進行許多準備工作。與常規的邊界表示方法不同，程式化的方法需要建立具有正確屬性的物件，而引數化、自適應設計的建立，則要求使用者提前考慮構件特性的建模順序，以及它們之間的關聯方式。
由於對橋樑引數的更改，也迫使軟體需要重新計算所有受影響的物件，因此必須確保這種更改操作是按照正確的順序進行的，以防止迴圈關聯。使用層次順序有助於保持序列的一致性。
此外，需要清晰地記錄模型的操作歷史，以確保構件的特效能夠被輕鬆地使用。這也需要每位工程師都必須遵循明確的約定。
雖然當前的軟體，獨立的資料交換格式還不能交換方法和資訊，但該模板是可用的一個軟體產品。而不能交換方法和資訊這個缺點至少可以透過提取常量資料，部分抵消。
提高初步設計的效率
建立模板要比建立非關聯模型慢得多，然而使用模板模型有很多優點。首先，由於建立模型只需要修改初始模板模型的引數，因此可以節省大量的時間。與傳統的規劃過程相比，常規BIM階段的概念設計和初步設計階段，通常需要做更多的工作。使用模板可以將第一規劃階段的工作減少到最少。
與傳統的規劃過程不同的是，在傳統的規劃過程中，初步設計的後續利用率不高，而在BIM流程中，初步設計在資訊流中沒有任何中斷，這節省了規劃的時間。
另外，為了減少BIM應用中通常會出現的規劃誤差，這種方法進一步減少了誤差率。由於預先分配的屬性，減少了當輸入邊界條件時，幾何圖形的錯誤資訊。
除了控制元件程式庫中的物件，大多數建立的物件之間沒有任何關聯，易於分離。因此可以同時在多家公司和工程師之間分配已建立的物件，而不必擔心衝突。這也減少了規劃時間，保證了更快的模型建立和後續過程。
圖紙作為衍生品
主橋上部結構的模擬模型、二維圖紙、三維有限元分析及裝配元件等所有的資訊，都在主控模型中進行儲存和維護。
在三維設計中，圖紙不再是主要產品，而是三維模型的衍生品。透過在模型中定義一個剖切面，然後將其放置在二維平面上，就可以得到圖紙。當把圖紙檔案向上定位到層次結構時，它們就與模型關聯在一起了。主控模型到從屬模型的關聯是單向的，因此必須在主控模型中進行更改。
為了進一步實現自動化,不僅可以將幾何資訊整合到模型中,還可以將製造資訊整合到模型中,然後直接在從屬模型中提取製造圖紙,為後續的生產過程、物流和安裝提供資訊。在由模型驅動的預製混凝土構件和所需的施工順序中,這些屬性被分配給各個主部件,並透過產品製造資訊(PMI)進行視覺化。
目前軟體獨立的資料交換格式允許這種製造資訊的交換。因此，該模板通常可用於任何BIM軟體產品。
嵌入式結構分析
建築資訊模型（BIM）的技術背景是，將三維構件、語義資料、圖紙和模擬等物件連線在一起的關係資料庫。BIM是一個模型驅動的過程，因此主控模型概念在CAD/CAM軟體應用中是一種常見的技術。
基於主控模型概念所提出的方法，最主要的目的是3D-CAD模型豐富了幾何和靜態邊界條件、屬性，便於後續的有限元分析(FEA)。
在自動生成的有限元網格基礎上，將鋼樑的拱度計算整合到模型中。將得到的撓度圖載入回主控模型中，得到鋼樑的理想預拱度，與模型的其餘部分一樣，計算自適應引數的變化。還可以考慮使用迭代步驟將預標註新增到流程中，因為幾何元素不需要修改後，這樣做可以節約時間。
生成的有限元網格為通用的四面體網格，相比於其他網格，這種網格有一個較大的優勢，就是有時可以不需要再定義網格相關的邊界條件，因此也不會因幾何引數變化而導致出現網格計算異常的風險。透過在主控模型中計算恆載作用力，並將其作為引數新增到分析計算中，使所有的力和邊界條件都作用於幾何體本身，而不是網格，以保持模型的適應性。
可持續性
BIM還可用於快速評估不同橋樑型別的可持續性，並即時反饋評估結果。在本研究中，兩種不同的主樑型別，焊接型鋼與軋製型鋼。可以發現，不同的梁型對環境的影響很小，焊接鋼樑由於其最佳化的形狀，表現稍好。
利用即將到來的數字化手段，例如面向物件的建模、基於web伺服器架構的資料互聯、自動化製造等，開發資料結構模型驅動設計的新流程。將引數化模板程式與隱式建模技術相結合，使各種工程資訊在整個專案生命週期內的分配及使用，不再出現冗餘。讓模型資料可重複使用，而不再隱藏在文件中。
可以設想，在未來用BIM建立標準化結構將變得越來越重要。基於BIM的模板模型可以重複使用，並在整個專案過程中被不斷最佳化。利用這種設計方法可以最大限度地減少誤差，提高規劃的速度。
必須強調的是，成功應用3D CAD進行公路橋樑設計的主要要求有——基於BIM應用案例的模板概念、基於實體幾何結構的CAD建模工具、自上而下的建模方法和控制檔案、引數和特性的歷史操作記錄、清楚的分類關聯結構、良好的人機互動模式。
目前的研究已經顯示出了引數化、自適應的橋樑模板模型的巨大潛力。而這個模型中還可以增添更多的設計元素，例如圖紙、生產資料、結構模擬、報告等檔案，以及可持續性評價結果。雖然開放BIM的概念還沒有完全體現在隱式建模中，但未來將會實現工程全生命週期的自動化建模。
本文刊載 /《橋樑 · BIM視界》雜誌
2020年 第2期 總第13期
作者 / Semjon Giebat等
作者單位 / Schüßler-Plan
資料來源 / 第40屆IABSE研討會論文集
編譯 / 裴小吟
美編 / 趙雯
責編 / 陳暉
審校 / 盛超 廖玲