復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)航道斜拉橋主塔BI M正向設(shè)計(jì)探索

江軍，汪東明，陳飛宇，劉廷杰

(1.華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，南京 210005；2.昆山市交通工程發(fā)展中心，江蘇 昆山 215300)

1 引言

航道橋梁在規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工過(guò)程中，不僅需要降低其對(duì)通航、泄洪的影響，而且需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐淖匀缓腿宋木坝^打造特色地標(biāo)，因而航道橋整體的景觀設(shè)計(jì)要求較高。 采用空間曲線異形造型的方案對(duì)設(shè)計(jì)而言難度較大， 且二維圖紙本身無(wú)法完整準(zhǔn)確地表達(dá)設(shè)計(jì)意圖，往往會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)漏碰缺等現(xiàn)象及多專業(yè)方案變更， 對(duì)設(shè)計(jì)開展進(jìn)度和后續(xù)加工造成較大影響[1-3]，如何解決上述問題顯得尤為重要。

基于BIM 技術(shù)打通設(shè)計(jì)中景觀、結(jié)構(gòu)與附屬等各專業(yè)間和專業(yè)內(nèi)的孤立狀態(tài)， 替換各專業(yè)之間依舊采用人工溝通和紙質(zhì)傳遞資料等低效率的模式，BIM 正向設(shè)計(jì)是將設(shè)計(jì)理念和思路直接呈現(xiàn)在三維空間中，使各專業(yè)相互協(xié)作，結(jié)合驗(yàn)算結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整優(yōu)化，確定最佳的設(shè)計(jì)參數(shù)，最后生成具體的二維圖。 通過(guò)各專業(yè)的協(xié)同工作減少后期變更次數(shù)，提高各專業(yè)的溝通效率，促進(jìn)橋梁工程全壽命周期的信息傳遞，節(jié)約項(xiàng)目成本。 采用BIM 正向設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于將項(xiàng)目全部構(gòu)件、部件模塊實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)，方案優(yōu)化、自動(dòng)出圖及安全性驗(yàn)算無(wú)縫關(guān)聯(lián)和同步優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化設(shè)計(jì)。

2 復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)航道橋梁設(shè)計(jì)難點(diǎn)

航道橋梁與常規(guī)的公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁存在著一定的差異，公路鋼結(jié)構(gòu)橋設(shè)計(jì)追求標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)化施工，而航道橋更多是從美學(xué)角度出發(fā)，打造地標(biāo)性建筑，故而其構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化程度相對(duì)較低。 航道橋梁的主要特點(diǎn)有以下幾方面。

1）造型獨(dú)特，傳統(tǒng)二維圖紙難以表達(dá)空間位置關(guān)系。 航道橋梁對(duì)美學(xué)的要求較高，造型往往獨(dú)特優(yōu)美，且多以漸變型曲面為主。 主塔的造型相對(duì)于傳統(tǒng)橋梁，表現(xiàn)出了足夠的張力，彎曲度大的塔節(jié)段，平面要素難以指導(dǎo)施工，各構(gòu)件之間的相對(duì)關(guān)系表達(dá)不充分，設(shè)計(jì)難度加大。

2）塔與拉索連接處的相對(duì)位置會(huì)發(fā)生改變，設(shè)計(jì)質(zhì)量難以控制。 拉索與主塔腹板等位置的關(guān)系隨著錨固點(diǎn)位置的升高， 其與斜拉索的預(yù)留管與腹板間橫向加強(qiáng)板件的空間關(guān)系會(huì)發(fā)生變化， 而傳統(tǒng)手段無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)預(yù)留管與板件的相對(duì)關(guān)系，對(duì)設(shè)計(jì)成果質(zhì)量難以控制。

3）鋼混結(jié)合處加強(qiáng)件多，構(gòu)造復(fù)雜，設(shè)計(jì)優(yōu)化切入點(diǎn)難以發(fā)覺。 主塔與主梁之間往往以固結(jié)的方式連接，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮鋼箱梁的位置，特別是當(dāng)主塔處于不對(duì)稱狀態(tài)時(shí)，左右塔柱節(jié)點(diǎn)的加強(qiáng)件位置、大小均有所不同，構(gòu)造復(fù)雜，設(shè)計(jì)人員對(duì)其沒有直觀的了解，較難找到潛在的優(yōu)化切入點(diǎn)，影響設(shè)計(jì)質(zhì)量。

