一种基于BIM的曲面钢混组合索塔正向设计方法及系统与流程

本发明属于桥梁工程建筑信息模型（bim）正向设计，尤其涉及一种基于bim的曲面钢混组合索塔正向设计方法及系统。

背景技术：

1、曲面钢混组合索塔作为一种新型的桥塔结构形式，兼具钢结构的高强韧性与混凝土结构的经济性和耐久性优势，近年来在大跨径桥梁中得到越来越广泛的应用。

2、现有技术提出了一种基于bim的曲面钢混组合索塔正向设计方法，其总体技术路线为：索塔骨架线创建→内外轮廓拟合→节段划分→标准节段bim参数化建模→生成二维图纸→相邻节段模型和图纸更新，具体包括：基于桥梁总体设计参数和结构受力体系创建索塔三维空间骨架线模型，对于平面线形的索塔轴线类型直接在平面内定义索塔底部高程、索塔高度、塔底宽度、塔顶宽度、横梁高程等控制参数；沿骨架线布设横截面控制位，在各控制位处定义参数化截面并生成塔柱内外侧壁控制曲线，放样拟合生成塔柱外壁面与内腔壁面；设定标准节段高度范围，结合横梁结合段、塔冠锚固区等特殊部位构造要求对标准节段高度进行局部调整；以标准节段为基本衍生单元构建bim模型，模型包含钢壳结构（外侧壁板、内侧壁板、竖向加劲、横隔板、桁架、缀板）、混凝土结构（内腔混凝土、水平钢筋、竖向钢筋）及钢混连接构造（剪力钉），构件参数集中存储于外部数据表格并依据规则批量生成；基于标准节段bim模型通过视图剖切、投影标注及图面排布自动生成二维施工图纸及材料明细表；调整节段高程参数后系统自动切换模型至相邻节段并同步触发图纸批量刷新。

3、现有技术虽已实现了”模型驱动出图”的正向设计流程，但经进一步分析发现，该流程在以下五个关键环节仍存在定量化不足的缺陷：

4、其一，索塔骨架线创建环节，骨架线的确定缺乏结构受力体系的定量支撑。现有技术虽提出”基于桥梁总体设计参数和结构受力体系创建索塔三维空间骨架线模型”，但具体实现时仅依据总体设计参数（塔底/塔顶宽度、索塔高度、横梁高程）在平面内直接定义骨架中轴线，未将结构受力体系（轴力、弯矩包络、缆力水平分量）中的力学信息定量转化为骨架线形心的空间位置修正量，也未考虑沿高程方向各特征高程点之间力流分布的连续性，骨架线本质上仍是纯几何放样的结果，容易导致塔柱在实际荷载工况下产生不必要的附加弯曲效应。

5、其二，内外轮廓拟合环节，几何形态精确表达困难。现有放样方法逐一独立处理各横截面控制位，未考虑相邻控制位之间曲率变化的空间关联性，也未考虑壁厚变化沿高程方向的历史累积效应，在轮廓由直线段向曲面段过渡的区域、以及塔柱壁厚发生连续渐变的区域，容易产生轮廓拼接不光顺、控制点跳变等问题。

6、其三，节段划分环节，划分方案缺乏定量优化依据。现有技术仅依据经验设定标准节段高度范围，再结合横梁结合段、塔冠锚固区等特殊部位构造要求进行局部调整，当某一节段同时邻近多个特殊部位时缺乏综合评价方法，且相邻节段之间的高度调整相互独立，未建立节段间高度过渡的协调机制，容易在相邻节段交界处产生高度突变。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于bim的曲面钢混组合索塔正向设计方法，包括：

2、s1、基于桥梁总体设计参数确定索塔关键高程控制点的几何基准位置，并综合各控制工况下的弯矩、轴力分布及相邻关键高程控制点之间的空间协调关系，对各关键高程控制点的几何基准位置进行形心偏移修正，创建索塔三维空间骨架中轴线模型，确定索塔骨架中轴线、横梁中心线及关键截面定位线；

3、s2、根据关键截面定位线，沿骨架中轴线布设若干横截面控制位，在各横截面控制位处生成参数化截面及塔柱内/外侧壁控制曲线，参数化截面上设有用于确定轮廓曲面径向位置的轮廓控制点，放样拟合得到初始轮廓曲面后，对轮廓控制点的径向偏移量进行自适应修正，得到光顺连续的塔柱外壁面与内腔壁面的轮廓曲面，并记录轮廓突变特征位置；

