基于CATIA的橋梁BIM正向設(shè)計(jì)應(yīng)用

張恒

【摘 要】隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，BIM技術(shù)已經(jīng)成為工程建設(shè)中不可或缺的部分。BIM技術(shù)可以應(yīng)用于橋梁工程的全生命周期中，對(duì)于構(gòu)造復(fù)雜的景觀橋橋梁結(jié)構(gòu)，采用傳統(tǒng)的基于AutoCAD軟件的設(shè)計(jì)方法，往往不能高效地完成圖紙制作、空間復(fù)核、結(jié)構(gòu)調(diào)整等設(shè)計(jì)工作。本例介紹了基于CATIA軟件進(jìn)行橋梁BIM正向設(shè)計(jì)的工程實(shí)例。

【關(guān)鍵詞】BIM技術(shù);CATIA軟件;正向設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： U412.3;U452.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）25-0010-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.25.004

0 引言

（1）BIM技術(shù)和應(yīng)用簡(jiǎn)述

與傳統(tǒng)項(xiàng)目周期和流程相比，BIM技術(shù)在工程設(shè)計(jì)、施工、管理、運(yùn)營、維護(hù)的全生命周期中體現(xiàn)的延續(xù)性和高效性，使其越來越受到建設(shè)方的青睞。當(dāng)前，BIM技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于市政工程、道路工程、管線工程、橋梁工程等項(xiàng)目的全生命周期中;在復(fù)雜橋梁工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域，BIM技術(shù)也已經(jīng)開始嶄露頭角。

（2）項(xiàng)目背景

本項(xiàng)目為跨越某城市調(diào)蓄湖區(qū)的景觀橋梁，主橋?yàn)榭鐝?5+112+60m的斜拱塔斜拉橋，橋?qū)?2m。主梁采用雙主梁結(jié)構(gòu)，邊支點(diǎn)及主跨跨中梁高為3.0m，中支點(diǎn)梁高為6.5m;單側(cè)主梁橫斷面為單箱四室;雙主梁間凈距10.5m。

橋梁索塔為傾斜鋼拱塔，東側(cè)塔高70m，與鉛垂面傾角16°，西側(cè)塔高55m，與鉛垂面傾角20°;索塔截面為六邊形斷面，折線外腹板通過折線點(diǎn)塑造拱塔外立面線型;外腹板延伸作為裝飾結(jié)構(gòu)附著面，拉索在拱塔內(nèi)錨固采用錨梁結(jié)構(gòu)。

1 基于CATIA軟件的橋梁結(jié)構(gòu)正向設(shè)計(jì)

1.1 基礎(chǔ)AutoCAD的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程簡(jiǎn)述

當(dāng)前，橋梁設(shè)計(jì)工作中最普及的設(shè)計(jì)軟件仍以AutoDesk公司的設(shè)計(jì)繪圖軟件AutoCAD為主，傳統(tǒng)的利用AutoCAD進(jìn)行三維空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要流程為：

1.1.1 利用AutoCAD建立結(jié)構(gòu)模型

（1）根據(jù)設(shè)計(jì)要求，繪制結(jié)構(gòu)軸線;

（2）通過“以直代曲”的思路，進(jìn)行截面放樣后，通過截面掃掠和擬合功能繪制結(jié)構(gòu)外形，或利用Autolisp編寫程序進(jìn)行參數(shù)化圖形繪制;

（3）在模型中逐個(gè)繪制結(jié)構(gòu)內(nèi)部隔板、錨固隔板等細(xì)部構(gòu)造。

1.1.2 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的主要痛點(diǎn)

（1）采用傳統(tǒng)的“以直代曲”方法，除了建模效率低以外，也會(huì)帶來微小的尺寸誤差，該誤差將隨著迭代次數(shù)的增加而放大，最終導(dǎo)致多次迭代后產(chǎn)生工程上無法允許的錯(cuò)誤;

（2）建立的模型不易修改，設(shè)計(jì)過程中一旦因內(nèi)外部條件的變化導(dǎo)致結(jié)構(gòu)外形變化，修改難度很大，基本需要重新建模。

（3）受軟件本身功能的限制，空間曲面擬合功能無法實(shí)現(xiàn)，對(duì)部分異形空間曲面無法準(zhǔn)確建立模型。

1.2 基于CATIA軟件的結(jié)構(gòu)模型的建立

1.2.1 CATIA軟件簡(jiǎn)介

CATIA是法國達(dá)索公司的產(chǎn)品，作為PLM協(xié)同解決方案的一個(gè)重要組成部分，它可以通過建模幫助制造廠商設(shè)計(jì)他們未來的產(chǎn)品，并支持從項(xiàng)目前階段、具體的設(shè)計(jì)、分析、模擬、組裝到維護(hù)在內(nèi)的全部工業(yè)設(shè)計(jì)流程。

CATIA在工程領(lǐng)域的主要應(yīng)用點(diǎn)為：

（1）三維可視化，生成三維景觀效果圖;（2）多人協(xié)同設(shè)計(jì)，三維打印模型;（3）生成二維圖紙，材料數(shù)量表;（4）復(fù)雜構(gòu)造可視化，提前發(fā)現(xiàn)碰撞問題;（5）直接導(dǎo)出三維模型進(jìn)行有限元計(jì)算;（6）施工模擬動(dòng)畫，應(yīng)用于施工方案設(shè)計(jì)等。

