基于CATIA 的斜拱塔斜拉橋設計

張 恒

（同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海 200092）

1 引言

1.1 斜拱塔斜拉橋

隨著城市建設的發(fā)展， 標志性的景觀橋梁已成為現代城市建設的重要組成部分。在城市橋梁中，斜拉橋以其纖細的結構， 高聳的橋塔， 多變的造型成為中等跨徑(100～400 m)最常選擇的橋型之一。其中，斜塔斜拉橋和拱塔斜拉橋均是20 世紀90 年代左右出現的橋型， 絕大多數坐落于城市核心區(qū)域， 建成后均成為了城市地標性建筑，深受建設方、設計者、使用者的青睞。

斜拱塔斜拉橋兼具斜塔斜拉橋和拱塔斜拉橋的優(yōu)點，其造型獨特優(yōu)美，特別適用于城市中小跨徑、跨越較寬水域的景觀橋梁。 斜拱塔斜拉橋的結構體系的受力更偏向于斜塔斜拉橋，拱形橋塔可以作為單獨的受力構件，不計入體系受力分析。

1.2 CATIA 簡述

隨著計算機和網絡技術的不斷發(fā)展，BIM 技術以其在策劃、設計、施工、管理、運營、維護的工程全生命周期中體現的延續(xù)性和高效性， 成為現代大型工程建設發(fā)展的新方向。

CATIA 是法國達索公司的產品， 最初主要應用于機械、汽車與航空航天等領域，隨著對橋梁構件設計外形精度和平滑性的要求越來越高，CATIA 的空間曲面設計優(yōu)勢被越來越多的設計師認可并逐漸應用于橋梁設計工作中。

2 工程實例

本項目為開封市東京大道跨運糧河橋， 主橋采用斜拱塔斜拉橋，跨徑組合為(55+112+60)m,橫斷面寬為52 m；主梁采用混凝土雙主梁結構，跨中和邊支點梁高3.0 m，墩頂梁高6.5 m。 總體布置見圖1。

橋塔為鋼結構斜拱塔，主塔采用六邊形斷面，單根索塔邊跨設置3 根尾索，跨中為8 根；全橋共22 根斜拉索。

圖1 總體布置(單位：m)

2.1 橋梁結構設計與分析

2.1.1 結構設計

(1)主梁

主梁為變截面預應力混凝土連續(xù)梁， 采用C55 混凝土。 主梁結構邊支點及中跨跨中位置梁高為3.0m，中支點梁高為6.5m；單側橫斷面采用單箱四室形式，單側箱梁底部凈寬為18.5m；雙主梁凈距10.5m。 主梁斷面見圖2。

圖2 主梁斷面(單位：mm)

主橋預應力鋼束腹板束采用雙排布置， 在加厚腹板位置采用雙排錨固；懸澆束在懸臂施工節(jié)段端部錨固，合攏處設置頂板束、底板束。

(2)主塔

索塔為鋼結構斜置橋塔，其中高塔高度為70m，與豎直面傾角16°，西側較低塔高度為55m，傾角為20°；索塔截面考慮景觀效果，選用六邊形斷面，外腹板延伸出構造兼作為裝飾結構附著面。

(3)基礎設計

主塔基礎與主梁基礎由系梁連接， 全橋基礎采用鉆孔樁基礎，承臺厚3m，樁徑1.5m。

拱座構造與拱塔空間線型順接， 既是拱腳的錨固構造，也是拱塔立面造型的延伸。 拱座內預埋反力架，拱座表面應預留立面裝飾結構預埋件。 全橋斷面布置見圖3。

(4)裝飾結構

本橋外立面裝飾主要設置在拱塔外腹板、主梁側面，采用厚10 mm 薄板，以及間隔80 cm 的10×100 mm 薄鋼板加勁。裝飾施工應預先廠內放樣裝飾隔板形狀，作為現場施工時裝飾外立面的定位點。

2.1.2 計算分析

本例采用Midas/Civil2017 程序建立梁單元模型進行分析，結構計算模型如圖4 所示。

圖4 計算模型

通過結構計算分析， 得到各構件關鍵部位的最不利內力值，見表1～3。

表1 主梁上下緣正應力(MPa)

表2 主塔計算結果

表3 支反力匯總(MPa)

根據計算結果， 主梁、 主塔結構響應均滿足規(guī)范要求，結構安全可靠。

2.2 施工方案

本橋的施工要點為鋼結構橋塔施工， 考慮到開封當地已有多個豎轉施工橋塔實例，有豐富的施工經驗，本例優(yōu)先選擇豎向轉體施工。具體的施工步驟是：在橋面或場地上設置胎架，并在拱座處設置轉動鉸軸，鋼結構拱塔在工廠內制作后分節(jié)段運送至工地，在胎架上焊接、拼裝成型；設置提升龍門架或塔架，采用同步提升技術，將拼裝后的鋼結構拱塔提升豎轉到位，完成主塔施工。