4、s3、根据标准节段基准高度、横梁中心线及轮廓突变特征位置，综合各节段与其邻近的特殊部位边界之间的距离、节段的局部构造复杂度，对标准节段高度进行自适应调整，确定全塔各节段的分界高程，进而得到各节段的起始高程、终止高程；

5、s4、以塔柱外壁面与内腔壁面的轮廓曲面为几何基础，以各节段的起始高程、终止高程为驱动参数，构建标准节段bim参数化模型，其中，根据标准节段bim参数化模型中构件间的耦合强度系数，分配构件间几何约束的传播权重；

6、s5、根据标准节段bim参数化模型，通过视图剖切、投影标注及图面排布，生成各节段对应的二维施工图纸及材料明细表。

7、进一步的，计算第个控制点处经相邻关键高程控制点空间协调修正后的最终形心偏移量包括：

8、，

9、，

10、其中，为第个关键高程控制点处综合各控制工况后、经饱和限幅的形心偏移量初值，为形心偏移量的最大允许限值，为控制工况总数，为第个控制点处第个控制工况的组合权重，为第个控制点处第个控制工况下塔柱截面的弯矩设计值，为第个控制点处第个控制工况下塔柱截面的轴力设计值，为轴力正则化参考常数，为第个控制点处经相邻关键高程控制点空间协调修正后的最终形心偏移量，为第个控制点处的空间协调修正系数，为第个关键高程控制点处综合各控制工况后、经饱和限幅的形心偏移量初值，为第个关键高程控制点处综合各控制工况后、经饱和限幅的形心偏移量初值。

11、进一步的，对各关键高程控制点的几何基准位置进行形心偏移修正包括：根据第个关键高程控制点处控制工况下弯矩合力的作用方向角，将分解至桥梁纵向、横向两个方向分量，叠加至第个关键高程控制点的几何基准平面坐标，得到修正后的骨架线控制点坐标；

12、以修正后的骨架线控制点坐标为骨架控制点，插值生成索塔骨架中轴线，并根据索塔骨架中轴线确定横梁中心线及关键截面定位线。

13、进一步的，计算第个参数化截面处修正后的轮廓控制点的径向偏移量包括：

14、，

15、计算第个参数化截面的邻域窗口内第个参数化截面的归一化高斯邻域权重包括：

16、，

17、其中，为第个参数化截面处修正后的轮廓控制点的径向偏移量，为第个参数化截面处由初始放样得到的轮廓控制点的径向偏移量初值，为第个参数化截面处的过渡放大系数，为邻域窗口半宽度，为第个参数化截面的邻域窗口内第个参数化截面的归一化高斯邻域权重，为第个参数化截面的邻域核带宽参数，为第个参数化截面处的曲率变化量，为曲率变化归一化参考常数，为曲率响应非线性敏感指数，为第个参数化截面的邻域曲率修正量的嵌套聚合阶数，为第个参数化截面的壁厚敏感系数，为第个参数化截面与第个参数化截面之间的塔柱壁厚变化量，为第个参数化截面的历史壁厚累积项权重系数，为历史累积遗忘因子，为第个参数化截面与第个参数化截面之间的塔柱壁厚变化量，为邻域窗口内的参数化截面索引。

18、进一步的，得到光顺连续的塔柱外壁面与内腔壁面的轮廓曲面，并记录轮廓突变特征位置包括：以第个参数化截面处修正后的轮廓控制点的径向偏移量重新驱动放样，生成光顺连续的塔柱外壁面与内腔壁面的轮廓曲面，同时记录第个参数化截面处的曲率变化量及第个参数化截面与第个参数化截面之间的塔柱壁厚变化量，作为轮廓突变特征位置的定量依据。

19、进一步的，对标准节段高度进行自适应调整包括：

20、，

21、其中，为第个节段的最终高度，为标准节段基准高度，为对第个节段的高度产生影响的邻近的特殊部位个数，为第个节段的几何中心至第个特殊部位边界的距离，为特殊部位最大影响距离，为第个节段的广义幂平均聚合阶数，为第个节段相对第个特殊部位的高度衰减系数，为邻近距离响应指数，为第个节段的特殊部位的最大高度增量，为第个节段的门控陡度系数，为第个节段的局部构造复杂度指标，为构造复杂度激活阈值，为第个节段的相邻节段高度惯性权重，为第个节段的最终高度，为第个节段的相邻节段构造复杂度差异敏感系数，为第个节段的局部构造复杂度指标。

