CATIA V6在大跨度鋼管混凝土拱橋設計中的應用

唐咸遠 李松敖 林廣泰

摘 要：為將BIM技術優勢應用于結構復雜的大跨度鋼管混凝土拱橋設計中，以計算跨徑為565 m的廣西平南某橋的設計為例，利用CATIA V6軟件建立合理的拱橋三維設計模型，研究經濟高效的建模方法及三維可視化應用展示.研究結果表明：將功能強大的CATIA軟件應用于拱橋設計全過程，能完美模擬出拱橋特有的線形，可大大提升建模的數字化及可視化程度，提高設計效率；可準確進行工程算量，能模擬施工過程，進行碰撞干涉與誤差分析，使設計更加科學準確，提高工程效益.

關鍵詞：大跨度；鋼管混凝土拱橋；CATIA V6；BIM技術；設計

中圖分類號：U448.22 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2018.03.006

0 引言

大跨度鋼管混凝土拱橋具有結構復雜、施工精度要求高的特點[1-3]，其設計在滿足經濟適用、安全美觀的前提下，可擬定出多個設計方案，通過綜合考慮和比選得出合理的設計方案[4-6].利用BIM技術的三維一體化設計是當前橋梁設計的發展方向，具有極強的市場競爭力[7].目前將BIM技術用于鋼管混凝土拱橋尚屬起步階段，在工程實踐中并無系統成型的設計體系[8-9].因此，將BIM技術應用于鋼管混凝土拱橋的設計，研究切實可行的建模方法，建立科學的模型體系，對于拱橋的智能建造有著重要的現實意義.

CATIA V6是法國達索公司開發的一款功能強大的基于BIM技術的三維設計軟件，針對建筑行業尤其是橋梁工程來說，它相比傳統的平面制圖軟件更加立體直觀，可以快速地捕獲設計意圖，提高產品的設計效率[10-11]；同時軟件可進行碰撞干涉與誤差分析，能檢查復雜結構設計上的不足，直接提高工程效益.

本文以廣西荔玉路平南某橋的設計為案例，利用CATIA V6軟件，探索適用于鋼管混凝土拱橋的復雜結構特點的三維參數化建模方法，利用三維模型進行了碰撞干涉、誤差分析及效果展示.

1 工程概況

廣西平南某橋為荔浦至玉林高速公路平南北互通連接線上跨潯江的一座擬建特大橋，橋位處于平南縣西江大橋上游6 km處，其地理位置如圖1所示.橋梁總體設計遵循“安全、耐久、適用、環保、經濟和美觀”的原則，合理進行橋跨布置和橋型方案設計.

橋址所處地質條件相對簡單，持力層為大厚度的砂礫層；而通航條件相對復雜，通航凈空尺度是制約本橋橋跨布置及橋型選擇的重要因素.根據橋位處地形及通航要求，主橋主跨跨度需達到535 m以上，該跨度下可選的適用橋型有斜拉橋、拱橋和懸索橋；因兩岸均有防洪堤，且在大堤范圍內不允許設置橋墩，故南、北岸引橋或邊跨的跨度要達60 m以上才能跨越防洪堤.

經過對平南某橋技術設計進行充分深入的探討和研究，認為鋼管混凝土拱橋方案在經濟性、適用性及后期養護等方面具有較為明顯的優勢；另鑒于平南北互通連接線潯江特大橋需要兼顧作為市政橋梁使用，對外型美觀要求較高，故大橋選用鋼管混凝土拱橋方案（拱橋主橋布置詳見圖2）.

2 鋼管混凝土拱橋建模

擬建的平南某橋為計算跨徑565 m（凈跨徑548 m）的中承式鋼管混凝土拱橋，作為目前世界最大跨徑的鋼構拱橋，其科技含量之高、制造過程之精密、設計施工技術之尖端均為世界同類型橋梁之最；同時，本橋建設也將開創在地基承載力相對較差的條件下修建大跨度鋼管混凝土拱橋的先例，對此類拱橋應用及發展具有重要推動作用.在本橋的設計中，將通過CATIA軟件對其進行系統的BIM技術應用研究.

2.1 CATIA軟件簡介

CATIA是法國達索公司旗下的D平臺的三維設計軟件[12].與其他的三維設計軟件相比，CATIA的主要優點是：整體功能強大，可創建任意實體，曲面造型獨樹一幟；能提供參數化設計功能，可實現參數和模型的關聯更新.

CATIA軟件建立的模型具有輕量化的優勢，在不影響產品設計的前提下，能使產品數據的“體積”變的最小，可最大限度的釋放系統資源，提高設計效率.針對諸如鋼管混凝土拱橋等大型裝配設計的實際情況，CATIA V6版本提供了一些具有針對性的輕量化處理方法，比如加載文件的可視化模式、選擇性加載外形、降低顯示精度等.

