一种基于桥梁三维参数化建模及结构分析联动的设计方法与流程

1.本发明涉及桥梁设计技术领域，特别地，涉及一种基于桥梁三维参数化建模及结构分析联动的设计方法。


背景技术：

2.随着社会高质量发展的推进，桥梁的景观要求越来越高，而景观桥梁往往是造型新颖、构造复杂的异性空间结构，给方案设计及结构计算分析带来了巨大的困难与工作量。
3.目前桥梁设计方法主要采用cad进行二维设计，存在设计效率低、无法直观展示设计效果等问题；而三维建模主要运用在概念方案、效果图展示等前期方案阶段，与结构受力分析是两个相互独立的过程。由于缺乏结构计算，经常导致桥梁方案确定后施工图无法落地等问题。
4.例如，当前桥梁结构主要采用midas civil、ansys、桥梁博士等专业软件进行计算分析，结构模型参数主要利用程序自带的模块输入参数进行编辑。对常规桥梁建模较为便捷，但对于结构复杂的空间异性桥梁，输入的参数量较大、尺寸定位不准，导致分析结果存在偏差，同时桥梁的方案变化将导致大量重复建模工作。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术的中桥梁的三维参数化建模与桥梁的结构分析二者缺乏联动的不足，提供一种基于桥梁三维参数化建模及结构分析联动的设计方法。
6.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于桥梁三维参数化建模及结构分析联动的设计方法，其特征是：包括如下步骤：s1、使用三维参数化建模软件，建立桥梁三维外观模型；s2、在所述三维参数化建模软件内植入结构分析插件；s3、利用结构分析插件获取桥梁三维外观模型的物理属性信息，并在结构分析插件中定义材料属性和截面参数、施加桥梁的约束边界和外部荷载，从而生成桥梁三维结构模型；s4、将桥梁三维结构模型前处理数据连接到所述结构分析插件的运算器中进行计算分析，计算结果云图同步到桥梁三维结构模型中；s5、根据计算结果优化修改s3中桥梁三维结构模型的物理属性信息的限定，计算结果云图和桥梁三维结构模型实时更新；s6、将最终的桥梁三维外观模型渲染出图或导出cad设计图纸，完成桥梁设计。
7.所述三维参数化建模软件包括rhino软件以及grasshopper插件，所述结构分析插件包括karamba 3d有限元结构计算插件，所述karamba 3d有限元结构计算插件能够对结构进行有限元分析，并将计算结果实时显示在桥梁三维外观模型上。
8.通过所述rhino软件及grasshopper插件，建立桥梁平纵线性、结构骨架坐标、构件
几何尺寸参数化信息与可视化模型。
9.通过所述karamba 3d结构分析插件，获取桥梁三维外观模型的物理属性信息，并在插件中定义材料属性和截面参数、施加桥梁的约束边界和外部荷载。
10.通过所述karamba 3d结构分析插件的analyze运算器进行计算分析，分析结果包括截面内力、单元应力、结构变形、材料利用率。
11.通过所述karamba 3d结构分析插件的beam view功能绘制数据可视化云图。
12.所述s1包括如下子步骤：s101、创建桥梁平面线形曲线：基于grasshopper插件，可直接输入参数绘制桥梁平面曲线；或者在rhino软件导入.dwg格式桥梁平面曲线；s102、参数化绘制主梁曲线，并通过分割主梁曲线得到主梁节点，分别沿着纵向和横向连接主梁节点得到主梁线形模型和横梁线形模型；s103、参数化建立桥梁下部结构线形模型：通过对横梁线形模型分割得到横梁节点；并将横梁节点偏移，形成墩柱骨架控制节点；最后连接控制节点得到桥梁下部结构线形模型；s104、建立桥上建筑线形模型：通过对主梁节点和横梁节点进行偏移得到桥上建筑控制节点，连接控制节点形成桥上建筑线形模型；s105、建立桥上建筑线形模型与主梁线型模型的连接：通过将桥上建筑控制节点与相近的主梁节点连接得到连接单元，以保证最后的结构模型中桥上建筑与主梁能共同受力；s106、生成三维外观模型：对建立的主梁、桥梁下部结构以及桥上建筑的线形模型赋予截面尺寸，得到初步的桥梁三维外观模型。
