基于CATIA 的斜拱塔斜拉橋設(shè)計

張 恒

（同濟大學建筑設(shè)計研究院（集團）有限公司，上海 200092）

1 引言

1.1 斜拱塔斜拉橋

隨著城市建設(shè)的發(fā)展， 標志性的景觀橋梁已成為現(xiàn)代城市建設(shè)的重要組成部分。在城市橋梁中，斜拉橋以其纖細的結(jié)構(gòu)， 高聳的橋塔， 多變的造型成為中等跨徑(100～400 m)最常選擇的橋型之一。其中，斜塔斜拉橋和拱塔斜拉橋均是20 世紀90 年代左右出現(xiàn)的橋型， 絕大多數(shù)坐落于城市核心區(qū)域， 建成后均成為了城市地標性建筑，深受建設(shè)方、設(shè)計者、使用者的青睞。

斜拱塔斜拉橋兼具斜塔斜拉橋和拱塔斜拉橋的優(yōu)點，其造型獨特優(yōu)美，特別適用于城市中小跨徑、跨越較寬水域的景觀橋梁。 斜拱塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系的受力更偏向于斜塔斜拉橋，拱形橋塔可以作為單獨的受力構(gòu)件，不計入體系受力分析。

1.2 CATIA 簡述

隨著計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，BIM 技術(shù)以其在策劃、設(shè)計、施工、管理、運營、維護的工程全生命周期中體現(xiàn)的延續(xù)性和高效性， 成為現(xiàn)代大型工程建設(shè)發(fā)展的新方向。

CATIA 是法國達索公司的產(chǎn)品， 最初主要應(yīng)用于機械、汽車與航空航天等領(lǐng)域，隨著對橋梁構(gòu)件設(shè)計外形精度和平滑性的要求越來越高，CATIA 的空間曲面設(shè)計優(yōu)勢被越來越多的設(shè)計師認可并逐漸應(yīng)用于橋梁設(shè)計工作中。

2 工程實例

本項目為開封市東京大道跨運糧河橋， 主橋采用斜拱塔斜拉橋，跨徑組合為(55+112+60)m,橫斷面寬為52 m；主梁采用混凝土雙主梁結(jié)構(gòu)，跨中和邊支點梁高3.0 m，墩頂梁高6.5 m。 總體布置見圖1。

橋塔為鋼結(jié)構(gòu)斜拱塔，主塔采用六邊形斷面，單根索塔邊跨設(shè)置3 根尾索，跨中為8 根；全橋共22 根斜拉索。

圖1 總體布置(單位：m)

2.1 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

2.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

(1)主梁

主梁為變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁， 采用C55 混凝土。 主梁結(jié)構(gòu)邊支點及中跨跨中位置梁高為3.0m，中支點梁高為6.5m；單側(cè)橫斷面采用單箱四室形式，單側(cè)箱梁底部凈寬為18.5m；雙主梁凈距10.5m。 主梁斷面見圖2。

圖2 主梁斷面(單位：mm)

主橋預(yù)應(yīng)力鋼束腹板束采用雙排布置， 在加厚腹板位置采用雙排錨固；懸澆束在懸臂施工節(jié)段端部錨固，合攏處設(shè)置頂板束、底板束。

(2)主塔

索塔為鋼結(jié)構(gòu)斜置橋塔，其中高塔高度為70m，與豎直面傾角16°，西側(cè)較低塔高度為55m，傾角為20°；索塔截面考慮景觀效果，選用六邊形斷面，外腹板延伸出構(gòu)造兼作為裝飾結(jié)構(gòu)附著面。

(3)基礎(chǔ)設(shè)計

主塔基礎(chǔ)與主梁基礎(chǔ)由系梁連接， 全橋基礎(chǔ)采用鉆孔樁基礎(chǔ)，承臺厚3m，樁徑1.5m。

拱座構(gòu)造與拱塔空間線型順接， 既是拱腳的錨固構(gòu)造，也是拱塔立面造型的延伸。 拱座內(nèi)預(yù)埋反力架，拱座表面應(yīng)預(yù)留立面裝飾結(jié)構(gòu)預(yù)埋件。 全橋斷面布置見圖3。

(4)裝飾結(jié)構(gòu)

