[營建知訊轉載]橋梁於備標階段外觀塑形自動化之初步研究 許舜翔等人 (2019.3)

許舜翔  國立臺灣大學土木工程學系 電腦輔助工程組碩士生
劉鎧禎  國立臺灣大學土木工程學系 電腦輔助工程組碩士生
林子皓  國立臺灣大學土木工程學系 電腦輔助工程組碩士生
周敬淳  國立臺灣大學土木工程學系 BIM研究中心專案經理
謝尚賢  國立臺灣大學土木工程學系 教授兼系主任
曾榮川  台灣世曦工程顧問股份有限公司 協理
李育謙  台灣世曦工程顧問股份有限公司 工程師
 
 
 
橋梁備標規劃階段 提案與時間競賽
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　　在公開招標的程序中，從招標文件公告日至投標截止日的這段時間，稱為等標期。政府採購法依照不同辦理方式，有相對的等標期：依政府採購法第28條第1項規定：「機關辦理招標，其自公告日或邀標日起至截止投標或收件日止之等標期，應訂合理期限」[1]，橋梁新建工程相對應的等標期為一個月，這段時間內，除資料蒐集、地形研究、橋型與施工方式研擬等工作項目之外，通常還需要使用3D模型，與各方單位檢討與比較各種方案；然而，在多數情況下，橋梁為道路結構之一環，必須配合道路的平、縱面線形、路面超高及道路寬度進行配置與設計，橋梁結構在配置上，平面線形有可能是直線、平曲線或是克羅梭曲線等；縱面線形有可能是直線（爬坡或下坡）或是豎曲線等；主梁橫斷面上翼板有可能是水平配置或是斜向配置；寬度有可能等寬度或是變寬度等。由此可知，橋梁結構之幾何配置為相當複雜的3D結構，在設計上常須大量利用3D幾何運算來實際放樣構件，使得工程師得耗費更多的時間於多種橋梁設計方案的塑模，疲於與時間競賽。

為了提升工作效率與增加溝通的流暢性，本文介紹國立臺灣大學土木工程學系工程資訊模擬與管理研究中心（簡稱臺大BIM研究中心）最近透過產學合作 [2] 所開發的橋梁塑形流程自動化架構，以及相對應的軟體工具。此架構透過自動化塑形流程的方式，減少工程師花費於外觀塑模的時間。除了橋梁外觀塑形自動化外，貼近工程師慣用語彙的參數設計亦能增加工作效率。目前我們針對4種常見橋型，將部分繁瑣的塑模流程參數化後，在具備所需參數的前提下，約10分鐘內即可完成外觀塑形，顯著緩解多數橋梁新建工程備標時，工程師與時間競賽的壓力。
 
橋梁構件塑形模組化 組合多種橋型
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        橋梁型態多變且複雜，為了讓使用者能更有效地利用塑模工具，我們先分析橋梁的組成構件，並聚焦於常見的4種橋型，分別是鋼箱型梁橋、拱橋、斜張橋和脊背橋。再根據各自需要的構件來設計其塑形模組，最後整合模組成一快速塑模輔助工具，如此一來，既能避免重複開發在不同橋型中相同或類似構件，且各別橋型的塑形功能模組化亦能清楚表達整個塑模的邏輯及流程，讓使用者更清楚每一步驟所輸入的參數，其代表的意義為何，也能幫助快速除錯。除此之外，將構件的塑形工具以模組化的方式分門別類，在多人協作開發過程中，也能以不同模組進行分工，減少對於同一構件參數使用上的衝突，增進開發效率，另外一方面，模組化的管理方式，對於日後新增功能或是不同專案中可能產生的額外塑形需求，其適應性較佳，能以較短的時間完成功能的擴增。圖一即為橋梁塑形自動化模組的整體設計圖。
        上述提及的模組化帶來了塑形工作的高度彈性，包括容許多人進行同一橋梁的塑形工作，提供一良好的協作整合，多人協作下僅需定義好各自分配好的里程範圍，便能將平面控制線進行分段供使用者進行塑形，而每一段皆可依照專案的需求選擇不同的橋型，以及橋型內的參數組合，塑形完成後進行模型存檔以作後續合併作業，減少專案進行中的溝通成本，或是不必要的重複工作等，其他有關分段的功能將會於下小節進行更詳盡的介紹。

圖一 橋梁塑形自動化模組的整體設計圖

引導式參數輸入介面 降低塑形時間成本
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         將橋梁依照各部位之構件拆解成數個模組後，各模組即可由其專屬的程式進行塑形。為使各模組之程式能精準呈現其外觀，並達到任意塑形之目的，參數化塑模無庸置疑成了不二法門。依照外形需求定義出所需參數，如尺寸、類型、位置等，程式便可依照使用者輸入之參數完成塑形。以鋼箱型梁橋為例，以構件拆解開來可分為鋼箱梁、橫梁、托梁、邊縱梁、分隔島、護欄等數個部位，各構件均有其對應之參數，如：鋼箱梁斷面類型、橫梁間距、托梁梁深等，相鄰鋼箱梁斷面間亦有線性及單拋物線兩種變化。為完整呈現外觀，參數數量勢必不少。為減輕使用者事前準備之負擔，所需參數最好一目了然，因此我們設計人性化介面彙整參數，搭配示意圖、單位提示及文字說明，方便使用者理解及整理參數，並採用下拉示選單、簡答欄位等輸入方式，提升使用上之直觀程度。圖二 ~ 圖四即為鋼箱型梁橋部分介面之展示。

