非對(duì)稱鋼拱塔斜拉橋BIM 正向設(shè)計(jì)的應(yīng)用

汪東明，劉廷杰，江 軍，陳飛宇

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

0 引言

BIM 作為一種新興技術(shù)，以協(xié)調(diào)性、優(yōu)化性、可視化性等特點(diǎn)受到設(shè)計(jì)者們的青睞[1]。BIM 尤其適用于具有航道屬性的異形空間結(jié)構(gòu)，能夠精準(zhǔn)表達(dá)以傳統(tǒng)繪圖軟件直接作為信息載體難以呈現(xiàn)的設(shè)計(jì)者意圖。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)BIM 技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用開展了較多的研究[2-5]。BIM 技術(shù)不僅為橋梁設(shè)計(jì)提供了新的思路，還有效提升了橋梁設(shè)計(jì)品質(zhì)。本文依托復(fù)雜鋼航道橋梁BIM 正向設(shè)計(jì)，詳細(xì)闡述了各要素建模要點(diǎn)。

1 工程概況

震川橋是申張線青陽港航道整治中的重要組成部分，主橋結(jié)合“并蒂蓮”的景觀意向采用（90+140）m的非對(duì)稱鋼拱塔斜拉橋結(jié)構(gòu)體系。主梁采用全焊接扁平流線型封閉鋼箱梁，標(biāo)準(zhǔn)斷面含風(fēng)嘴全寬34.0 m。大小索塔外輪廓采用橢圓形，并分別向岸側(cè)傾斜25°，塔斜向高78.676 m。震川橋主橋BIM 三維模型如圖1 所示。

圖1 震川橋主橋BIM 三維模型

2 主橋BIM 設(shè)計(jì)

2.1 總體思路

震川橋主橋索塔屬于空間異形非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，且局部構(gòu)造復(fù)雜，尤其是拱塔底部鋼混結(jié)合段涉及鋼結(jié)構(gòu)、混凝土、空間鋼束定位、鋼筋布置等問題。采用BIM 技術(shù)進(jìn)行正向設(shè)計(jì)可以較好地解決上述難點(diǎn)，較大程度上提高智能化設(shè)計(jì)流程，同時(shí)為大規(guī)模的在復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)航道橋梁領(lǐng)域基于BIM 技術(shù)進(jìn)行正向設(shè)計(jì)提供了參考。該橋BIM 總體設(shè)計(jì)思路如圖2所示。

圖2 BIM 總體設(shè)計(jì)思路

2.2 CATIA 軟件應(yīng)用

橋梁BIM 設(shè)計(jì)應(yīng)用主要依賴于Revit、Bentley、CATIA 等軟件[6]。Revit 因普適性難以在專業(yè)性強(qiáng)的橋梁工程推廣。Bentley 費(fèi)用較高，且數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換存在障礙。CATIA 源于機(jī)械航空領(lǐng)域，具有強(qiáng)大的曲線和曲面設(shè)計(jì)功能，在異形鋼結(jié)構(gòu)橋梁精準(zhǔn)建模設(shè)計(jì)方面優(yōu)勢(shì)明顯。本文基于CATIA“骨架+軀體”的建模思路進(jìn)行依托項(xiàng)目的正向設(shè)計(jì)。

2.3 總體骨架建立

創(chuàng)建總體骨架主要是確定各關(guān)鍵點(diǎn)的連接方式、位置關(guān)系,以及塔、梁、索的標(biāo)準(zhǔn)斷面或樣式。橋梁總體骨架主要由點(diǎn)、線、面等簡(jiǎn)單元素構(gòu)成，各構(gòu)件依據(jù)空間骨架元素進(jìn)行建模。骨架模型如圖3 所示。

圖3 總體骨架模型

2.4 主梁建模

按傳統(tǒng)三維建模思路，鋼箱梁需逐個(gè)節(jié)段依次進(jìn)行建模，工作量大、時(shí)間成本高。為減少重復(fù)繁瑣的工作，筆者借助CATIA 模板的方法進(jìn)行主梁建模，相似節(jié)段通過某標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段模板實(shí)例化生成，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行屬性化修改。

（1）加勁肋

主梁加勁肋主要有板肋、頂、底板U 肋三種形式。板肋種類較多，但形狀簡(jiǎn)單，且主要控制參數(shù)只有高度和厚度。因此，全橋板肋可采用一種模板，通過參數(shù)化建模可以快速得到不同高度和厚度的板肋；頂、底板U 肋形式一致，可直接采用無參數(shù)的模板。加勁肋實(shí)例化如圖4 所示。

圖4 加勁肋實(shí)例化

（2）箱體

鋼箱梁箱體借助草圖功能建立鋼箱梁輪廓，進(jìn)而拉伸截面形成頂?shù)赘拱宓饶赴澹?duì)母板不等厚等細(xì)節(jié)進(jìn)行處理。同時(shí)，利用快速實(shí)例化功能將前述的加勁肋模板進(jìn)行實(shí)例化。最后，通過三維巡檢功能和碰撞檢查功能對(duì)模型進(jìn)行校核。圖5 為鋼箱梁細(xì)節(jié)構(gòu)造處理示意圖。

圖5 鋼箱梁細(xì)節(jié)構(gòu)造處理

（3）橫隔板

橫隔板是鋼箱梁中重復(fù)出現(xiàn)最多的構(gòu)件。橫隔板包含了隔板、橫豎向加勁、管線孔、人孔和角點(diǎn)加勁，將這些零件作為一個(gè)整體定義成模板。建立鋼箱梁模型時(shí)，根據(jù)需要直接將其實(shí)例化即可。圖6 為鋼箱梁隔板實(shí)例化的模型。

