基于BIM的新型拱座基礎三維參數化設計研究

龍波　梁才　羅富元

摘要：作為拱橋重要受力構件的拱座基礎，其設計受結構上部荷載、地質條件、經濟性等因素制約，設計難度較大。廣西荔玉高速公路平南三橋北岸拱座基礎為鋼筋混凝土圓形地下連續墻+注漿卵石層的復合式新型基礎，文章以此為工程背景，利用BIM技術的可視化、參數化設計等優勢，研究基于BIM的新型拱座基礎的三維參數化設計方法及特點，以期改變傳統設計方式對復雜結構表達不清、效率低等問題，為提高橋梁復雜結構的設計質量和設計水平提供幫助。

關鍵詞：拱座;BIM;參數化設計

中國分類號：U442文獻標識碼：A

0 引言

隨著我國交通建設事業的不斷發展，復雜的特大型橋梁工程越來越多，憑借著跨越能力大、造型優美、經濟的特點，鋼管混凝土拱橋得到越來越廣泛的應用。根據鋼管在結構中參與受力方式的不同，可分為普通鋼管混凝土拱橋與勁性骨架鋼管混凝土拱橋[1]。

作為支承橋跨結構并將上部結構的荷載傳至地基的重要受力構件[2]，拱座基礎的設計受到主體結構的荷載、場地條件、經濟性等不同因素制約。

本文以廣西荔玉高速公路平南三橋北岸拱座基礎為工程背景，利用BIM技術的可視化及參數化特點，研究基于BIM的新型拱座基礎的三維參數化設計方法及特點，以期改變傳統設計方式對復雜結構表達不清、效率低等問題，為提高橋梁復雜結構的設計效率與質量提供幫助。

1 項目概況

平南三橋主橋為中承式鋼管混凝土拱橋，其計算跨徑為560 m，凈跨徑為548 m，主橋長575 m。大橋南北兩岸拱座為重力式抗推力結構基礎（如圖1所示）。其中北岸拱座基礎采用鋼筋混凝土圓形地下連續墻+注漿卵石層的復合式基礎形式（如圖2所示）。

2 基于BIM的拱座基礎設計方法

2.1 鋼管混凝土結構特點

鋼管混凝土拱橋主要構造是由鋼管混凝土結構構成的，由鋼管與混凝土兩種組成材料相互作用，在克服了材料缺點的同時也使得各自的優點得到充分的發揮[1]。鋼管混凝土拱橋結構主要有以下幾個特點：（1）構件承載力高;（2）延性和塑性好;（3）防腐、耐火性能好;（4）制作施工方便、節省工期;（5）經濟效益高。

2.2 鋼管混凝土拱橋拱座基礎的研究現狀

隨著拱橋在實際工程中的推廣和受力特點的不斷深入研究，業內開始重視和研究拱座基礎的局部受力狀況[3]。目前主要有計算和試驗兩種方法對拱座基礎進行受力分析[4]，其中計算的方法是指采用創建有限元分析模型對結構進行數值模擬分析;試驗的方法是指建立縮尺模型進行模型試驗研究，以了解結構的一般受力特性。

雖然業內已開展了大量針對鋼管混凝土拱橋的理論研究，但還是不能滿足其推廣的需要[5]。如在鋼管混凝土拱橋的計算分析中采用的一些受力特性及假定，并不能完全模擬結構的真實受力情況。隨著材料強度的提高與跨徑的增大，鋼管混凝土拱橋在施工與運營階段的穩定性問題將會更加突出。

以經驗性構造措施保證的鋼管混凝土拱橋局部構造，在其服役期內是否會產生不良影響或者出現危害，已引起業內的注意和討論[6]。作為鋼管混凝土拱橋眾多復雜構造之一的拱座基礎，目前對其受力的分析與研究還較為滯后。

2.3 基于BIM的拱座基礎設計流程

在確定拱橋上部結構及拱腳處的受力后，結合橋位處的地形地質等條件初步擬定拱座基礎的結構形式和尺寸，再由參數化構件拼裝生成拱座基礎的三維模型，利用參數化的拱座基礎模型進行有限元受力分析驗算，根據計算結果進行結構配筋。然后利用三維設計成果進行可視化施工方案及流程的模擬檢查，若未符合要求則返回修改相關參數賦值更新模型直到滿足要求為止?；贐IM的拱座基礎設計流程如圖3所示。

3.1 拱座基礎參數化建模方法

3.1.1 參數化語言

參數化設計作為BIM設計階段的核心理念之一，其實質是指通過可變參數的調整可實現結構的快速構建、修改，并進行相關數據統計和計算。PCL（Parametric Component Language）語言為北京跨世紀軟件公司針對Bentley平臺定義的實體參數化建模語言，以實現參數化結構模型的快速創建，提高異形實體結構的建模效率[7]。三維化實體示意如圖4所示。

利用PCL語言進行參數化建模是通過延伸、放樣等方法驅動二維形狀尺寸創建三維參數化實體，再通過實體之間的交集、差集等計算得到所需要的復雜參數化構件或者組件[8]。因此，參數化構件主要由二維形狀尺寸、高度、定位等參數控制，同時，為了保證構件的相互關系，就必須建立起嚴謹的參數邏輯對應關系。