2.2 建模思路

針對平南某橋為鋼管混凝土拱橋的特點，依次構建橋梁的拱軸線、拱肋模板、吊桿模板以及主梁格子梁模板等.由于本橋梁結構較為復雜，在利用 BIM 技術三維建模時，可將定位或裝配尺寸作為自定義變量；在修改這些變量的同時，由相應公式計算并變動其他相關尺寸，就能方便地創建系列產品相似的零件.對于各個構件模型的建立，應該按照“先定位，后裝配”的原則；先建立整體坐標系，用“點—面復制”功能確定出坐標系，完成坐標定位；然后再把相應構件插入到指定位置，完成裝配.

如制作拱肋節段時的具體做法是：根據收集到的二維圖紙（見圖3），先對需要的參數進行定義，建立整體坐標系；并根據拱軸線方程繪出橋梁拱軸曲線；然后進行區段劃分以確定每段拱肋的位置.利用“用戶特征”功能創建主弦桿、主腹桿及斜撐如圖4所示.需要注意的是，在需要輸入尺寸的地方全部用插入參數公式的方式代替，并在建立參數的時候把所有需要的參數全部建立出來，以實現參數化驅動.

2.3 拱軸線參數化

對于大跨度鋼管混凝土拱橋而言，拱軸線線型復雜且要求精度極高，利用CATIA軟件所擁有的優異的曲面、曲線造型能力，可通過編輯曲線的方程，精確模擬曲線的線型，而其他的建模軟件則無法精準的模擬拱軸線，更無法編輯其線型方程.

平南某橋拱肋凈跨徑548 m，凈矢跨比1/4，拱軸線采用懸鏈線，拱軸系數為1.5，其拱軸懸鏈線方程為：

由已知拱軸系數m為1.5，根據式（1）可求出比例系數k約為0.962 423 65（此處可以只設置參數），將ξ與計算出的k值帶入式（1），通過雙曲余弦函數可以得到y關于x的懸鏈線方程y=274×（ch（0.962 423 65x/274）-1）.

在CATIA軟件的法則編輯器中輸入拱軸線方程之前，需要先對公式中的數據設置參數，將數據以參數的形式輸入到編輯器中，這樣整個拱軸線方程得以參數化.在拱橋的特征造型使用參數化時，不僅可以隨時調整拱軸線的線型和特征，而且可以隨時調整拱肋節段長度和尺寸，以實現尺寸驅動和特征驅動.這樣極大地方便了對設計方案的調整，使前期橋型方案的快速確定變得十分便捷高效.

2.4 工程模板

CATIA軟件制作模板的關鍵就是確定輸入元素和輸入參數（見圖5）.通過定位元素與尺寸參數，將不同尺寸外觀大致相同的模型放置到不同的位置.對鋼構件建立工程模板，使構件可以成批量的裝配，大大減少工作量，并可形成參數化處理.輸入元素即模板的“輸入”可以為點、線、面、軸系等圖形組成，輸入參數是使模板在定位后調節外觀的重要元素.

由于建模思路的不同，輸入元素非唯一性，這需要發揮建模師的思維.對于平南某橋拱肋的模板，輸入元素為兩條上下拱軸線.因為拱橋的線型在實際施工時需要設置預拱度并根據工程實際進行調整，這就要求輸入元素是參數化的元素，而拱軸線已經做了參數化處理，二者完美的契合在一起.此外梁的長寬高、管徑等都可以設置參數，尺寸參數越豐富，模板生成的模型可變性和智能性也就越大.

對工程模板的實例化.首先打開工程模板，查看模板要輸入的元素，在需要插入工程模板的文件中創建所要輸入的元素.使用項目模板，根據模板選擇輸入元素，工程模板的實例化詳見圖6，點擊重復命令可連續使用模板.

2.5 總體裝配

對于結構的整體裝配，先要確定出各個構件的定位軸系.需要調出“Assembly Design”模塊，利用“工程鏈接—相合/固定”功能進行裝配和固定.如圖7所示，將橋梁的橋墩、主拱、吊桿、橋面及引橋等各個部件按軸系裝配成整體，根據不同的結構設置相應的材質、顏色，便于識別、美觀大氣.

3 模型應用與展示

3.1 工程算量

鋼管混凝土拱橋因相關部件較多且聯接復雜，要對各部件的工程量準確計算難度極大，而利用CATIA軟件則可快速準確地對各個構件的工程量進行計算和統計.

