CATIA 在橋梁BIM 建模中的應用

何玉明 王磊

(1.四川建筑職業(yè)技術學院 成都610399;2.北京市市政工程設計研究總院有限公司 100082)

引言

BIM 即“建筑信息模型”的縮寫,廣義的BIM 包含建筑的幾何、材料、造價、施工工藝、施工進度和運營管理等方面的信息,是業(yè)主、設計方、施工方和運營方等相關單位的信息平臺,貫穿于建筑的全生命周期。BIM 技術涉及模型的建立和模型的運用兩個方面。利用BIM技術最大限度地提高項目的綜合效益,需聯(lián)合運用多個軟件,甚至多類軟件。依靠一個軟件解決所有問題的時代已經一去不復返了[1]。因此建模軟件需有樣化的接口,便于模型導入其他軟件,以提高信息模型在項目的全生命周期中的運用價值。運用信息模型為各專業(yè)工程和項目的各實施階段服務,需基于實際需求開發(fā)相應軟件,或對現(xiàn)有軟件進行二次開發(fā)。目前,國內BIM 技術發(fā)展并不成熟,大多處于最基礎的建模階段。在土木工程行業(yè)中,主流的建模軟件 有Revit、Bently、CATIA,以 及ArchiCAD等,國內的清華斯維爾、廣聯(lián)達等軟件也有一定的應用,其中Autodesk 公司推出的Revit 三維建模軟件,應用最為廣泛。Revit 的族庫豐富,建模效率高,但限于民用建筑[2]。Bently 在基礎設施領域具有優(yōu)勢[3],ArchiCAD 限于建筑專業(yè),通用性較差。針對橋梁工程專業(yè),建模技術并不成熟,本文探討CATIA 在橋梁工程建模中的應用。

1 CATIA 的特點及工程應用

達索CATIA 軟件的建模過程可追溯,模型的邏輯關系清晰,信息管理能力強,其思維契合我國建筑業(yè)向工業(yè)化、信息化發(fā)展的思路[4],該軟件目前在水利、橋梁,以及隧道專業(yè)有一定的應用[5-10]。CATIA 三維設計軟件的結構樹使模型邏輯一目了然,并能詳細記錄建模過程,極大地方便了模型的檢查和修改。軟件的曲面功能強,可實現(xiàn)參數化、函數化建模,在復雜、異形建筑建模方面獨具優(yōu)勢。在知識工程模塊,設計人員可通過編寫計算機語言實現(xiàn)建模,充分體現(xiàn)了計算機處理繁瑣數據的優(yōu)越性。

李健剛[6,7]等基于CATIA 平臺采用“骨架+模板”的方法設計了某斜拉剛構組合體系橋梁,研究表明CATIA 在橋塔扭曲板的設計和圖紙表達方面獨具優(yōu)勢,繁復和大體量的建筑采用“骨架+模板”建模方式能顯著提高建模和修改效率。張磊[8]運用CATIA 建立了某三跨系桿拱橋的三維模型,并對模型進行了后期效果處理和展示。近年,CATIA 軟件對工程領域的滲透越來越多,Gehry Technologies 公司基于CATIA 內核開發(fā)了建筑類建模軟件Digital Project[9],由于價格較高,國內應用相對較少。馬少雄等[10]基于CATIA 平臺研發(fā)了信息化施工管理平臺,并應用于某大跨鋼管混凝土拱橋。

以上文獻研究了CATIA 軟件建模效率和模型展示效果,但未說明按照“骨架+模板”的思路建立模型的流程,也未研究復雜模型的信息管理方法。本文研究運用CATIA 建立橋梁三維模型的一般流程和復雜模型信息管理的方法。

2 CATIA 的建模方法

CATIA 軟件提供了多個工作臺以滿足多樣化的設計需求,在橋梁建模中聯(lián)合使用“草圖編輯器”、“零件設計”、“創(chuàng)成式外形設計”、“裝配設計”和“知識工程”等工作臺可建立橋梁三維幾何模型。一般的橋梁構件可先用“草圖編輯器”創(chuàng)建構件二維輪廓; 而后基于二維輪廓在“零件設計”工作臺,利用“凸臺”、“多截面實體”等命令創(chuàng)建三維實體并進行實體修飾,如“倒角”、“鏡像”和“陣列”等; 最后在“裝配設計”工作臺以“骨架”為參照,對已建立的各部件進行裝配,形成完整的橋梁模型。“創(chuàng)成式外形設計”工作臺可完成外形為曲面的構件的建模,“知識工程”工作臺可用“參數”、“設計表”,以及“規(guī)則”等驅動模型,使模型各部分關聯(lián)性更強。繁復構件可封裝成“模板”,需要時直接調取并“實例化”即可。建模時,可按照圖1 所示流程進行設計建模。

圖1 CATIA 協(xié)同建模流程Fig.1 Collaborative modeling flow chart of CATIA

項目結構劃分可采用工程慣用的結構劃分方式,根據工程形象或功能逐級劃分。模型數據文檔命名應堅持有利于文檔管理和識別的原則,可根據項目結構圖采用字符串命名,每一字段表達特定的含義。為避免軟件識讀錯誤,CATIA 外部文檔的名稱中不宜出現(xiàn)中文,但在模型內部的結構樹中,可出現(xiàn)中文,搭建結構樹時宜采用對應部件的中文名稱命名,以降低使用者的識讀難度。當然,設計人員可根據模型特點及個人習慣靈活命名。

“骨架”類似建筑工程中的軸網,是各構件定位組裝的參照曲線,一般選取橋梁的中心線和橋墩、塔柱的中心線等具有明顯定位功能的曲線作為“骨架”。與Revit 和Bently 中的軸網不同的是,CATIA 中的骨架曲線需用戶自行“發(fā)布”才能與其他曲線區(qū)分,“發(fā)布”后骨架曲線在結構樹中單獨列出,有利于建模時調用。工程中,采用“骨架+模板”的建模思路,能很好地實現(xiàn)多人協(xié)同建模的目的。

