三維CATIA設計在不等跨斜拉橋中的應用

杜　曉，任有鋒，商岸帆

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安　710065)

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三維CATIA設計在不等跨斜拉橋中的應用

杜曉，任有鋒，商岸帆

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安710065)

摘要：三維設計是當前工程設計的發(fā)展趨勢，其中精細化的三維建模是三維設計的基礎。文章依托涇河東莊水利樞紐工程下游涇河大橋工程進行模型建立，找到一種基于CATIA平臺的適用于大型景觀橋梁體型、建模方式。該方法符合實際工程設計習慣，可應用于各類大型景觀橋梁工程。關鍵詞：斜拉橋；三維建模；橋梁；CATIA

0前言

三維一體化設計是當前工程設計技術的發(fā)展方向，在機械行業(yè)應用較為成熟，具有極強的市場競爭力。近期BIM面向結構全周期的模擬技術在工程建設行業(yè)得到業(yè)界普遍認同。CATIA在產品設計和創(chuàng)新解決方案領域占據領先地位，是協(xié)同方案的重要成員，CATIA可以有效模擬工程的建立過程，前期可以方便聯(lián)接設計、施工、業(yè)主進行方案設計，并可以方便地將所建模型進行有限元分析，充分模擬施工過程。

本文依托涇河東莊下游涇河大橋模型，展現(xiàn)了大型橋梁結構在CATIA平臺上的有效應用。

1橋梁設計特點

(1) 工程簡介

東莊水利樞紐水庫庫容32.9億m3，項目對外交通便利。為Ⅰ等大(1)型工程。

下游涇河大橋跨越涇河河谷，河谷右岸陡峭，左岸稍緩。橋位選擇主要是服從整體線路布置以及左岸隧道出口位置的要求確定。大橋右岸連接右岸明線道路，左岸連接1號隧道。大橋橋軸線為偏東北方向，與涇河夾角約61°。

橋梁全長153 m，為雙跨不等跨斜拉橋，橋梁縱向1.1%的縱坡。橋跨布置形式為：6 m(右岸橋臺)+103 m(右岸主跨)+27 m(左岸主跨)+17 m(地錨結構)，見圖1。

(2) 設計特點

主要分為：上部結構箱梁、橋臺、橋塔、地錨、斜拉索、齒塊。每類構件都涉及到相互間的連接，因此十分復雜，主要難點集中在主梁、橋塔、地錨。

圖1　涇河東莊下游涇河大橋橋型立面布置圖　　　單位：m

圖2　三維建模流程圖

2三維設計優(yōu)點

三維設計是新一代數(shù)字化、虛擬化、智能化設計平臺的基礎。它是建立在平面和二維設計的基礎上，讓設計目標更立體化、更形象化的一種新興設計方法。由于三維CAD系統(tǒng)有其自身巨大的優(yōu)越性，隨著計算機軟硬件系統(tǒng)的發(fā)展，性價比的不斷上升，這種優(yōu)越性會越來越明顯。

3三維設計應用

3.1流程圖

本次橋梁設計循序漸進，嚴格按照工程設計流程進行設計，保證設計過程科學合理，設計產品精細嚴謹，詳細流程見圖2。

3.2三維模型的建立

(1) 構件劃分及組裝理念

在CATIA軟件中，前期可以根據不同部位、不同功能進行構件劃分，劃分完成后單獨設計構件，然后通過其組裝功能將不同構件組裝為一個整體，通過碰撞干涉試驗檢查銜接程度。

橋梁設計中的定位方式，采用CATIA現(xiàn)有裝配功能定位橋梁各部件的相對位置關系相對繁瑣。可采用全橋整體建模并結合視圖消隱功能緩沖所占機器內存。前期的模型起到引導支撐的作用，為后續(xù)模型的完善提供可以參照的元素。建立完成的全橋三維圖，詳見圖3。

(2) 分部分項建立模型

三維設計不是為單純設計而設計，其根本用途是為結構表達及施工服務，例如本次設計中的斜拉索錨塊錨固面是和斜拉索徑向垂直的空間面，這里工程師在以往的設計中很難準確模擬這個剖面，即使能正確模擬尺寸，也很難把控這個垂面的延伸是否切削相應的構件。在這里通過三維模型將每個斜拉索錨塊真實模擬并將相應的三維圖提取三向二維投影圖，清晰直觀，避免了未來的施工干擾問題。