4）空間曲面多，工程量統(tǒng)計(jì)難度大。 當(dāng)主塔彎曲度較大時(shí)，節(jié)段各板件的最終狀態(tài)多以曲面的形式展現(xiàn)，而傳統(tǒng)的工程算量多針對(duì)規(guī)則的幾何外形或平面形狀， 對(duì)于空間彎曲的板件，較難做到精確計(jì)量，對(duì)于各板件的統(tǒng)計(jì)難度較大，工程量往往統(tǒng)計(jì)不準(zhǔn)或不及時(shí)， 而工程量的統(tǒng)計(jì)不僅會(huì)影響到主塔節(jié)段的劃分，還會(huì)影響到工程造價(jià)。

3 BI M設(shè)計(jì)要點(diǎn)

針對(duì)上述復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)航道橋梁的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，利用BIM 技術(shù)，結(jié)合橋梁的設(shè)計(jì)要素，提出了以下BIM 設(shè)計(jì)要點(diǎn)：（1）采用“骨架+ 模板”的自上而下的設(shè)計(jì)思路，探索完善項(xiàng)目骨架制度；（2）構(gòu)建最小模板單元，多個(gè)小模板組成適合的大模板，提高模板利用率；（3）制作板件展開模板，提高曲面展開效率，快速表達(dá)設(shè)計(jì)意圖；（4） 優(yōu)化出圖模板， 提前優(yōu)化出圖視角；（5）構(gòu)建參數(shù)驅(qū)動(dòng)性，提高項(xiàng)目的可操作性。

4 工程概況

本項(xiàng)目依托工程為申張線青陽(yáng)港航道整治工程震川橋。申張線航道是國(guó)家高等級(jí)航道，也是江蘇省干線航道，蘇南地區(qū)重要的通江航道，規(guī)劃等級(jí)為三級(jí)。 主橋采用90 m+140 m非對(duì)稱獨(dú)塔斜拉橋， 震川橋BIM 模型如圖1 所示。

圖1 震川橋BI M模型

5 主塔BI M正向設(shè)計(jì)

5.1 骨架設(shè)計(jì)

橋梁設(shè)計(jì)的思路充分體現(xiàn)在橋梁總體骨架創(chuàng)建過(guò)程中，優(yōu)先確定各關(guān)鍵點(diǎn)的連接方式和位置關(guān)系，再確定塔、梁、索的標(biāo)準(zhǔn)斷面或樣式，確定橋梁總體布置情況。 橋梁總體骨架主要由點(diǎn)、線、面等簡(jiǎn)單元素構(gòu)成，事先確定好各構(gòu)件之間的相對(duì)位置關(guān)系，各構(gòu)件則參考骨架元素進(jìn)行建模，最后直接組合成為整體模型。

5.2 橫隔板設(shè)計(jì)

橫隔板是鋼塔柱中重復(fù)出現(xiàn)最多的構(gòu)件。 鋼塔橫隔板的建立與鋼箱梁橫隔板有所區(qū)別， 鋼塔橫隔板是以骨架線和輪廓面為基礎(chǔ)，與塔柱在同一層級(jí)，單獨(dú)作為產(chǎn)品與塔柱形成最終的產(chǎn)品。

橫隔板包含了隔板、加勁、管線孔、人孔等構(gòu)造，將這些零件作為一個(gè)整體定義成模板，直接將其批量實(shí)例化。 各類隔板之間的主要差別體現(xiàn)在隔板尺寸和厚度、加勁尺寸和厚度及定位上。 圖2 為橫隔板模板及其在鋼塔柱中實(shí)例化的結(jié)果。

圖2 鋼塔柱變化段隔板實(shí)例化模型

5.3 節(jié)段設(shè)計(jì)

鋼塔柱節(jié)段之間相似性較高， 采用參數(shù)化和模板實(shí)例化功能可有效提高設(shè)計(jì)效率。 為簡(jiǎn)化鋼塔柱建模流程，鋼塔柱正向設(shè)計(jì)分為變化段和標(biāo)準(zhǔn)段設(shè)計(jì)兩大部分， 每部分制定對(duì)應(yīng)節(jié)段模板，模板內(nèi)包含節(jié)段模型和相應(yīng)的圖紙，通過(guò)實(shí)例化可快速得到鋼塔柱每一個(gè)節(jié)段模型和圖紙。

鋼塔柱的建模仍采用骨架線和輪廓面的設(shè)計(jì)模式， 即將鋼塔柱截面角點(diǎn)用線元素連接，形成定位截面尺寸的骨架線，并建立骨架線之間的輪廓面，確定鋼塔柱外輪廓。 在共用骨架線基礎(chǔ)上進(jìn)行鋼塔柱的工作分解， 使得各設(shè)計(jì)人員可以并行工作，進(jìn)一步提高工作效率，縮短工作周期，基于骨架線的主塔節(jié)段模型如圖3 所示。

