景觀橋梁除具備交通功能外，兼具文化、審美、體驗價值等多元特征，涉及多學(xué)科領(lǐng)域。隨著中國社會經(jīng)濟的發(fā)展，‘以人為核心、以提高質(zhì)量為導(dǎo)向’的新型城鎮(zhèn)化戰(zhàn)略內(nèi)涵已逐漸深入人心。然而目前，景觀橋梁設(shè)計的難點及瓶頸亟待突破——

（1）美學(xué)設(shè)計的發(fā)散性與橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范性要求難以融合

美學(xué)設(shè)計的發(fā)散性可以理解為感性思考，而橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范性則屬于理性思考的范疇，因此如何恰當合理地將感性與理性進行融合，是瓶頸之一；

（2）造型復(fù)雜、空間異形的景觀橋梁結(jié)構(gòu)賦形難以實現(xiàn)

將具有美學(xué)意義的造型，通過實際的結(jié)構(gòu)形式加以展現(xiàn)，從美學(xué)到結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)也是難點之一；

（3）景觀橋梁的非規(guī)則結(jié)構(gòu)與標準化建造矛盾難以調(diào)和

設(shè)計出來的結(jié)構(gòu)與標準化的建造理念融合，實現(xiàn)從涉及建造的過程也是亟待解決的問題。

那么，如何將美學(xué)的發(fā)散性、結(jié)構(gòu)的多樣性、實施的復(fù)雜性，轉(zhuǎn)換為信息的多樣、信息的關(guān)聯(lián)、信息的準確，可以通過數(shù)字化和智能化的設(shè)計應(yīng)用，實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的產(chǎn)生和應(yīng)用。而信息和數(shù)據(jù)又是如何產(chǎn)生的？通過人腦輸入以及機器生成，形成數(shù)字化和智能化，具體表現(xiàn)為：信息化BIM、BIM參數(shù)化、BIM智能化、AI創(chuàng)作，解決復(fù)雜造型結(jié)構(gòu)的設(shè)計，以及快速設(shè)計修改，甚至是自動設(shè)計和方案創(chuàng)作。

一、數(shù)字化設(shè)計的深度應(yīng)用

1、第一個階段——三維設(shè)計

景觀橋梁造型復(fù)雜，傳統(tǒng)二維設(shè)計無法滿足需求，需要三維輔助。應(yīng)用數(shù)字化、參數(shù)化等設(shè)計手段來完成景觀橋的設(shè)計，例如2012年設(shè)計的南京市青奧公園跨河橋。橋梁位于江北新區(qū)青奧體育公園內(nèi)，跨越城南河聯(lián)系東西兩岸場館與建筑，是青奧公園和城南河風(fēng)光帶上的一座重要的景觀橋。橋梁方案需與兩岸場館及周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)，對橋梁造型提出極高的要求。

主要設(shè)計特點是創(chuàng)新性采用空間扭轉(zhuǎn)鋼桁架結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計，橋梁造型和布置形式為原創(chuàng)，世界唯一。橋梁采用扭轉(zhuǎn)鋼桁架結(jié)構(gòu)，每個桿件都具有其必要的力學(xué)作用，并沒有多余的裝飾構(gòu)件，達到造型形式和結(jié)構(gòu)功能的內(nèi)外統(tǒng)一。模型方案優(yōu)化，通過對空間鋼桁架造型、桿件布置及軸線線形等進行了對比優(yōu)化，對橋面以下支撐桿件設(shè)計進行了方案比較，最終確定了整體性強、曲線起伏、更好地體現(xiàn)波浪意境的橋梁方案。本橋100多個構(gòu)件、節(jié)點均不相同。針對復(fù)雜的空間桿件及節(jié)點，提出了整體組合式全焊節(jié)點。首先對每個節(jié)點進行三維設(shè)計，平斜腹桿桿件與節(jié)點連接，結(jié)構(gòu)可靠，也便于鋼結(jié)構(gòu)加工安裝。