橋梁橋塔、地錨，結構復雜，內部箱室多且大小不一，二維圖可以簡單的表示其箱室構造，但想要全面地展示地錨的尺寸構造必然要加多剖面，給讀圖帶來更多的步驟反而容易混淆。通過三維線條顯示可以直觀的體現(xiàn)地錨結構的詳細布置，一個角度即可直觀表達。施工圖紙也相應的附上三維模型的成果，對施工過程具有相當?shù)闹笇б饬x。相應的二維圖紙見圖4。

3.3建立模型系統(tǒng)性

地模的建立：橋梁構件建立完成之后就涉及地模的建立，地模的建立是三維建模程序系統(tǒng)性的重要一環(huán)，通過對原有二維地形圖的加工與上色并將橋梁布置于地模上，一套較為完整的項目模型就形成了。

圖3　全橋三維模型視圖

圖4　地錨結構布置圖　　單位：cm

地模的建立是基于地形云點，并經三維構網形成地形面，后經過地形面的實體化形成三維地形實體，不同角度間的切換可以清晰地展現(xiàn)地面的溝坎，從而為路線或結構基礎的選取做出直觀的定性指導。

通過地形的對比可以看到三維地形模擬簡潔、美觀。對橋位布置合理與否可以進行定性判斷，從而避免因對地形理解錯誤而產生橋位及橋型布置的更改。可以通過對地模的操作直觀地繪制開挖圖。

3.4優(yōu)化處理

三維模型建立后，通過相應的電子設備可以對模型進行多角度調焦、縮放等動作，細致地觀察結構構造，通過三維標注示意結構尺寸，直觀明了。并且在建模過程中可以對不同的結構構件進行碰撞分析，有效地避免二維圖設計過程中的結構構件的“打架”。

3.5三維設計應用前景

橋梁三維設計有著明顯的優(yōu)越性，集可視化、可塑性、真實性、簡單性于一體，對工程師接觸不同的橋型、掌握不同的結構設計思想并進行有效的技術突破有很大的幫助。未來設計中三維設計必不可少，三維設計結合地模可以直觀地給業(yè)主單位進行方案匯報，并及時地得到反饋和完善，一體化設計可以使業(yè)主、設計、施工三方在短期內達到統(tǒng)一意見，有效避免出現(xiàn)錯漏環(huán)節(jié)。

同時橋梁三維設計應用于綜合性的水利工程中，可以有效綜合各專業(yè)，協(xié)商解決技術難點。

4結語

本次設計以涇河東莊水利樞紐工程下游涇河大橋工程為依托，全面完整地進行橋梁模型的建立，并應用于橋梁施工圖繪制過程中。相對于以往的設計工作有如下優(yōu)勢：

(1) 三維模型在建立過程中可以實時顯示工程量，保證工程師對結構定性設計進行實時控制。

(2) 三維設計，問題能夠通過上游部門和下游部門數(shù)據互傳、數(shù)字批示，形成交互式意見和建議，及時將其反饋給設計部門調整設計。

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Application of 3D CATIA in Design of Cable-stayed Bridge with Unequal Span

DU Xiao, REN Youfeng, SHANG An'fan

(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065，China)

Abstract:3D design is the prevailing trend in the current engineering design. The precise 3D modeling is the foundation of 3D design. Relying on the modeling of Jinghe bridge at downstream of Dongzhuang project, in the paper, a modeling mode based on CATIA and applicable to the large-scaled landscape bridge outline is explored. This method is satisfied the engineering design practice and may applicable to design of various landscape bridge works.Key words:cable-stayed bridge; 3D modeling; bridge; CATIA

文章編號：1006—2610(2016)03—0079—03

收稿日期：2016-04-08

作者簡介：杜曉(1987- )，男，河北省辛集市人，助理工程師，從事橋梁工程設計工作.

中圖分類號：U442.5;TP399

文獻標識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.03.021