3.1.2 新型拱座基礎參數化建模思路

在設計階段根據WBS分解原則建立樹形的模型分解結構，根據新型拱座基礎的結構構成特點，可將其模型結構進行分解（如圖5所示）。

3.2 新型拱座基礎構造的參數化設計

3.2.1 拱座參數化構件

根據異形結構參數化建模的思路，首先參考以往的設計經驗，定義鋼管混凝土拱橋拱座的二維參數化輪廓（如圖6所示）。然后根據拱座構造的特點用“化整為零”的方法進行實體劃分，將異形結構拆解為常見的規則結構形式。最后根據各部分構造的相互關系依據嚴謹的空間邏輯關系拼裝成完整的參數化拱座三維模型（如圖7所示）。

3.2.2 復合基礎參數化構件

新型拱座的復合基礎主要由圓形地下連續墻及拱座底板構成，其中地下連續墻又可細分為混凝土帽梁、混凝土墻身及內襯結構（如圖8所示）。

3.2.3 新型拱座基礎三維模型拼裝

基于化整為零的思路，分別創建結構各子部位的參數化構件，然后通過各子部位構件的拼裝形成完整的參數化拱座基礎模型。為了實現完整的參數化拱座基礎模型創建，首先需要對各子部位構件的參數進行整理和合并，并對主控尺寸參數進行賦值;然后采用表達式對主控、被動的尺寸相互約束關系進行描述;最后通過表達式對不同構件的空間位置關系進行定位約束，拼裝完成互相約束的參數化新型拱座基礎三維模型（如圖9所示）。

3.3 基于BIM模型的拱座基礎智能配筋設計

作為屬于大體積混凝土結構的拱座基礎，其配筋設計對于其受力作用以及增強混凝土的抗裂性能都是十分關鍵的。傳統利用手工對大體積混凝土，尤其是不規則的結構進行配筋設計，不僅耗費大量的時間，而且容易造成鋼筋布置不合理，增加施工難度等問題?；诠白A的三維BIM模型，對拱座基礎進行智能配筋設計，建立起精細化的鋼筋模型，則可有效降低鋼筋布置不合理等問題的產生，同時配筋設計的效率將得到提高。

ReStation軟件為華東勘測設計研究院基于Bentley平臺開發的參數化三維智能配筋設計軟件[8]。ReStation軟件對于大體積及復雜的異形混凝土結構具有便捷、智能和參數化等優勢，使得設計人員擺脫低層次的重復性勞動，讓提高設計效率成為可能。因此，本文選用ReStation軟件對新型拱座基礎進行三維智能配筋設計研究。

以荔玉高速公路平南三橋北岸拱座基礎為例，由拱座基礎三維參數化BIM模型，利用ReStation軟件對拱座基礎進行大體積混凝土智能配筋，具體過程如下：

（1）根據設計成果對主控參數進行賦值，得到荔玉高速平南三橋北岸拱座基礎三維實體模型。

（2）根據各部分構造分別進行智能配筋設計。①根據拱座三維模型創建大體積混凝土配筋體;②基于配筋體進行智能配筋設計。

（3）根據配筋設計成果進行鋼筋編號、材料表輸出及剖切圖紙。

3.4 基于BIM的拱座基礎有限元數值模擬

以平南三橋北岸拱座基礎為例，基于BIM的三維模型的數值模擬過程如圖10所示，即首先采用工具對BIM模型導出的三維實體進行約束施加、網格的劃分等預處理[8]，最后再利用有限元分析軟件進行求解計算。

在數值求解時，采用SOLID185單元模擬混凝土及土體，同時混凝土和土體之間采用面-面接觸單元連接。實體分析采用整體有限元計算中的最大彎矩工況（Mmax=53 192 kN·M，N=2.90×105 kN）進行計算，分析地下連續墻與底板分離時的結構及場地受力情況。主要場地參數如表1所示。

由圖11的應力云圖結果可知：（1）拱座基礎底板支撐卵石層上，地連墻嵌固于巖層內，因此分別考察下臥卵石層和下臥基巖的豎向應力，由結果可以看出卵石層最大豎向應力為-0.67 MPa，卵石層承載能力滿足要求。對于基巖，不計應力集中效應的影響，基巖最大豎向應力為-1.1 MPa，基巖承載能力滿足要求。（2）地下連續墻最不利受力區域位于結構的嵌巖部位，不計應力集中效應的影響，地連墻最大壓應力為-9.5～-7.9 MPa，最大拉應力為1.0～1.6 MPa，結構強度滿足要求。（3）底板的最不利受力區域位于交界墩作用處及拱座底面交界處，不計應力集中效應的影響，底板最大壓應力為-2.9～-2.3 MPa，最大拉應力為1.1～1.3 MPa，結構強度滿足要求。

4 結語

本文以鋼筋混凝土圓形地下連續墻+注漿卵石層的新型拱座基礎為研究對象，通過基于BIM拱座基礎的設計方法和流程、參數化設計等，實現了基于BIM的新型拱座基礎的三維參數化模型創建及應用，相對比于傳統的設計方法，基于BIM的參數化優勢可減少設計的反復修改，提高設計的效率與質量，并實現方案的快速對比。同時，通過利用ReStation軟件實現對大體積異形混凝土結構的快速智能化三維配筋設計，效率較傳統方式有大幅度的提高?；贐IM的新型拱座基礎三維參數化設計的成功應用，為鋼管混凝土拱橋及其他復雜的特大型橋梁進行基于BIM的三維設計提供了可借鑒的經驗，對提高復雜橋梁結構的設計效率、質量有較大的幫助。

參考文獻：

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