 圖二 鋼箱型梁橋介面 (一)  

圖三 鋼箱型梁橋介面 (二)

圖四 鋼箱型梁橋介面 (三)

    　介面設計須考量真實使用之各種情形，除使用方便、直觀外，「輸入錯誤」絕對是常見問題之一。因程式的執行成果為橋梁模型，若輸入錯誤，通常要等到所有參數輸入完畢、程式完成塑形後，觀看外觀才會發現。因此，我們設計特定按鈕，若不小心發生參數輸入錯誤而需進行修改，更改完畢後按下此按鈕，模型便立即更新（如圖五所示）。此外，我們亦設計防呆功能，若使用者輸入不合理之參數，如里程超過橋梁全長所對應之終點里程，介面便會出現警示（如圖六所示），提醒使用者更改。確認正確無誤後警示便會消失，程式屆時才開始執行，無須等到塑形完成才察覺錯誤，提高使用效率。

圖五 參數更新按鈕

圖六 防呆功能設計

        以傳統手動塑形方式建置外觀複雜的橋梁模型，耗費時間極長，加上設計階段初期的變更設計通常極為頻繁，一旦有所變動，模型即須重新建置。過程中道路線形設計之調整、不同橋梁方案更動，使得設計過程需不斷修正與優化，工程師之間來來回回動輒便花費數日，甚至數週以上之時間。以上述參數化塑形方式便可加速重複塑模流程，縮短橋梁塑模時間。實務上不同橋型會有彼此銜接的情形，如常見之鋼箱型梁橋－拱橋－鋼箱型梁橋之配置，倘若各橋型塑形程式彼此獨立，便意味著使用者須多次啟動程式，塑形完畢後存取模型，再匯出到統一環境中進行整合。我們認為上述步驟尚有簡化空間，因此設計「分段塑形」之功能。若一建案中包含多種橋形，則可使用分段塑形功能，流程如下：
    決定分段數目 → 輸入各段里程 → 決定各段橋型 → 輸入各橋型參數
   　 依此方式，使用者得於一次操作過程中完成多種橋型的模型建置，各橋型亦可重複出現，使用上增加更多彈性，應用上亦有更多元的可能，程式操作完畢至塑形完成，整體時間可壓縮於10分鐘內，大幅節省時間成本。圖七即為分段塑形功能之介面展示。

圖七 分段塑形介面

視覺化程式設計 利於維護與擴充
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        視覺化程式，或稱為圖形化程式，近年來成功獲得越來越多程式設計師青睞，只因它具有數項獨樹一格的特點：有別於一般文字式程式語言，視覺化程式設計將程式碼包裹於節點中，不必觀看大量程式碼，許多常用、複雜之功能不必自行從頭寫起，直接使用即可。操作上也極為容易，節點與節點間只需以箭頭相連便可傳遞資料或相互互動，透過相連的順序便可快速理解程式流程及大致邏輯走向，十分直覺；同時可自行調整節點放置位置，任意替節點更名及以類似便條之方式加上註解，以自己習慣、方便理解的方式整理程式。不論要長期維護或隨時擴充功能，視覺化程式皆具有極高便利性。
        此次我們採用之塑形軟體為Rhino，其專屬之視覺化程式－Grasshopper無疑成了開發的絕佳利器。猶如Dynamo之於Revit，Grasshopper能透過各種功能之節點串接、組合，輕易做出於Rhino中難以手動繪製之複雜塑形。除了使用方便、容易上手等上述各項優點外，Grasshopper仍有多項獨有特色，例如各節點之資料入口端能同時接收來自多個節點所輸出之資料，並設定資料間相互關係，所有資料得以全數合併（Flatten），亦可彼此獨立（Graft），妥善使用便能增加程式多元可能性，能使用簡易邏輯處理大量資料，甚至能做出類似多執行序之效果。除了內建功能外，Grasshopper亦支援C#、Python等語言，能自行開發程式，並使用Rhino API製作特殊功能之節點。前個主題提及之分段塑形功能，便大量使用自製節點，以Python之「Dictionary」存取各橋型參數，於需要時取出；再以前述提及之資料處理方式，以類似多執行序方式使不同分段之參數能平行進入塑形模組，使各模組互相獨立且能同時塑形。圖八即為Grasshopper部分程式樣貌，圖九為使用Grasshopper於Rhino中所做出之部分塑形。

圖八  Grasshopper程式部分樣貌

圖九 使用Grasshopper於Rhino中進行部分橋梁塑形之成果

    　最後特別感謝台灣世曦工程顧問股份有限公司贊助此研究。亦感謝世曦的研究夥伴提供豐沛的實務經驗與工程知識，協助臺大的研究人員更加了解橋梁設計基本原則及工程實務所關注的重點，並藉以發展出貼近工程師設計語彙的橋梁塑形自動化軟體工具。此研究的成果雖只是個雛形，有許多可以改善的空間，我們仍深切期盼此篇文章的分享對產業的未來發展所有助益。
 
參考文獻
 

1. 行政院公共工程委員會，2016，政府採購法。
2. 國立臺灣大學土木工程學系工程資訊模擬與管理研究中心， 2019，BIM 模型幾何外觀快速建立之架構建置及程式開發成果報告，台灣世曦工程顧問股份有限公司。 

 

本文轉載自營建知訊第434期，頁66-73。