2、第二個階段——參數(shù)設(shè)計

參數(shù)化使信息和數(shù)據(jù)之間產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，從而簡化了數(shù)據(jù)修改的過程，提高了效率。例如北京冬奧會張家口冬奧村“冰雪五環(huán)橋”。延崇高速是北京—張家口聯(lián)合舉辦冬奧會中連接延慶賽區(qū)和張家口賽區(qū)的主要公路通道，是北京—張家口冬奧會期間北京市進入崇禮賽區(qū)的公路主通道。太子城互通連接延崇高速和太子城奧運村，是奧運賽場通往外界最便捷的出入口，是本項目的門戶所在。主要服務(wù)于冬奧會期間以及賽后北京—張家口的旅游觀光交通。

根據(jù)左右兩幅斜跨道路的特殊情況和橋梁到隧道口的不同距離，左右兩幅主橋分別設(shè)置為三塔雙索面鋼結(jié)構(gòu)斜拉橋與雙塔雙索面鋼結(jié)構(gòu)斜拉橋。左幅橋主跨2×100m，右幅橋主跨120m。橋塔錯開布置剛好形成五環(huán)交錯的形式。本橋結(jié)構(gòu)特點：主梁處于圓弧段且左幅變寬；拉索錨固空間較小，錨固形式多樣；橋梁構(gòu)件繁多，各部分間邏輯關(guān)系相對復(fù)雜；風(fēng)嘴復(fù)雜曲面設(shè)計。

（1）正向設(shè)計

BIM設(shè)計過程與結(jié)構(gòu)設(shè)計過程同步進行，BIM模型建模均為正向設(shè)計思路。其中，在初步設(shè)計和施工圖設(shè)計階段建立精確的參數(shù)化BIM模型，用以解決橋梁構(gòu)件在形狀描述、空間定位、碰撞等方面遇到的問題，對橋梁構(gòu)件如耳板及錨箱等提出多種尺寸及布置方案，綜合結(jié)構(gòu)功能要求以及三維空間上的美觀要求，取得最優(yōu)方案。

（2）拉索凈空核查

由于橋梁處于道路圓曲線上且左幅變寬，凈空范圍受拉索影響比較緊張，拉索對凈空的影響很難直接通過計算得到，需要建立精準的拉索三維模型與橋上行車凈空進行碰撞檢測。通過反復(fù)修改拉索錨固點橫橋向位置參數(shù)來解決拉索與凈空的沖突問題，錨固點位置參數(shù)調(diào)整后，錨箱的位置及尺寸均會自動更新。

（3）工程量統(tǒng)計

鋼箱梁的構(gòu)造在縱橋向與橫橋向規(guī)律性較強，板件幾何形狀類型范圍可控。設(shè)計圖紙中板件工程量為下料尺寸，一般采用長×寬×板厚的形式。編寫程序首先將曲面板件展開成平面，然后對展開后的板件外輪廓運行計算任意多邊形最小面積外接矩形算法，求得最小面積外接矩形的尺寸，即構(gòu)件下料尺寸，進行數(shù)據(jù)排序整理后，即可實現(xiàn)自動輸出鋼箱梁構(gòu)件工程數(shù)量表的功能，實現(xiàn)對BIM模型工程量數(shù)據(jù)的批量提取，大大提高了統(tǒng)計主梁工程數(shù)量的效率及準確性。

（4）錨箱數(shù)據(jù)提取

由于拉索角度各不相同，所有的耳板加勁肋及錨箱板件尺寸也各不相同。受到彎橋、變寬、縱坡、橫坡等因素的影響，很難找到準確的三角函數(shù)公式表示板件尺寸。最終在BIM模型中批量提取板件結(jié)構(gòu)線，并批量導(dǎo)出結(jié)構(gòu)線尺寸參數(shù)作為施工圖紙中的參數(shù)。涉及錨箱數(shù)據(jù)輸出時，主橋160根拉索及相應(yīng)的耳板、錨箱的尺寸及坐標數(shù)據(jù)，通過編寫算法批量讀取并自動生成到表格中（數(shù)據(jù)生成過程與工程量統(tǒng)計動畫展示相似），表格可直接插入到施工圖圖紙中。