本橋外立面裝飾主要設(shè)置在拱塔外腹板、主梁側(cè)面，采用厚10 mm 薄板，以及間隔80 cm 的10×100 mm 薄鋼板加勁。裝飾施工應(yīng)預(yù)先廠內(nèi)放樣裝飾隔板形狀，作為現(xiàn)場施工時裝飾外立面的定位點。

2.1.2 計算分析

本例采用Midas/Civil2017 程序建立梁單元模型進行分析，結(jié)構(gòu)計算模型如圖4 所示。

圖4 計算模型

通過結(jié)構(gòu)計算分析， 得到各構(gòu)件關(guān)鍵部位的最不利內(nèi)力值，見表1～3。

表1 主梁上下緣正應(yīng)力(MPa)

表2 主塔計算結(jié)果

表3 支反力匯總(MPa)

根據(jù)計算結(jié)果， 主梁、 主塔結(jié)構(gòu)響應(yīng)均滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)安全可靠。

2.2 施工方案

本橋的施工要點為鋼結(jié)構(gòu)橋塔施工， 考慮到開封當?shù)匾延卸鄠€豎轉(zhuǎn)施工橋塔實例，有豐富的施工經(jīng)驗，本例優(yōu)先選擇豎向轉(zhuǎn)體施工。具體的施工步驟是：在橋面或場地上設(shè)置胎架，并在拱座處設(shè)置轉(zhuǎn)動鉸軸，鋼結(jié)構(gòu)拱塔在工廠內(nèi)制作后分節(jié)段運送至工地，在胎架上焊接、拼裝成型；設(shè)置提升龍門架或塔架，采用同步提升技術(shù)，將拼裝后的鋼結(jié)構(gòu)拱塔提升豎轉(zhuǎn)到位，完成主塔施工。

該施工方法大量的工作在地面或橋面平面進行，其裝配精度、焊接質(zhì)量均能得到較好的保證，在檢測上也更具有可行性。

3 基于CATIA 的復雜空間結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 本橋設(shè)計的難點

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算分析， 本橋的結(jié)構(gòu)體系相對簡單，設(shè)計難點主要體現(xiàn)在：(1)本橋采用的傾斜鋼結(jié)構(gòu)拱塔，其外形及索塔內(nèi)板件、錨固構(gòu)造的設(shè)計均為復雜空間結(jié)構(gòu)，放樣與復核的難度大，圖紙量大；(2)本橋主塔與主梁間的裝飾板外形，是全橋景觀效果成功呈現(xiàn)的關(guān)鍵，其外形的設(shè)計和比選使用傳統(tǒng)設(shè)計軟件難以實現(xiàn)；(3)本項目的外部影響因素較為復雜，設(shè)計變更可能性大。

3.2 CATIA 設(shè)計應(yīng)用

針對本例的設(shè)計難點，采用傳統(tǒng)的AutoCAD 設(shè)計流程，會導致誤差過大、圖紙制作工作量和變更返工量巨大的問題；對于復雜的扭轉(zhuǎn)曲面，AutoCAD 無法實現(xiàn)此類空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計；而對于重大設(shè)計變更，傳統(tǒng)的低參數(shù)設(shè)計模型受到的影響無異于推翻重做，返工量過大。

基于以上原因，本例選擇應(yīng)用CATIA 軟件進行本橋復雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計工作。

3.2.1 拱塔模型的建立

建立拱塔模型的主要步驟如下：(1)定義拱塔截面及變化參數(shù)，建立引導線和結(jié)構(gòu)脊線，通過程序的三維掃掠功能生成拱塔外形；(2)補充塔內(nèi)加勁肋、板件、錨固隔板等；(3)通過三維拼接完成主塔及全橋模型。 模型裝配見圖5。

3.2.2 塔內(nèi)隔板碰撞檢查

本橋的斜拱塔構(gòu)造，導致每根斜拉索的角度、出索點位置均各不相同，近主塔側(cè)的塔內(nèi)隔板的拉索角度較小，從而易產(chǎn)生與橫隔板的碰撞問題。程序建模完成后，可以通過模型中的群組選擇功能， 直觀地檢查板件碰撞情況及完成板件施工空間復核工作。 碰撞檢查示意見圖6。

CATIA 軟件更為便捷的是， 在發(fā)現(xiàn)問題后可以實時在模型中做動態(tài)調(diào)整， 其相關(guān)性的修改內(nèi)容可自動在三維模型中實現(xiàn)匹配更新。