13.所述s3包括如下子步骤：s301、使用karamba插件中的“line to beam”运算器将桥梁三维外观模型中的线形模型转换为桥梁三维结构模型中的梁单元模型，并对梁单元赋予截面尺寸信息；s302、使用“material selection”运算器定义桥梁三维模型的材料，对结构赋予实际材料属性信息；s303、使用“support”运算器对需要约束的节点自由度进行约束，实现桥梁边界条件的施加；s304、使用“loads”运算器对结构施加荷载，通过各工况类型运算器对结构施加荷载，并进行荷载组合。
14.所述s4包括如下子步骤：s401、使用“assemble mode”运算器将所述s201-s204的参数进行集合，并转至“analyze”运算器中进行分析计算；s402、使用“mode view”读取计算结果数据，包括截面内力、单元应力、结构变形、材料利用率，并利用“beam view”将结果数据绘制成可视化云图。
15.本发明的有益效果是：1、本发明采用了桥梁三维建模与受力分析联动的设计方法，可以实现桥梁设计过程的可视化、自动化和精确化，提高了设计效率和设计质量。同时，该设计方法可以避免传统桥梁设计方法中存在的设计精度低、设计效率低、无法直观展示设计效果等问题，具有更
高的实用性和适用性。
16.2、本发明在同一平台下完成了三维参数化建模与结构分析联动，实现了自动计算和反馈受力分析结果，并将结果可视化展示在桥梁的三维模型上，并结合参数调整实时更新模型与分析结果，极大的提高了工作效率。可见，本发明解决了传统桥梁设计过程中外观方案与结构分析两者独立设计，导致方案无法落地、工作量反复等问题。
17.3、本发明还可以直观展示桥梁的设计效果，便于设计人员对桥梁的整体结构进行评估和调整，具有更高的实用性和适用性。
附图说明
18.图1为本发明的工作流程图。
具体实施方式
19.下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.如图1所示，一种基于桥梁三维参数化建模及结构分析联动的设计方法；其步骤如下：s1、使用三维参数化建模软件，建立桥梁三维外观模型；s2、在所述三维参数化建模软件内植入结构分析插件，实现三维外观模型与三维结构模型的数据交互；s3、利用结构分析插件获取桥梁三维外观模型的物理属性信息，并在结构分析插件中定义材料属性和截面参数、施加桥梁的约束边界和外部荷载，完成整个三维结构模型的前处理工作；s301、使用karamba插件中的“line to beam”运算器将桥梁三维外观模型中的线形模型转换为桥梁三维结构模型中的梁单元模型，并对梁单元赋予截面尺寸信息；s302、使用“material selection”运算器定义桥梁三维结构模型的材料，对结构赋予实际材料属性信息；s303、使用“support”运算器对需要约束的节点自由度进行约束，实现桥梁边界条件的施加；s304、使用“loads”运算器对结构施加荷载，通过各工况类型运算器对结构施加荷载，并进行荷载组合；s4、将桥梁三维结构模型前处理数据连接到所述结构分析插件的运算器中进行计算分析，计算结果云图将自动同步到三维模型中；s401、使用“assemble mode”运算器将所述s201-s204的参数进行集合，并转至“analyze”运算器中进行分析计算；s402、使用“mode view”读取计算结果数据，包括截面内力、单元应力、结构变形、材料利用率，并利用“beam view”将结果数据绘制成可视化云图。
21.s5、根据计算结果优化修改s3中桥梁三维外观模型的物理属性信息的限定，结构
计算云图和三维外观模型实时更新；s6、将最终的桥梁三维外观模型渲染出图或导出cad设计图纸，完成桥梁设计。