（5）變更調(diào)整

由于本項目為冬奧會重大保障項目，時間緊任務(wù)重。拉索梁端錨固點位置及錨固形式產(chǎn)生了多次變更。由于項目初期即采用參數(shù)化正向設(shè)計，在索塔、拉索、鋼箱梁間建立了嚴謹?shù)倪壿嫾s束關(guān)系，以及編寫了批量計算主梁工程量、批量提取耳板、錨箱數(shù)據(jù)等程序，大大降低了后期變更調(diào)整的時間成本。

（6）風(fēng)嘴數(shù)據(jù)輸出

由于橋梁處于圓曲線且具有縱坡，使得兩幅橋的十處風(fēng)嘴尺寸都略有差別各不相同，編寫程序沿縱橋向與豎直方向批量切割風(fēng)嘴模型截取截面來描述風(fēng)嘴構(gòu)造，指導(dǎo)施工。

（7）結(jié)構(gòu)分析

將BIM模型直接導(dǎo)入Abaqus，對局部節(jié)點進行分析計算，提高設(shè)計品質(zhì)。

（8）虛擬現(xiàn)實

將BIM模型導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實引擎，對真實的項目周邊環(huán)境及光影關(guān)系進行模擬，以駕駛員視角實時模擬駕駛，可在行車模擬過程中對行車視距、凈空等進行核查，保證較高的行車舒適度。

總而言之，項目的設(shè)計難以采用傳統(tǒng)二維設(shè)計手段來完成，采用BIM技術(shù)已是項目本身所需；BIM應(yīng)用過程與設(shè)計過程同步進行，BIM設(shè)計采用正向設(shè)計思路完成，模型實現(xiàn)了高度參數(shù)化；BIM應(yīng)用點均以提高設(shè)計效率、增強設(shè)計品質(zhì)展開，并不是為了BIM而BIM；BIM參數(shù)化正向設(shè)計從多個方面為項目降低了時間成本，提高了設(shè)計品質(zhì)，在本項目中發(fā)揮了重要作用。

3、第三個階段——智能化

高度關(guān)聯(lián)的參數(shù)化數(shù)據(jù)，通過制定規(guī)則算法，自主選擇參數(shù)產(chǎn)生數(shù)據(jù)。例如多跨拱組合自動生成的隨機參數(shù)約束、梁墩斷面自動生成的隨機參數(shù)約束等。

二、AI輔助方案設(shè)計

利用StableDiffusion研究景觀橋梁方案及前期意向圖的AI生成。

1、潛在擴散模型原理

潛在擴散模型（Latent Diffusion Models，LDMs），由Compvis 和 Runway 團隊2022年在論文 《High-Resolution mage Synthesis with Latent Diffusion Models》 中提出，其本質(zhì)是利用擴散原理來生成圖像。它通過在輸入圖像上應(yīng)用隨機噪聲，然后逐漸減退噪聲的強度，使圖像逐漸恢復(fù)到原始狀態(tài)。這個過程類似于熱力學(xué)中的熱擴散，其中噪聲代表熱量，而圖像代表物質(zhì)。通過不斷選代這個過程，模型可以生成不同程度的擴散效果，從而創(chuàng)建出多個變化的圖像。

基于潛在擴散模型的原理，現(xiàn)行的擴散生成算法還結(jié)合穩(wěn)定性原理來生成合理的圖像。在生成圖像的過程中，模型會引入一個或幾個提示詞，這些提示詞描述了需要在圖像中出現(xiàn)或省略的元素。模型通過優(yōu)化損失函數(shù)來確保生成的圖像，在保留原始圖像基本結(jié)構(gòu)的同時，盡量滿足這些提示詞的要求。通過控制穩(wěn)定性參數(shù)，可以調(diào)整生成圖像和提示詞之間的平衡，以獲得滿足設(shè)計需求的最終結(jié)果。