3 工程案例

3.1 工程概況

佛山東平水道特大橋[11]為A 型獨塔雙索面斜拉橋,橋長475m,橋寬46.5m,索塔高146.8m,跨孔分布如圖2 所示。主跨及小里程邊跨為鋼箱梁,輔助跨及大里程邊跨為混凝土箱梁,橋梁采用塔梁墩固結體系。

圖2 橋梁立面簡圖(單位： m)Fig.2 Bridge elevation diagram(unit： m)

3.2 項目結構劃分及數據文件命名

根據橋梁設計方案,考慮各部分結構的差異性及建模的便利性,將該橋劃分為橋墩系(包括基礎)、橋面系、索塔、斜拉索四部分,其中,橋面系細分為混凝土箱梁段、鋼箱梁段及鋼-混結合段三部分。根據項目劃分情況,建立相應數據文件。橋面中心線為全橋骨架曲線,單獨建立文件存儲。現(xiàn)以索塔為例,說明項目劃分及數據文件命名規(guī)則,索塔為A 型混凝土塔柱,橋面以下為實體雙肢塔柱,橋面以上塔柱的下段為空心雙肢塔柱,而后漸變?yōu)閱沃招乃?塔頂有裝飾性曲面塔冠,其構造復雜。將索塔分為下塔柱、中塔柱、上塔柱、塔頸和塔冠五部分,分別對應5 個Part 文檔,將5 個文檔裝配即可得到索塔的三維信息模型,索塔結構劃分及建模思路如圖3 所示。

圖3 索塔結構劃分及建模思路Fig.3 Structural division and modeling ideas of the tower

總裝配文件名為DPQ0000,骨架曲線文件名為DPQ0000 -SK,索塔子裝配文件名為DPQ2000-3D,索塔的下屬部件用DPQ -ST -序號-3D命名,如下塔柱為DPQ -ST -01 -3D。索塔子骨架曲線用DPQ-20000 -ST-SK 命名。模型中的結構樹用部件對應的中文名稱命名,以便于識讀。數據文件與模型結構樹的名稱如圖4 所示,圖中設計表為驅動模型參數的表格。

圖4 數據文件與模型結構樹Fig.4 Data file and model structure tree

3.3 骨架曲線

選取橋梁中心線作為全橋總裝配的骨架曲線,各子裝配文件在文檔內部繪制子骨架曲線,如索塔內部以索塔中心線為子骨架曲線,以保持骨架曲線的簡潔性。

3.4 實體建模

1.基本實體模型建立

基本實體模型基于草圖輪廓生成,因此建模的基礎是在草圖工作臺繪制實體的輪廓,草圖的支持面可選擇三維空間中已繪制的面,也可以提取已有實體的表面,推薦使用前者,以避免建模時交叉引用導致出錯。在“零件設計”工作臺,可在已繪制的輪廓基礎上用“凸臺”、“多截面實體”等實體拉伸出實體模型,并完成“倒角”、“開孔”等實體修飾,同時可用“陣列”、“鏡像”等命令快速復制模型。模型基礎尺寸用參數驅動,推導尺寸用函數驅動,以保持模型內部的邏輯關系,便于后期修改調整。對于構造相同、尺寸不同的構件,用設計表驅動構件的參數,可快速變換構件尺寸。部分構件建模時所使用的命令如圖5所示。

2.模板

模板即被封裝且可被調取多次使用的模型塊,其功能和使用方法類似Auto CAD 中的“圖塊”。將多次使用的構件定義成模板,而后,根據需要將其實例化在骨架曲線正確的位置上,這種建模方式即“骨架+模板”建模方法。CATIA 中“知識工程”工作臺提供了“超級副本”、“文檔模板”和“用戶特征”三種定義模板的方式[6]。例如,橫隔板是鋼箱梁中重復出現(xiàn)的構件,用“超級副本”將橫隔板定義成模板,建立鋼箱梁模型時根據需要直接將其實例化即可,圖6 為鋼箱梁模板及其在鋼箱梁中實例化的結果。

圖5 模型中部分構件的建模方式Fig.5 Modeling method of some components in the model

圖6 橫隔板模板及實例化Fig.6 The template of diaphragm plate and its application

3.模型裝配

在CATIA 中零部件為Part,裝配體為Product,總裝配體下可有多個并列的子裝配體,子裝配體下可有多個零部件。在“裝配設計”工作臺完成模型裝配,只要確保各零部件處于正確位置,即可得到三維模型。在裝配前,各個部件可由不同的設計師在不同的計算機上獨立設計,因此設計任務可由多人協(xié)同完成。圖7 展示了裝配完成的橋梁三維模型,其中索塔由5 個Part 裝配而成,依據總體骨架曲線將各部件定位,即可實現(xiàn)與其他部件的組拼。塔索、拉索和鋼箱梁等單獨、并行建模,組拼裝配后,整體效果良好,如圖7 所示。

圖7 橋梁模型的裝配效果Fig.7 Assembly results of the bridge model

4 結論

1.CATIA 軟件在復雜不規(guī)則橋梁的協(xié)同建模、信息管理和工程圖紙表達等方面優(yōu)勢顯著。

2.采用“骨架+模板”建模方式能實現(xiàn)多人協(xié)同設計,CATIA 軟件的機械制造思維可為建筑工業(yè)化、信息化之路提供指引。

CATIA 軟件涉入土木工程領域的時間相對較晚,軟件在橋梁建模方面專業(yè)化不足,缺少建筑圖元,材料屬性定義麻煩。