22.其中，上述的三维参数化建模软件包括rhino软件以及grasshopper插件，结构分析插件则包括karamba 3d有限元结构计算插件，而 karamba 3d有限元结构计算插件能够对结构进行有限元分析，并将计算结果实时显示在三维模型上。例如，可通过karamba 3d有限元结构计算插件的beam view功能绘制数据可视化云图；还可通过karamba 3d结构分析插件的analyze运算器进行计算分析，分析结果包括截面内力、单元应力、结构变形、材料利用率。
23.另外，通过rhino软件及grasshopper插件，可建立桥梁平纵线性、结构骨架坐标、构件几何尺寸参数化信息与可视化模型。
24.详细地，通过karamba 3d结构分析插件，可获取桥梁三维模型的物理属性信息，并在插件中定义材料属性和截面参数、施加桥梁的约束边界和外部荷载。
25.另外， s1还包括如下子步骤：s101、创建桥梁平面线形曲线：基于grasshopper插件，可直接输入参数绘制桥梁平面曲线；或者在rhino软件导入.dwg格式桥梁平面曲线；s102、参数化绘制主梁曲线，并通过分割主梁曲线得到主梁节点，分别沿着纵向和横向连接主梁节点得到主梁线形模型和横梁线形模型；s103、参数化建立桥梁下部结构线形模型：通过对横梁线形模型分割得到横梁节点；并将横梁节点偏移，形成墩柱骨架控制节点；最后连接控制节点得到桥梁下部结构线形模型；s104、建立桥上建筑线形模型：通过对主梁节点和横梁节点进行偏移得到桥上建筑控制节点，连接控制节点形成桥上建筑线形模型；s105、建立桥上建筑线形模型与主梁线型模型的连接：通过将桥上建筑控制节点与相近的主梁节点连接得到连接单元，以保证最后的结构模型中桥上建筑与主梁能共同受力；s106、生成三维外观模型：对建立的主梁、桥梁下部结构以及桥上建筑的线形模型赋予截面尺寸，得到初步的桥梁三维外观模型。
26.需要说明的是，上述的analyze运算器是对前阶段定义好的模型物理属性，计算每个荷载工况的机械响应，并将此响应信息添加到模型中；beam view组件则能够控制与梁和桁架相关的显示选项，涉及横截面内力、合成位移、材料利用率以及轴向应力的渲染。另外，在有限元分析中，结构被离散化为许多小的元素，每个元素代表结构的一部分，梁单元是其中的一种元素类型，用于建立和模拟结构中的梁。即梁单元模型是指桥梁中梁单元的三维模型。
27.其中，图1中参数化桥梁三维模型是指对桥梁的三维外观模型进行建立，随后根据结构分析插件对桥梁的桥梁三维结构模型进行建立，也即图1中的桥梁结构计算模型是指桥梁三维结构模型的建立。
28.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进
行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

技术特征：
1.一种基于桥梁三维参数化建模及结构分析联动的设计方法，其特征是：包括如下步骤：s1、使用三维参数化建模软件，建立桥梁三维外观模型；s2、在所述三维参数化建模软件内植入结构分析插件；s3、利用结构分析插件获取桥梁三维外观模型的物理属性信息，并在结构分析插件中定义材料属性和截面参数、施加桥梁的约束边界和外部荷载，从而生成桥梁三维结构模型；s4、将桥梁三维结构模型前处理数据连接到所述结构分析插件的运算器中进行计算分析，计算结果云图同步到桥梁三维结构模型中；s5、根据计算结果优化修改s3中桥梁三维结构模型的物理属性信息的限定，计算结果云图和桥梁三维结构模型实时更新；s6、将最终的桥梁三维外观模型渲染出图或导出cad设计图纸，完成桥梁设计。2.根据权利要求1所述的基于桥梁三维参数化建模及结构分析联动的设计方法，其特征是：所述三维参数化建模软件包括rhino软件以及grasshopper插件，所述结构分析插件包括karamba 3d有限元结构计算插件，所述karamba 3d有限元结构计算插件能够对结构进行有限元分析，并将计算结果实时显示在桥梁三维外观模型上。3.根据权利要求2所述的基于桥梁三维参数化建模及结构分析联动的设计方法，其特征是：通过所述rhino软件及grasshopper插件，建立桥梁平纵线性、结构骨架坐标、构件几何尺寸参数化信息与可视化模型。