基于BIM技術(shù)的復(fù)雜異形鋼拱橋深化設(shè)計(jì)

夏雨帆 楊 明 申 威

(中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 武漢 430100)

目前公路工程設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)維管理等過(guò)程還主要依賴于傳統(tǒng)的二維圖紙，尤其是在特大型復(fù)雜橋梁的設(shè)計(jì)中[1]。公路設(shè)計(jì)過(guò)程繁瑣、優(yōu)化過(guò)程復(fù)雜，施工過(guò)程困難多，構(gòu)造物的修建難度大。BIM技術(shù)以三維模型為核心，具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性、可出圖性、可預(yù)測(cè)性和可控制性等優(yōu)點(diǎn)[2]，在公路工程的深化設(shè)計(jì)中，體現(xiàn)出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

由于公路工程行業(yè)設(shè)計(jì)包含專業(yè)眾多，單個(gè)BIM軟件往往不能滿足具體項(xiàng)目的全部需求，需要多軟件配合使用。其中涉及到的主要BIM建模軟件各有優(yōu)劣：Autodesk Revit擅長(zhǎng)房建模型以及垂直結(jié)構(gòu)物的建立[3]，但是很難建立公路工程路橋模型；Autodesk Civil 3D(以下簡(jiǎn)稱為C3D)擅長(zhǎng)公路路基以及帶狀結(jié)構(gòu)物的建模，但是房屋以及鋼結(jié)構(gòu)精細(xì)化模型卻無(wú)法建立；Tekla軟件擅長(zhǎng)各類鋼結(jié)構(gòu)模型的建立及鋼結(jié)構(gòu)輔助出圖加工[4]，但是由于軟件功能的限制不能識(shí)別曲線，以及空間定位困難，普遍的做法是生成線框模型進(jìn)入Tekla軟件進(jìn)行建模。研究人員通常采用另行開(kāi)發(fā)軟件的方式獲取線框模型[5]。本文利用市面上常見(jiàn)的C3D軟件生成鋼拱橋空間線框模型，無(wú)需二次開(kāi)發(fā)即可導(dǎo)入Tekla軟件輔助定位，最終得到包含平縱曲線的復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)拱圈，以及各類鋼板、加勁肋等精細(xì)化模型，基于模型進(jìn)行深化設(shè)計(jì)應(yīng)用，節(jié)省了開(kāi)發(fā)成本，提高了工程設(shè)計(jì)質(zhì)量。

1 工程背景

河北某新建高速公路特大型鋼結(jié)構(gòu)主橋，總長(zhǎng)1 763 m，上部結(jié)構(gòu)為17×91 m的上承式鋼箱連拱結(jié)構(gòu)，其效果示意見(jiàn)圖1。橋梁線形平縱組合復(fù)雜，平面為緩和曲線+圓曲線+緩和曲線，縱面為凹曲線+人字坡。構(gòu)件外觀尺寸“大同小異”，不完全對(duì)稱的路線造成鋼結(jié)構(gòu)橋梁每一跨的構(gòu)件，都存在外觀形式一致，但具體尺寸有所差異的情況。構(gòu)件類型、數(shù)量多，全橋主要鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件約14萬(wàn)個(gè)。

圖1 橋梁效果示意圖

二維的平面圖、橫斷面圖均只截取橋梁少數(shù)特征截面出圖，在空間形態(tài)上無(wú)法完整展現(xiàn)，存在顯著的局限性。為保證模型精確性、深化應(yīng)用可行性，BIM團(tuán)隊(duì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了深入?yún)f(xié)作。BIM團(tuán)隊(duì)采用C3D基于路線設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維放樣，得到具體構(gòu)件的實(shí)際空間位置，基于三維放樣結(jié)果利用設(shè)計(jì)中間資料，開(kāi)展了精細(xì)構(gòu)件深化建模。建模過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的空間碰撞、標(biāo)注不清乃至圖紙錯(cuò)誤等問(wèn)題均及時(shí)向結(jié)構(gòu)團(tuán)隊(duì)反饋。

2 技術(shù)路線

按照設(shè)計(jì)思路，本橋梁主要結(jié)構(gòu)分為空腹區(qū)鋼箱梁、主拱圈、墩拱結(jié)合段及橋墩部分。由于橋墩部分由鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和少部分鋼結(jié)構(gòu)組成，而主拱圈及空腹區(qū)箱梁均為鋼板、加勁肋結(jié)構(gòu)，因此本項(xiàng)目定位線框模型分為2個(gè)部分進(jìn)行繪制。在建立各部分的關(guān)鍵線框模型后，基于線框的定位在Tekla軟件繪制精細(xì)化模型，最終使用本模型進(jìn)行后續(xù)深化設(shè)計(jì)應(yīng)用，結(jié)構(gòu)關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖2 橋梁結(jié)構(gòu)劃分圖

3 精細(xì)化模型的繪制

1) 橋墩及墩拱結(jié)合段。橋墩平面位置基于JSL-路線專家系統(tǒng)項(xiàng)目文件[6]提取對(duì)應(yīng)的樁號(hào)位置(其他路線設(shè)計(jì)軟件同理)，按照橋墩設(shè)計(jì)尺寸得到橋墩建模定位圖見(jiàn)圖3，用于導(dǎo)入Tekla建模。