圖3 主塔節(jié)段模型

5.4 拉索設(shè)計(jì)

梁上拉索骨架線的作用是確定錨箱的空間位置， 錨箱模型也是根據(jù)梁上拉索線而來(lái)的。 拉索在軸向拉力和重力作用下，空中線形為懸鏈線，拉索在塔梁處的夾角與理論直線狀態(tài)存在偏差，因此，需要經(jīng)過(guò)修正得到真實(shí)的梁上和塔上拉索夾角，然后得到最終狀態(tài)的梁上拉索線。 圖4 為拉索模型及拉索線設(shè)計(jì)表。

圖4 拉索模型及拉索線設(shè)計(jì)表

梁上錨點(diǎn)和拉索線在方案設(shè)計(jì)或初步設(shè)計(jì)時(shí)不需要準(zhǔn)確坐標(biāo)，由于坐標(biāo)數(shù)據(jù)在設(shè)計(jì)表格文檔中，后期可以通過(guò)更改表中數(shù)據(jù)快速更新錨點(diǎn)在模型中的位置。

5.5 鋼混結(jié)合處設(shè)計(jì)

鋼混結(jié)合段構(gòu)造復(fù)雜、構(gòu)件繁多，若采用二維平面設(shè)計(jì)，位置關(guān)系不明確，易出現(xiàn)構(gòu)件遺漏、沖突等問題，且結(jié)合段箱室較多，箱室空間大小需要納入設(shè)計(jì)范圍，而采用BIM 三維設(shè)計(jì)能較好地解決上述問題。

首先，采用草圖功能建立底部承壓板，進(jìn)行鋼混結(jié)合段的總體尺寸定位；其次，在承壓板上建立鋼塔塔壁及加勁構(gòu)造；然后，在承壓板上劃分箱室，每個(gè)箱室的承壓板開孔，并建立箱室腹板、加勁板、人孔等具體構(gòu)造；完成箱室后，定位鋼束位置， 采用實(shí)例化功能快速建立鋼束模型， 并完成相關(guān)錨箱構(gòu)造； 最后， 通過(guò)三維巡檢功能和碰撞檢查功能對(duì)模型進(jìn)行校核，可更直觀的檢查“錯(cuò)、漏、碰、缺”等問題，完成鋼混結(jié)合段模型設(shè)計(jì)，如圖5 所示。

圖5 鋼混結(jié)合段模型

5.6 成果出圖

基于BIM 三維模型建立與標(biāo)準(zhǔn)模板相關(guān)聯(lián)的二維平、立、剖面圖形，二維圖紙能夠隨三維模型的改動(dòng)而動(dòng)態(tài)更新，全參數(shù)化的協(xié)同三維模型， 使得二維圖紙能夠隨三維模型的參數(shù)同步變化，同類型的圖紙能夠批量化生成。 將模型與圖紙打包在一個(gè)模板里面，在實(shí)例化模型的同時(shí)，圖紙也進(jìn)行了實(shí)例化，可實(shí)現(xiàn)快速批量化出圖，圖紙模板定義如圖6 所示。

圖6 圖紙模板定義

在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式下， 統(tǒng)計(jì)工程數(shù)量表是一項(xiàng)煩瑣的工作，工程量統(tǒng)計(jì)的精準(zhǔn)度會(huì)直接影響項(xiàng)目造價(jià)的估算，特別是曲面異形結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)錯(cuò)算、漏算。 采用BIM 三維設(shè)計(jì)，可自動(dòng)、快速統(tǒng)計(jì)每一塊板件的準(zhǔn)確工程量，提高工作效率，減少人為失誤。

6 結(jié)語(yǔ)

BIM 技術(shù)作為工程設(shè)計(jì)行業(yè)精細(xì)化設(shè)計(jì)的重要抓手，對(duì)設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率的提升具有重要價(jià)值， 但現(xiàn)階段復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)航道斜拉橋的BIM 正向設(shè)計(jì)仍處于探索階段。 本文基于BIM 技術(shù)的特點(diǎn)，結(jié)合橋梁設(shè)計(jì)的基本特點(diǎn)，探討了復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)航道斜拉橋主塔正向BIM 的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并完成了依托工程的BIM 設(shè)計(jì)。可為今后類似橋梁的BIM 設(shè)計(jì)及各專業(yè)協(xié)同工作提供參考與借鑒。