4.根据权利要求2所述的基于桥梁三维参数化建模及结构分析联动的设计方法，其特征是：通过所述karamba 3d结构分析插件，获取桥梁三维外观模型的物理属性信息，并在插件中定义材料属性和截面参数、施加桥梁的约束边界和外部荷载。5.根据权利要求2所述的基于桥梁三维参数化建模及结构分析联动的设计方法，其特征是：通过所述karamba 3d结构分析插件的analyze运算器进行计算分析，分析结果包括截面内力、单元应力、结构变形、材料利用率。6.根据权利要求2所述的基于桥梁三维参数化建模及结构分析联动的设计方法，其特征是：通过所述karamba 3d结构分析插件的beam view功能绘制数据可视化云图。7.根据权利要求3所述的基于桥梁三维参数化建模及结构分析联动的设计方法，其特征是：所述s1包括如下子步骤：s101、创建桥梁平面线形曲线：基于grasshopper插件，可直接输入参数绘制桥梁平面曲线；或者在rhino软件导入.dwg格式桥梁平面曲线；s102、参数化绘制主梁曲线，并通过分割主梁曲线得到主梁节点，分别沿着纵向和横向连接主梁节点得到主梁线形模型和横梁线形模型；s103、参数化建立桥梁下部结构线形模型：通过对横梁线形模型分割得到横梁节点；并将横梁节点偏移，形成墩柱骨架控制节点；最后连接控制节点得到桥梁下部结构线形模型；s104、建立桥上建筑线形模型：通过对主梁节点和横梁节点进行偏移得到桥上建筑控制节点，连接控制节点形成桥上建筑线形模型；s105、建立桥上建筑线形模型与主梁线型模型的连接：通过将桥上建筑控制节点与相近的主梁节点连接得到连接单元，以保证最后的结构模型中桥上建筑与主梁能共同受力；s106、生成三维外观模型：对建立的主梁、桥梁下部结构以及桥上建筑的线形模型赋予
截面尺寸，得到初步的桥梁三维外观模型。8.根据权利要求4所述的基于桥梁三维参数化建模及结构分析联动的设计方法，其特征是：所述s3包括如下子步骤：s301、使用karamba插件中的“line to beam”运算器将桥梁三维外观模型中的线形模型转换为桥梁三维结构模型中的梁单元模型，并对梁单元赋予截面尺寸信息；s302、使用“material selection”运算器定义桥梁三维结构模型的材料，对结构赋予实际材料属性信息；s303、使用“support”运算器对需要约束的节点自由度进行约束，实现桥梁边界条件的施加；s304、使用“loads”运算器对结构施加荷载，通过各工况类型运算器对结构施加荷载，并进行荷载组合。9.根据权利要求8所述的基于桥梁三维参数化建模及结构分析联动的设计方法，其特征是：所述s4包括如下子步骤：s401、使用“assemble mode”运算器将所述s301-s304的参数进行集合，并转至“analyze”运算器中进行分析计算；s402、使用“mode view”读取计算结果数据，包括截面内力、单元应力、结构变形、材料利用率，并利用“beam view”将结果数据绘制成可视化云图。

技术总结
本发明公开了一种基于桥梁三维参数化建模及结构分析联动的设计方法，包括使用三维参数化建模软件，建立桥梁三维外观模型；植入结构分析插件；利用结构分析插件提取限定桥梁三维外观模型的物理属性信息，并在结构分析插件中定义材料属性和截面参数、施加桥梁的边界条件、外部荷载，从而生成桥梁三维结构模型；将桥梁三维结构模型前处理数据连接到结构分析插件的运算器中进行计算分析，计算结果云图自动同步到三维模型中。本发明在同一平台下完成了三维参数化建模与结构分析联动，实现了自动计算和反馈受力分析结果，并将结果可视化展示在桥梁的三维模型上，并结合参数调整实时更新模型与分析结果，极大的提高了工作效率。极大的提高了工作效率。极大的提高了工作效率。


技术研发人员：谢鲁 杜攀 郑轶丽 关国杰 唐贵伟 彭竹葳 严平 吴臻旺 甘又月 吴雨航 张元恒 刘宇航
受保护的技术使用者：成都市市政工程设计研究院有限公司
技术研发日：2023.08.22
技术公布日：2023/9/22