案例研究：双螺旋结构设计
源于 DNA 双螺旋结构的三维桥梁设计

为了完成这项杰作， Arup 的14 个办事处，大约 65 名工程师、技术员和专家参与了该项桥梁工程。当设计团队开始他们的工作时，遇到了前所未有的挑战。桥梁 DNA 式的结构使它的支撑机制与现有其他所有桥梁都不同。通过均衡双螺旋的反向分力，桥梁建造所需的钢材大大减少 – 不到常规结构所需钢材的五分之一。

阵列的中心线与地形紧密结合，桥梁同时上升到中心最高点时发生平面弯曲，以便轮船能从桥下通过。为了在双螺旋结构形式的限制下将平面弯曲和垂直几何结构结合进去，螺旋几何结构必然变得复杂。

Arup 布里斯班办事处高级助理兼滨海湾步行桥设计经理 Greg Killen 说：“没有三维模型的解决方案，了解此几何结构并生成创建适合设计和施工的工程图是完全不可能的”。

该项目成功交付的另一个重要因素是能够在力学分析和图纸输出软件之间调整复杂的几何结构。滨海湾步行桥设计过程中使用的工作流是以该软件能够在设计过程中使用的应用程序之间传送信息为基础的。

完美的解决方案

最终确定整个桥梁的中心几何结构必须平衡三个设计目标。首先，桥下必须有足够的净空供轮船通过，而倾斜度又要足够舒缓以便人们能够舒适地在桥上步行。其次，该步行桥还必须设计为与邻近的车用桥相连，而且桥下的两个桥墩处还必须留出步行通道。第三，桥的支架应与现有桥梁支架靠近，以减小对出入滨海湾轮船的影响。

通过使用 Bentley 公司的 GenerativeComponents，设计团队能够为螺旋状外骨架建模，同时在确信能够纳入后续更改的情况下最终确定中心几何结构。设计时间因不同团队成员能够同时处理相互关联的任务而得以缩短。

在设计过程中，首先在 InRoads 中确定中心线，然后将它导入到 GenerativeComponents 中，并与双螺旋几何结构的初始模型相关联，只需数分钟，即可重新生成桥梁的完整线框几何图。Arup 的三维建模师 Ken Enright 说：“没有 GenerativeComponents，这个重新生成过程需要繁杂的精细化建模才可以完成”。

最后，工程师将线框几何图导入 Bentley Structural 中，在此作为用来生成施工图的三维模型的基础。经过处理的线框几何图导入到分析程序进行结构分析和设计。此过程因 MicroStation 的 DXF 导出功能而大大方便了。

设计团队知道，通过用一系列单曲线（二维）段来近似表示双曲螺旋几何结构，可以降低建造成本。设计团队利用三维模型能够证明，使用此方法仍然会让步行者觉得他们穿行的是两个平滑的双螺旋，非常像穿行一个巨型的 DNA 分子。

TriForma 和 GenerativeComponents 从螺旋管本身开始，找出螺旋形几何结构中的重复部分。由于所需几何结构是由组成双螺旋且管弯半径稍有差异的数百个组件构成的，因此 Arup 利用 MicroStation Visual Basic 宏功能来生成 Excel 电子表格，并从统计上分析组件的几何结构。

设计团队然后开发了一个新的曲线几何结构，它对形成双螺旋的两个螺旋中的每一个只使用一个弯曲半径。这个新的双螺旋与真正双螺旋的差异仅凭肉眼是无法辨别出来的，但却可以大大降低建造成本。弯曲速度提高，而冷弯曲过程常有的端头浪费却大为减少，这在不锈钢的成本上形成了显著的节约。

Arup 设计团队使用 Place Member Along Path 工具（通过它能够快速重新生成三维实体模型）将结构分析的结果与 Bentley Structural 模型结合起来。团队使用 Bentley Structural 的“工程图提取”技术根据所需数量创建工程图以描述该项复杂设计。然后，Arup 使用该软件的报告功能生成包含结构中每个构件的准确信息和唯一标识的电子表格。此信息在投标时既作为坐标和长度的数据文件提供，也作为投标图纸上的表格提供。这对承包商的投标过程非常有帮助。

结构设计完成后，设计团队就将他们的注意力转到了形成桥梁顶篷的上光嵌板上。他们对 GenerativeComponents 模型进行了修改，以纳入复杂的嵌板布局。起先，团队害怕即使在螺旋结构合理化之后，所有上光嵌板会因桥梁几何结构及复杂的嵌板布局需要采用不同的尺寸。

Arup 又一次使用 Visual Basic 功能来生成所有嵌板几何图形的电子表格。设计团队分析了这些几何图形并证明：对于给定的容差（由 Arup 的幕墙工程师团队定义），不同尺寸的数目可以减少到 20 个，这样就可以批量生产了。此计划的最终验证是通过 VBA 将分析结果重新导回了三维模型中。每个嵌板尺寸指定一种唯一颜色，这样嵌板尺寸的图案马上就能辨别出来。

Arup 于 2005 年 6 月开始为新加坡市区重建局进行结构设计工作。该步行桥计划于 2009 年完工，估计成本为 6,800 万新元。Arup 认为是三维建模帮助他们将双螺旋结构的复杂结构曲线转变为功能性的步行桥的。通过三维模型，Arup 还将该结构的某些部分标准化，以方便施工并避免几何结构复杂且无重复的项目常常会有的额外成本。

Killen 说，“使用很少用于步行桥的素材设计一个基本全新的结构，就有点像在海图上未标明的水域航行似的。通过 Bentley 产品套件，Arup 采取了更灵活的工作方式，使我们在面对史无前例的项目必然会有的挑战时能够以必要的速度前行。”