圖6 鋼箱梁隔板實(shí)例化

（4）鋼箱梁實(shí)例化

將頂?shù)装濉⒏拱濉M隔板、挑臂等構(gòu)件作為模板進(jìn)行實(shí)例化，得到箱體構(gòu)件及中間聯(lián)系橫梁的模板；組裝箱體和橫梁，得到不同類型的梁段，從而形成了模板嵌套模板的建模方式。鋼箱梁模型如圖7 所示。

圖7 鋼箱梁模型

2.5 塔柱建模

（1）鋼混結(jié)合段

建立鋼混結(jié)合段的流程如下：

a.采用草圖功能建立承壓板，并進(jìn)行鋼混結(jié)合段的總體尺寸定位。

b.在承壓板上建立鋼塔塔壁和加勁構(gòu)造。

c.在承壓板上劃分箱室并開孔，建立箱室腹板、加勁板、人孔等具體構(gòu)造。

d.完成箱室建模后，定位鋼束位置，建立鋼束模板，采用實(shí)例化功能快速建立鋼束模型。

e.通過三維巡檢功能和碰撞檢查功能對(duì)模型進(jìn)行校核，可更直觀地檢查“錯(cuò)、漏、碰、缺”等問題，完成鋼混結(jié)合段模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

鋼混結(jié)合段三維設(shè)計(jì)模型如圖8 所示。

圖8 鋼混結(jié)合段三維設(shè)計(jì)模型

（2）塔柱

鋼塔柱的建模采用骨架線和輪廓面的設(shè)計(jì)模式。考慮到節(jié)段之間相似性較高，采用參數(shù)化和模板實(shí)例化功能可大幅提高設(shè)計(jì)效率。為簡(jiǎn)化鋼塔柱建模，鋼塔柱正向設(shè)計(jì)分為變化段和標(biāo)準(zhǔn)截面兩部分，每一部分制定一個(gè)節(jié)段模板，模板內(nèi)包含節(jié)段模型和相應(yīng)的圖紙，通過實(shí)例化可快速得到鋼塔柱每一個(gè)節(jié)段模型和圖紙。基于骨架線的塔柱節(jié)段模型如圖9 所示。

圖9 塔柱節(jié)段模型

2.6 拉索建模

斜拉索控制的參數(shù)主要為塔梁錨點(diǎn)坐標(biāo)和拉索直徑，采用智能模板和設(shè)計(jì)表格相關(guān)聯(lián)的方式，快速實(shí)例化得到拉索骨架線和拉索實(shí)體，拉索線模型如圖10 所示。

圖10 拉索線模型

2.7 錨箱建模

錨箱在設(shè)計(jì)過程中是一個(gè)“動(dòng)態(tài)的構(gòu)件”，空中線形為懸鏈線，拉索在塔梁處的夾角隨著索力的變化而變化，錨箱位置必須在結(jié)構(gòu)整體、設(shè)計(jì)索力穩(wěn)定后才能確定，因而建立參數(shù)化錨箱是非常有必要的。本橋錨箱采用拉索骨架定位，而拉索骨架與鋼箱梁骨架相對(duì)位置固定，同時(shí)借助參數(shù)化建模思路，錨箱實(shí)例化模型如圖11 所示。

圖11 錨箱實(shí)例化模型

2.8 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

為分析鋼索塔構(gòu)件受力特性，將CATIA 軟件中的BIM 模型快速導(dǎo)入Midas FEA NX 進(jìn)行有限元計(jì)算分析，并利用建立的有限元模型對(duì)復(fù)雜鋼索塔錨箱板厚、腹板板厚、塔壁板厚以及隔板數(shù)量等關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，得出相關(guān)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)剛度和受力的影響。結(jié)構(gòu)計(jì)算分析模型如圖12 所示。

圖12 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析模型

2.9 成果提交

（1）二維出圖

設(shè)計(jì)成果往往以規(guī)范的工程圖為基本方式，因此，設(shè)計(jì)單位采用BIM 技術(shù)建模，要以能完成工程圖為目標(biāo)。基于三維模型建立標(biāo)準(zhǔn)模板的二維平、立、剖面圖紙與三維模型相關(guān)聯(lián)，全參數(shù)化協(xié)同三維模型，使得二維圖紙能夠隨三維模型的參數(shù)變化而動(dòng)態(tài)更新。利用CATIA 軟件中的Drawing 模塊，同類型的圖紙能夠批量化生成，大幅減少了后期變更的工作量，大幅提高了設(shè)計(jì)效率。

（2）工程量統(tǒng)計(jì)

針對(duì)異形空間呈現(xiàn)彎扭狀態(tài)的曲面板件，BIM軟件可以根據(jù)設(shè)計(jì)者的定義給出展開大樣，利用CATIA 的測(cè)量功能可以精準(zhǔn)計(jì)算選取部位面積或者體積，解決了手工計(jì)算存在誤差的問題。

3 結(jié)語

本文依托CATIA 軟件對(duì)非對(duì)稱鋼拱塔斜拉橋正向設(shè)計(jì)應(yīng)用進(jìn)行了有益探索，提出了針對(duì)航道鋼橋的整體建模設(shè)計(jì)思路，結(jié)合主梁、塔柱、拉索和錨箱等不同構(gòu)件的特征采用了針對(duì)性的解決方案。今后的項(xiàng)目可在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步挖掘其應(yīng)用性，以期提高智能化設(shè)計(jì)效率。