利用CATIA進行工程算量大致分兩種方法.一種是通過工具里的“測量項”命令，如圖8所示，可以得到選取構件的體積、面積與重力中心.它對于重疊的部分不會重復計算，而隱藏的部分會進行計算.另一種是通過工程量清單的電子數據表，可以顯示各個構件的體積和凈重，并能逐層展開（見圖9），然后導出到Excel表格方便進行排序、分析和計算，還可對特定的構件單獨查看，方便快捷、準確高效.需要注意的是，要利用電子數據表的功能必須在各個子級開始建模時設置參數、對體積進行公式測量，才能有后面拼裝后整體算量.

對于有多個厚板的構件需要手動測量，再進行編輯參數集.在工具中選中測量項，然后單擊厚板，完成測量，記錄數據.

3.2 碰撞檢查

在實際工程中碰撞分為硬碰撞和軟碰撞（間隙碰撞）兩種，硬碰撞是指實體與實體之間的交叉碰撞，軟碰撞是指實體間實際并沒有碰撞，但間距和空間無法滿足相關施工要求.下面就利用CATIA V6軟件進行橋梁吊裝的關鍵技術-碰撞干涉檢查技術進行應用介紹.

在“Assembly Design”模塊創建干涉模擬，對平南某橋主拱吊裝過程進行干涉模擬.在作圖區找到相應的碰撞位置（如圖10），在碰撞顯示窗口中顯示碰撞細節.干涉模擬默認為切割、無顏色過載、放大產品3個命令以及左上角的透明度命令.利用這4個命令方便觀察碰撞，物體切割可看到碰撞部件遮擋住的部分（碰撞部分顯示粗線）.

通過對平南某橋施工過程進行模擬，可實時地監督施工過程，進行碰撞干涉與誤差分析，較大程度地檢查復雜結構在設計上的紕漏.實際操作中將無顏色過載切換為顏色過載，可使兩個碰撞體顯示更鮮明（碰撞體變為黃藍，相交處為紅色）.將放大產品切換成放大干涉能迅速找到碰撞位置，上下文透明度可調節碰撞體以外的產品透明度，便于觀察.可在編輯規格中添加“間隙”選項（修改后需要更新干涉），查找間隙小于一定數值的產品，如圖11所示.

3.3 效果展示

在模型完成后，可選用CATIA V6軟件中自帶的效果切換工具，以達到更好展示的目的，也可以附上實際的地圖圖片作為相應的背景（圖12）.從圖12中可看出，附帶地形效果的三維立體圖呈現狀態良好，可視化程度較高.

利用BIM相關軟件中較高級的渲染效果應用，進一步為結構賦予材質，調整相應燈光與背景參數.這需要相當時間與相關專業的知識.渲染過后的整體三維立體圖如圖13所示，可以看出，橋梁的整體三維渲染效果可視性強，視覺沖擊力強；同時，軟件也提供了便捷的漫游功能，可用鍵盤的方向鍵和鼠標控制方向，進行全模型整體及細部瀏覽.

4 結論

本文利用CATIA V6軟件建立平南某橋的三維參數化實體模型，通過對建模方法及過程、模型的應用情況及效果展示，得出的結論如下：

1）CATIA V6軟件功能強大，將其優異的曲面、曲線造型應用于大跨度鋼管混凝土拱橋設計中，能完美模擬出拱橋特有的線形，使復雜構件連接融合，契合度高，科學準確.

2）利用該軟件建立平南某橋的三維參數化模型，可根據工程實際需要調整主拱肋線型方程及構件尺寸，提高模型的生成和修改速度，極大地方便設計方案的調整，使橋型方案的快速確定變得十分便捷高效.

3）應用基于該軟件的BIM技術，可準確進行工程量計算，能模擬施工過程，進行碰撞干涉與誤差分析，較大程度地檢查復雜結構在設計上的紕漏，檢驗設計是否符合工程要求，并提出修改建議，以減少返工進而提高經濟效益.

4）通過軟件進行全橋效果展示，可視化程度高，界面友好，漫游功能便捷，可用鍵盤的方向鍵和鼠標進行方向控制，全模型瀏覽良好，整體渲染效果生動形象，準確逼真.

由于Catia軟件功能強大，需要一定的平臺和服務器，故對于大型而復雜的項目，在整個模型的建立過程中，往往需要一個分工明確、配合默契的團隊才能順利完成.平南某橋依靠廣西路橋工程集團有限公司BIM技術中心，通過與廣西科技大學等高校合作，打造出“路橋-產學研”聯盟平臺，形成了專業的BIM技術應用與研發團隊，為大橋參數化模型的建立奠定了基礎.

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