1.2.2 CATIA在本橋設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

在本項(xiàng)目中，利用CATIA軟件對(duì)混凝土主梁、斜拉索、拱塔進(jìn)行了建模，并對(duì)鋼結(jié)構(gòu)拱塔、裝飾結(jié)構(gòu)進(jìn)行了精細(xì)化設(shè)計(jì)。

（1）變高連續(xù)梁參數(shù)化設(shè)計(jì)

箱梁外輪廓以及內(nèi)箱室實(shí)現(xiàn)參數(shù)化：截面尺寸用參數(shù)表達(dá)，可根據(jù)設(shè)計(jì)需要進(jìn)行編輯。

（2）變截面拱塔外形設(shè)計(jì)

通過拱腳截面的參數(shù)化定義以及引導(dǎo)線與脊線的定義，掃掠出拱塔外形。

（3）變截面拱塔內(nèi)部板件設(shè)計(jì)

通過Catia精細(xì)化設(shè)計(jì)拱塔的縱肋，普通橫隔板，錨固隔板，拱腳過渡隔板。

（4）裝配成橋梁整體

通過Catia裝配模塊將各個(gè)零部件裝配成整體。

2 基于CATIA模型的正向設(shè)計(jì)應(yīng)用

2.1 錨固隔板與普通隔板碰撞檢查分析

在特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，往往容易出現(xiàn)常規(guī)結(jié)構(gòu)不常遇到的問題。例如本例中的錨固隔板被普通隔板切斷后長度不夠、錨固隔板進(jìn)塔邊緣與普通隔板間距過小、錨固隔板腹板交線邊緣與普通隔板間距過小等問題。

本工程拱塔在采用CATIA建模后，可以直觀地進(jìn)行碰撞檢查;更重要的是，可以直接通過參數(shù)的修改，快速修改模型。

2.2 CATIA模型與AutoCAD軟件的交互

當(dāng)前的設(shè)計(jì)工作中，設(shè)計(jì)產(chǎn)品的提交依然以紙質(zhì)的二維圖紙為主，所以模型到設(shè)計(jì)產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換對(duì)于設(shè)計(jì)人員也是需要著重考慮的問題之一。

CATIA提供全面的與AutoCAD交互轉(zhuǎn)換功能，可以實(shí)現(xiàn)由CATIA模型直接導(dǎo)出二維、三維圖紙的操作，使設(shè)計(jì)人員可以直觀、方便的進(jìn)行圖紙繪制和加工工作。

2.3 CATIA模型與有限元計(jì)算軟件的交互

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作中，設(shè)計(jì)制圖與結(jié)構(gòu)計(jì)算的工作是分開的，這帶來了大量的工作量重復(fù);本例中，設(shè)計(jì)人員利用CATIA便捷的結(jié)構(gòu)分組功能，對(duì)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化后，實(shí)現(xiàn)了由CATIA模型到ABAQUS有限元計(jì)算軟件的模型轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行了拱塔結(jié)構(gòu)的有限元實(shí)體分析，大大減少了結(jié)構(gòu)計(jì)算建模的時(shí)間，提高了設(shè)計(jì)工作效率。

2.4 板件工程量統(tǒng)計(jì)

由于使用CATIA建模對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的參數(shù)化要求，當(dāng)設(shè)計(jì)參數(shù)確定時(shí)，相應(yīng)板件的工程量也可以方便的導(dǎo)出，方便設(shè)計(jì)人員進(jìn)行工程量統(tǒng)計(jì)。

2.5 裝飾結(jié)構(gòu)的正向設(shè)計(jì)

主塔及主梁外的裝飾結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是本橋景觀效果實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，由于裝飾結(jié)構(gòu)的特殊性，如何實(shí)現(xiàn)裝飾結(jié)構(gòu)合理性和景觀效果的統(tǒng)一是設(shè)計(jì)考慮的關(guān)鍵因素。

本例中，設(shè)計(jì)人員選用CATIA提供的空間截面的控制性擬合功能，結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)制作廠家的工藝要求，實(shí)現(xiàn)了空間曲面的合理拼接，為裝飾結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)最終的效果提供了重要保證。

3 結(jié)語

本項(xiàng)目利用CATIA三維設(shè)計(jì)軟件，對(duì)較復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)建模，并用于設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的校核、設(shè)計(jì)圖紙繪制、工程量的統(tǒng)計(jì)、局部計(jì)算分析的探索，解決了一些利用傳統(tǒng)技術(shù)手段較為繁瑣、可視化程度較差的技術(shù)問題，為類似結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作提供了新的思路，對(duì)傳統(tǒng)的AutoCAD設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了補(bǔ)充和完善。主要總結(jié)為以下幾點(diǎn)：

（1）對(duì)較為復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)建模，利用CATIA軟件比AutoCAD具有精度高、全參數(shù)化設(shè)計(jì)、可視化程度高的優(yōu)勢(shì)。

（2）利用CATIA軟件可與傳統(tǒng)的Autocad建模方法互為補(bǔ)充，利用CATIA建立的三維模型生成的二維、三維圖紙，經(jīng)完善后可以作為設(shè)計(jì)圖紙交付;且與模型實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)更新，減少因設(shè)計(jì)修改帶來的大量圖紙修改工作量。

（3）模型文件可以直接導(dǎo)入有限元計(jì)算軟件中進(jìn)行實(shí)體有限元分析，可作為局部定性計(jì)算的參考依據(jù)。

（4）為今后類似橋梁BIM模型積累了經(jīng)驗(yàn)，提供了參考。

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