22、进一步的，确定全塔各节段的分界高程，进而得到各节段的起始高程、终止高程包括：按，自起依次累加确定各节段的分界高程，形成全塔节段划分方案；

23、相邻两个分界高程之间为对应节段的起始高程与终止高程。

24、进一步的，计算耦合强度系数包括：

25、，

26、其中，为第个构件与第个构件之间的耦合强度系数，为耦合强度系数上限常量，为第个构件与第个构件在当前节段截面处的共用定位孔位数量，为第个构件与第个构件的共用孔位数量饱和响应形状指数，无量纲，为第个构件与第个构件之间的共用孔位半饱和常数，为第个构件与第个构件之间第个取向偏差分量对耦合强度的重要性权重，为第个构件与第个构件之间第个取向偏差分量的敏感系数，为第个构件与第个构件之间第个取向偏差分量的相对偏差角，为第个构件与第个构件之间取向偏差综合退化非线性指数。

27、进一步的，将各构件对的耦合强度系数汇总形成第个节段的构件耦合强度矩阵，用于确定当任一构件几何参数变更时向其余构件传播约束的权重次序，指导标准节段bim参数化模型的自动生成与更新。

28、本发明还提出一种基于bim的曲面钢混组合索塔正向设计系统，包括：

29、形心偏移修正模块，用于基于桥梁总体设计参数确定索塔关键高程控制点的几何基准位置，并综合各控制工况下的弯矩、轴力分布及相邻关键高程控制点之间的空间协调关系，对各关键高程控制点的几何基准位置进行形心偏移修正，创建索塔三维空间骨架中轴线模型，确定索塔骨架中轴线、横梁中心线及关键截面定位线；

30、获取内/外侧壁轮廓模块，用于根据关键截面定位线，沿骨架中轴线布设若干横截面控制位，在各横截面控制位处生成参数化截面及塔柱内/外侧壁控制曲线，参数化截面上设有用于确定轮廓曲面径向位置的轮廓控制点，放样拟合得到初始轮廓曲面后，对轮廓控制点的径向偏移量进行自适应修正，得到光顺连续的塔柱外壁面与内腔壁面的轮廓曲面，并记录轮廓突变特征位置；

31、获取节段高程模块，用于根据标准节段基准高度、横梁中心线及轮廓突变特征位置，综合各节段与其邻近的特殊部位边界之间的距离、节段的局部构造复杂度，对标准节段高度进行自适应调整，确定全塔各节段的分界高程，进而得到各节段的起始高程、终止高程；

32、构建模型模块，用于以塔柱外壁面与内腔壁面的轮廓曲面为几何基础，以各节段的起始高程、终止高程为驱动参数，构建标准节段bim参数化模型，其中，根据标准节段bim参数化模型中构件间的耦合强度系数，分配构件间几何约束的传播权重；

33、图纸生成模块，用于根据标准节段bim参数化模型，通过视图剖切、投影标注及图面排布，生成各节段对应的二维施工图纸及材料明细表。

34、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

35、其一，通过骨架线形心偏移力流优化模型，将结构受力体系中的弯矩、轴力分布定量转化为骨架线形心位置的偏移修正量，并通过相邻控制点之间的二阶差分空间协调修正避免偏移量沿高程方向的突变，克服了现有技术骨架线本质上仍为纯几何放样结果、未定量结合力学体系的缺陷，使骨架线在几何合理的基础上兼具结构受力合理性。

36、其二，综合考虑相邻控制截面曲率变化的空间邻域关联性（高斯核加权聚合）及壁厚变化沿高程方向的历史累积效应（指数遗忘递推累加），克服了传统放样方法逐点独立处理导致的轮廓不光顺缺陷，提升了曲面轮廓的几何表达精度与空间连续性。

37、其三，综合考虑单一节段同时受多个特殊部位影响时的广义幂平均聚合评价及相邻节段之间的高度惯性协调修正，避免了依赖经验进行节段划分的随意性及节段交界处的高度突变，提升了节段边界确定的科学性与整体协调性。

38、其四，综合考虑共用孔位数量的饱和响应特性及构件取向偏差在面内转角、面外倾角、扭转角三个方向上的加权综合影响，为bim参数化模型中约束传播权重的分配提供了更为全面的定量依据，降低了因约束过度传播或传播不足引发内部构造冲突的风险。