3.2.3 平面圖紙生成與工程量統(tǒng)計

(1)平面圖紙的生成

當前， 設(shè)計產(chǎn)品的提交和展示仍以紙質(zhì)平面圖紙為主，如何完成CATIA 模型到設(shè)計圖紙的出品，也是設(shè)計人員需要著重考慮的問題。

本例中，利用CATIA 與AutoCAD 的交互功能，可以實現(xiàn)由CATIA 模型對任意角度平面、剖面的AutoCAD 文件生成工作， 再通過傳統(tǒng)AutoCAD 中的設(shè)計工具進行簡單標注和計量，完成二維圖紙的繪制。 主塔平面示意見圖7。

圖7 主塔平面示意

(2)不規(guī)則板件工程量統(tǒng)計

CATIA 的精細建模功能保證了其程序內(nèi)部統(tǒng)計板件工程量的精度， 可以作為設(shè)計人員計算工程量的復核參考。 模型工程量計算示意見圖8。

圖8 模型工程量計算示意

3.2.4 CATIA 模型與有限元計算軟件的交互

當前的設(shè)計工作中，結(jié)構(gòu)計算需要在繪制了CAD 圖紙后，重新在分析軟件中新建計算模型，但往往由于軟件本身對復雜結(jié)構(gòu)建模的功能有限， 給準確建模帶來了較大的困難和重復工作量。本例中，設(shè)計人員在建模時即對結(jié)構(gòu)進行了細致分組。模型完成后，只需對其進行分類簡化，即可實現(xiàn)由CATIA 模型到Abaqus 的模型轉(zhuǎn)換，大大提高了建模效率。經(jīng)過與手動建模的計算模型比對，計算結(jié)果準確可靠。 Abaqus 計算模型示意見圖9。

3.2.5 裝飾結(jié)構(gòu)設(shè)計

本橋主塔與主梁外側(cè)的裝飾鋼結(jié)構(gòu)， 是全橋景觀效果呈現(xiàn)的關(guān)鍵部位。 設(shè)計人員運用了CATIA 軟件強大的空間截面控制性擬合功能，通過調(diào)整各類擬合原則，進行了多種空間外形比較， 并在與鋼結(jié)構(gòu)廠家進行模型的對接后，結(jié)合廠家的建議，完成了主塔至主梁側(cè)空間扭面板件的合理拼接。 裝飾結(jié)構(gòu)外形擬合示意見圖10。

圖9 Abaqus 計算模型示意

圖10 裝飾結(jié)構(gòu)外形擬合示意

4 結(jié)語

4.1 小結(jié)

本文介紹了利用CATIA 軟件進行斜拱塔斜拉橋的工程實例，完成了復雜截面的建模、碰撞校核、結(jié)構(gòu)設(shè)計等工作，解決了一些基于傳統(tǒng)設(shè)計方法中較棘手的問題，為今后復雜結(jié)構(gòu)物的設(shè)計工作拓展了思路。 主要總結(jié)如下：(1) 對于異形復雜空間結(jié)構(gòu)，CATIA 具有精度更高，可視化、結(jié)構(gòu)參數(shù)化率更高的優(yōu)點；(2)CATIA 軟件自帶的工程制圖模塊，可以將三維模型直接生成平面圖紙，并且實現(xiàn)模型與圖紙的聯(lián)動更新，省去了傳統(tǒng)AutoCAD 設(shè)計方法在處理結(jié)構(gòu)調(diào)整和變更時帶來的巨大制圖和返工量；(3)CATIA 可以與有限元計算軟件實現(xiàn)模型數(shù)據(jù)， 可快速進行結(jié)構(gòu)定性分析。

4.2 展望

拱型斜塔斜拉橋在現(xiàn)代城市橋梁中， 有其得天獨厚的優(yōu)勢，但其結(jié)構(gòu)體系和構(gòu)造細節(jié)，還需要設(shè)計者在實踐中不斷的探索和總結(jié)。

隨著BIM 技術(shù)應(yīng)用的普及，設(shè)計師的思想需要從傳統(tǒng)的施工圖設(shè)計中轉(zhuǎn)變過來， 即從以結(jié)果為導向的傳統(tǒng)思想向以全過程為導向的、 邏輯性高度嚴密的程序化思想過渡。 本文基于CATIA 軟件對斜拱塔斜拉橋設(shè)計進行分析，隨著BIM 技術(shù)的發(fā)展，如何將其更好地運用于橋梁設(shè)計，還需更多的工程實踐來驗證。