圖3 橋梁下部結(jié)構(gòu)平面定位圖

橋墩部分結(jié)構(gòu)按照Tekla軟件沿垂直方向建模即可。墩拱結(jié)合段空間線形較簡(jiǎn)單，模型與橋墩一同繪制，見(jiàn)圖4。

圖4 主墩鋼-混結(jié)合段模型

2) 主拱圈及上部結(jié)構(gòu)。在深化建模過(guò)程中最復(fù)雜的為拱圈部分，其分為3個(gè)主要節(jié)段，拱肋G1段，拱肋G2段，拱肋G3段，見(jiàn)圖5。拱圈G1、G3段主要包括垂直于拱軸線的固定尺寸的橫隔板、人孔及長(zhǎng)度不一的加勁肋，頂板、底板、腹板。G2為拱梁結(jié)合段，橫隔板保持豎直、尺寸根據(jù)所在拱軸線的不同位置而變化，加勁肋有U形、I形，構(gòu)件種類多、尺寸不一。

圖5 主拱圈一般構(gòu)造圖

主拱圈建模過(guò)程中確定放樣線，根據(jù)既有設(shè)計(jì)文件已知路線中心線處的拱圈平面，在C3D軟件中繪制為路線平面，縱面數(shù)據(jù)則采用拱圈縱面數(shù)據(jù)作為路線縱面，為保證C3D中放樣的穩(wěn)定性，采用奇數(shù)、偶數(shù)跨分開(kāi)繪制縱斷面圖，見(jiàn)圖6。

圖6 拱圈縱斷面線形

采用C3D部件編輯器，繪制典型橫斷面輪廓、順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°后得到G1、G3區(qū)部件，部件主要包含了橫隔板、加勁肋等構(gòu)件定位點(diǎn)，見(jiàn)圖7。

圖7 G1、G3區(qū)部件

同理可繪制G2區(qū)拱梁結(jié)合段部件及空腹區(qū)鋼箱梁部件。

其中由于C3D進(jìn)行道路放樣時(shí)由部件創(chuàng)建的裝配截面始終會(huì)保持豎直方向，故對(duì)拱肋G1、G3區(qū)建模需要特殊處理，同時(shí)搭配使用圖7中順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°的部件斷面。操作時(shí)首先通過(guò)創(chuàng)建要素線命令將原拱軸中心線轉(zhuǎn)化為要素線，然后使用UCS命令自定義坐標(biāo)系，選取拱軸線起終點(diǎn)連線定位X軸，原Z軸定為Y軸，將要素線按照粘貼到原坐標(biāo)的方式復(fù)制至新建DWG文件中。在此坐標(biāo)系下通過(guò)要素線進(jìn)行道路模型的創(chuàng)建，其截面均垂直于拱軸線，橫隔板的位置通過(guò)添加測(cè)站的方式給予標(biāo)記，得到的G1、G3區(qū)域最終線框模型，中間屬于G2區(qū)域的部分刪除即可。

對(duì)于G2區(qū)域，以定義的中心拱圈為路線(放樣線)，拾取拱圈底部及頂部三維多段線作為C3D邏輯目標(biāo)，可以分別得到G2區(qū)線框模型，與得到的G1、G3區(qū)線框模型進(jìn)行整合。同理，在建立空腹區(qū)鋼箱梁線框模型時(shí)，以原設(shè)計(jì)線的平縱數(shù)據(jù)作為路線進(jìn)行放樣，得到線框模型。

通過(guò)整合處理上述線框模型，得到最終主橋線框模型，以其中兩跨為例導(dǎo)入Tekla軟件，效果見(jiàn)圖8，最終繪制得到Tekla模型見(jiàn)圖9。

圖8 制作完成的線框模型

圖9 最終得到Tekla精細(xì)化模型

4 深化設(shè)計(jì)應(yīng)用成果

主橋17跨拱肋實(shí)際受平面曲線影響，單段拱肋曲線參數(shù)、構(gòu)件尺寸均有差異，平面二維圖紙難以完整表達(dá)。基于二維圖紙的工程量統(tǒng)計(jì)不可避免地存在憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行部分估算的情況。根據(jù)以往鋼結(jié)構(gòu)橋梁項(xiàng)目情況來(lái)看，設(shè)計(jì)工程量與實(shí)際工程量存在一定誤差。本項(xiàng)目建立符合實(shí)際的三維精細(xì)模型，生成工程量統(tǒng)計(jì)報(bào)告，減少了誤差，使設(shè)計(jì)工程量更接近實(shí)際投料數(shù)量，為工程量清單的編制提供了更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐，節(jié)約了項(xiàng)目建設(shè)成本。

主橋異形構(gòu)件多且密集，構(gòu)件相互間難免出現(xiàn)空間碰撞，而在圖紙中又難以發(fā)現(xiàn)，因此可能導(dǎo)致施工階段出現(xiàn)施工困難或變更的情況。利用模型進(jìn)行碰撞檢測(cè)能很好地輔助設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)和及時(shí)修正不合理設(shè)計(jì)。

拱梁結(jié)合段中存在大量的變截面過(guò)渡段鋼構(gòu)件，建模過(guò)程中對(duì)構(gòu)件之間的空間關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化，避免碰撞，并將結(jié)果反饋至設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，進(jìn)行圖紙優(yōu)化，避免后期變更產(chǎn)生的各類建設(shè)成本。

利用Tekla軟件進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)精細(xì)化出圖，可有效提高鋼廠加工生產(chǎn)效率及下料的準(zhǔn)確度。

5 結(jié)語(yǔ)

本文利用Autodesk Civil 3D軟件生成鋼拱橋空間線框模型，導(dǎo)入Tekla，建立得到包含平、縱曲線的鋼結(jié)構(gòu)拱圈及各類鋼板、加勁肋的精確模型，并進(jìn)行了深化設(shè)計(jì)應(yīng)用。充分發(fā)揮了市面上既有軟件的優(yōu)勢(shì)，無(wú)須額外開(kāi)發(fā)工具便能繪制出復(fù)雜異形鋼拱橋模型，保證了模型建立精度，極大地減少企業(yè)研發(fā)時(shí)間成本及資金成本，可為類似工程的深化設(shè)計(jì)提供參考。