一种用于遗产桥梁结构分析的几何不确定性建模的参数化HBIM方法

《Buildings》：A Parametric HBIM Approach to Geometric Uncertainty Modelling for Heritage Bridge Structural Analysis

　　

在遗产结构中实施历史建筑信息模型(HBIM)面临对隐藏或不可达构件的不完全知识，以及施工历史、原始设计和结构细节信息有限的挑战，使得几何定义本质上具有不确定性。同时，结构分析等应用通常也需要相同缺失的信息。本研究提出了一种自适应的参数化扫描到BIM到FEM(Scan-to-BIM-to-FEM)工作流，通过从测量数据和类型学推断生成多个合理的完整重建，明确纳入几何不确定性，从而使其能够在参数化结构分析中使用。从地面激光扫描(TLS)测量出发，通过几何约束将测量尺寸和推断尺寸关联起来，使用了自适应族。该方法应用于蒙托焦(意大利热那亚)的19世纪砖石拱桥，该桥目前因后续改造而具有混合结构体系。通过改变不确定参数(包括拱顶厚度和填充高度)测试了八种几何配置，并通过模态和静态有限元模拟进行了分析。结果表明结构响应对这些参数具有有限但不可忽略的敏感性，凸显了几何不确定性对分析结果的影响。在此背景下，所提出的框架为测量、建模和结构分析之间提供了桥梁，使HBIM能够支持解释性和预测性结构评估。

**论文解读：一种用于遗产桥梁结构分析的自适应参数化HBIM几何不确定性建模方法**

**研究背景与问题**
历史建筑信息模型(HBIM)已成为遗产结构文档和分析的基础工具，但其应用面临根本性挑战：关于施工系统、隐藏或不可达构件以及建筑随时间变迁的文献记录往往不完整，导致HBIM模型的几何定义存在固有不确定性。同时，结构分析、能耗模拟等下游应用需要比直接可观测到的更详细的细节，例如隐藏构件的几何信息。当前实践中，扫描到BIM到FEM(Scan-to-BIM-to-FEM)工作流日益普及，但通常依赖单一“最佳估计”重建，未充分考虑与现有证据一致的多重可能几何构型，可能忽略其对结构行为的影响。为填补这一空白，研究人员提出了一种自适应参数化HBIM方法论，旨在将几何不确定性明确纳入建模过程，并通过生成多个合理的完整重建来评估其对结构响应的影响。该方法应用于意大利热那亚蒙托焦的19世纪砖石拱桥，该桥后期改造形成混合结构体系（砖石拱、钢梁、预制混凝土板），具有典型的不确定性特征。研究发表在《Buildings》期刊。

**技术方法**
主要关键技术方法包括：1) **地面激光扫描(TLS)数据采集**：使用Leica RTC360扫描仪获取54站云数据，全局配准误差3mm，提供外部几何参考。2) **参数化HBIM建模**：基于Autodesk Revit的自适应族(Adaptive Components)开发五类部件族（桥墩、拱跨、梁、板、桥台），通过自适应点和公式约束将可测量尺寸（黑色标注）与推断参数（橙色标注，如拱顶厚度Vt、填充深度Sd、填充角度θ）关联，生成八种几何配置。3) **有限元分析(FEM)**：在ANSYS Mechanical中采用SOLID186和SHELL181单元，定义弹性-理想塑性本构和摩擦接触，进行线性模态分析及非线性静力分析（仅自重）。样本来源为意大利蒙托焦桥（单一案例）。

**研究结果**
**6. FE结果**
通过模态分析发现，所有八种模型的动态行为总体一致，自然频率差异约3%，其中填充高度(θ)影响最大，拱顶厚度和填充深度影响较小。静态分析显示，拱顶竖向位移对几何变化更敏感，平均差异约9%，同样填充高度主导响应，拱顶厚度和填充深度影响次之。结果表明，几何不确定性对整体模态行为影响有限，但对局部位移响应不可忽略。

**7. 讨论**
研究人员指出，该工作流的核心在于将结构分解为可测量、推断和约束三类参数，而非直接重建单一模型。Revit自适应族有效支持了参数化探索，但几何约束和导出的协调仍需手动处理，且BIM到FEM的互操作性仍有改进空间。有限元分析证实，几何不确定性以力学合理的方式影响结构响应，但简化模型仅适用于比较性评估。

**结论翻译**
本研究提出了一种自适应扫描到BIM到FEM(Scan-to-BIM-to-FEM)工作流，用于在遗产砖石拱桥结构评估中显式建模几何不确定性。该方法应用于蒙托焦桥案例，其中Revit自适应族将测量信息与推断几何参数结合，生成八种替代的HBIM配置，随后传输至FEM分析。该工作流并非作为传统BIM模型的后处理改编，而是作为结构信息化的HBIM实现，专门开发为支持参数化有限元模拟的特定LOG(几何细节等级)。这需要预先知识阶段，将桥梁解释为结构系统，分解为有意义的构件，并通过有限但力学相关的不确定几何参数描述。结果表明该方法在实践中有效：一旦自适应HBIM模型实现，可快速生成替代几何配置，无需从头重建每个假设。这在遗产评估中具有重要意义，因为不完整知识通常需要比较多个可能配置而非分析单一确定性模型。BIM到FEM转换也基本有效：参考FEM模型定义后，后续配置可通过替换不同几何构件引入，同时保留材料属性、边界条件、接触和分析设置，实现一致比较并减少前处理时间。同时，该方法存在明显局限：初始实施成本高，需要HBIM建模者与结构/FEM专家早期协作；互操作性问题仍存在，Revit的族层级结构与ANSYS所需分组组织不匹配，需手动调整；计算成本从几何建模转向数值模拟，尤其在高LOG和详细接触设置下。结构结果显示配置间有限但不可忽略的差异，支持将多模型几何探索作为结构评估的初步阶段：而不是直接选择单一假设几何，所提工作流允许分析人员识别响应不确定参数的敏感性，并选择、证明或进一步研究最相关的配置。未来工作应聚焦于改进BIM到FEM互操作性，减少模型更新工作量，并整合诊断调查等多证据源以定量表征几何不确定性，为每个参数值分配置信水平，进而定义置信度驱动的抗力域。