2、大模型微調(diào)方法

一般來說，現(xiàn)階段深度學(xué)習(xí)的大模型參數(shù)都是十億甚至百億級別起步的，訓(xùn)練成本高昂，對于垂類應(yīng)用領(lǐng)域不友好。微調(diào)(fine-tuning)技術(shù)能低成本地針對已有訓(xùn)練好的大模型，進一步在指定任務(wù)上進行訓(xùn)練，從而使得推理過程能夠適應(yīng)該任務(wù)的數(shù)據(jù)和要求。對于主流的擴散算法來說，現(xiàn)階段主要有Dreambooth、LoRA、Textual Inversion、Hypernetworks這4種微調(diào)方式。綜合各方面因素考慮，現(xiàn)階段LoRA的微調(diào)方式對大模型在垂類行業(yè)的應(yīng)用進行微調(diào)，是較為經(jīng)濟且高效的方式。

3、LoRA模型

利用訓(xùn)練的LoRA模型進行推理，輔助方案找形。不同種類的景觀橋梁LoRA模型訓(xùn)練時要注意的細節(jié)都各有偏重，這里以中式廊橋為例。首先整理關(guān)于中式廊橋的圖片，根據(jù)橋梁景觀設(shè)計要求篩選合適的圖片，并按照BLIP或者deepbooru格式設(shè)置標簽(tag)，然后設(shè)置合適的訓(xùn)練參數(shù)進行訓(xùn)練，最后對訓(xùn)練得到的模型進行對比。通過對目標橋型進行景觀橋梁LoRA模型的針對性訓(xùn)練，并結(jié)合一些約束條件進行推理，可以在較短時間內(nèi)得到大量有參考價值的方案，在項目前期可以快速送代出具有一定質(zhì)量的創(chuàng)作方案。

推理效果有一定的參考價值和使用價值，對于方案創(chuàng)作有一定啟發(fā)意義。中式廊橋?qū)儆诰坝^橋梁中較容易訓(xùn)練的橋型，推理效果也較為穩(wěn)定、理想。其他橋型的模型訓(xùn)練原則一致，但都需要根據(jù)各自的特點進行一定程度的調(diào)整。但也不得不說，AI輔助方案設(shè)計仍然存在諸多難點——

（1）景觀橋梁與建筑的形態(tài)差異較大

相較于建筑，橋梁展現(xiàn)出來的結(jié)構(gòu)構(gòu)件更多，不同結(jié)構(gòu)類型的橋梁的外在表現(xiàn)也大不相同；不少構(gòu)件之間還有一定的拓撲關(guān)系，這也增加了推理得到合理方案的難度。

（2）基礎(chǔ)大模型中橋梁樣本較為稀缺

在基礎(chǔ)大模型中，訓(xùn)練集中橋梁相關(guān)的樣本較少，種類也較為單一，而景觀橋梁的訓(xùn)練樣本更為缺乏，缺少造型獨特的景觀橋梁樣本，因此針對景觀橋梁的推理過程并不理想。

（3）景觀橋梁領(lǐng)域微調(diào)模型較為缺乏

在Stability AI公司將其開發(fā)的擴散算法開源之后，國內(nèi)外相當數(shù)量的AI圖像生成愛好者，在互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)社區(qū)分享了訓(xùn)練或微調(diào)好的模型。但具體到更為細分的景觀橋梁領(lǐng)域，目前沒有相關(guān)調(diào)好的模型，這也使得整體的推理效果不佳。

對于AI輔助方案設(shè)計的未來，采用潛在擴散模型輔助景觀橋梁方案，設(shè)計人員后可以極大地提高創(chuàng)作效率，自然地突破創(chuàng)作瓶頸，靈活地選擇方案后續(xù)優(yōu)化的方式，對景觀橋梁的方案創(chuàng)作流程及方案成果的輸出有著顛復(fù)性的改變。盡管仍然存在一些問題，但不可否認結(jié)合人工智能進行橋梁方案選型，為景觀橋梁創(chuàng)作方法的革新推開了一扇大門，是一種面向未來的、有無限前景的設(shè)計技術(shù)。