該施工方法大量的工作在地面或橋面平面進行，其裝配精度、焊接質量均能得到較好的保證，在檢測上也更具有可行性。

3 基于CATIA 的復雜空間結構設計

3.1 本橋設計的難點

根據結構設計與計算分析， 本橋的結構體系相對簡單，設計難點主要體現在：(1)本橋采用的傾斜鋼結構拱塔，其外形及索塔內板件、錨固構造的設計均為復雜空間結構，放樣與復核的難度大，圖紙量大；(2)本橋主塔與主梁間的裝飾板外形，是全橋景觀效果成功呈現的關鍵，其外形的設計和比選使用傳統設計軟件難以實現；(3)本項目的外部影響因素較為復雜，設計變更可能性大。

3.2 CATIA 設計應用

針對本例的設計難點，采用傳統的AutoCAD 設計流程，會導致誤差過大、圖紙制作工作量和變更返工量巨大的問題；對于復雜的扭轉曲面，AutoCAD 無法實現此類空間結構的設計；而對于重大設計變更，傳統的低參數設計模型受到的影響無異于推翻重做，返工量過大。

基于以上原因，本例選擇應用CATIA 軟件進行本橋復雜結構的設計工作。

3.2.1 拱塔模型的建立

建立拱塔模型的主要步驟如下：(1)定義拱塔截面及變化參數，建立引導線和結構脊線，通過程序的三維掃掠功能生成拱塔外形；(2)補充塔內加勁肋、板件、錨固隔板等；(3)通過三維拼接完成主塔及全橋模型。 模型裝配見圖5。

3.2.2 塔內隔板碰撞檢查

本橋的斜拱塔構造，導致每根斜拉索的角度、出索點位置均各不相同，近主塔側的塔內隔板的拉索角度較小，從而易產生與橫隔板的碰撞問題。程序建模完成后，可以通過模型中的群組選擇功能， 直觀地檢查板件碰撞情況及完成板件施工空間復核工作。 碰撞檢查示意見圖6。

CATIA 軟件更為便捷的是， 在發(fā)現問題后可以實時在模型中做動態(tài)調整， 其相關性的修改內容可自動在三維模型中實現匹配更新。

3.2.3 平面圖紙生成與工程量統計

(1)平面圖紙的生成

當前， 設計產品的提交和展示仍以紙質平面圖紙為主，如何完成CATIA 模型到設計圖紙的出品，也是設計人員需要著重考慮的問題。

本例中，利用CATIA 與AutoCAD 的交互功能，可以實現由CATIA 模型對任意角度平面、剖面的AutoCAD 文件生成工作， 再通過傳統AutoCAD 中的設計工具進行簡單標注和計量，完成二維圖紙的繪制。 主塔平面示意見圖7。

圖7 主塔平面示意

(2)不規(guī)則板件工程量統計

CATIA 的精細建模功能保證了其程序內部統計板件工程量的精度， 可以作為設計人員計算工程量的復核參考。 模型工程量計算示意見圖8。

圖8 模型工程量計算示意

3.2.4 CATIA 模型與有限元計算軟件的交互

當前的設計工作中，結構計算需要在繪制了CAD 圖紙后，重新在分析軟件中新建計算模型，但往往由于軟件本身對復雜結構建模的功能有限， 給準確建模帶來了較大的困難和重復工作量。本例中，設計人員在建模時即對結構進行了細致分組。模型完成后，只需對其進行分類簡化，即可實現由CATIA 模型到Abaqus 的模型轉換，大大提高了建模效率。經過與手動建模的計算模型比對，計算結果準確可靠。 Abaqus 計算模型示意見圖9。

3.2.5 裝飾結構設計

本橋主塔與主梁外側的裝飾鋼結構， 是全橋景觀效果呈現的關鍵部位。 設計人員運用了CATIA 軟件強大的空間截面控制性擬合功能，通過調整各類擬合原則，進行了多種空間外形比較， 并在與鋼結構廠家進行模型的對接后，結合廠家的建議，完成了主塔至主梁側空間扭面板件的合理拼接。 裝飾結構外形擬合示意見圖10。

圖9 Abaqus 計算模型示意

圖10 裝飾結構外形擬合示意

4 結語

4.1 小結

本文介紹了利用CATIA 軟件進行斜拱塔斜拉橋的工程實例，完成了復雜截面的建模、碰撞校核、結構設計等工作，解決了一些基于傳統設計方法中較棘手的問題，為今后復雜結構物的設計工作拓展了思路。 主要總結如下：(1) 對于異形復雜空間結構，CATIA 具有精度更高，可視化、結構參數化率更高的優(yōu)點；(2)CATIA 軟件自帶的工程制圖模塊，可以將三維模型直接生成平面圖紙，并且實現模型與圖紙的聯動更新，省去了傳統AutoCAD 設計方法在處理結構調整和變更時帶來的巨大制圖和返工量；(3)CATIA 可以與有限元計算軟件實現模型數據， 可快速進行結構定性分析。

4.2 展望

拱型斜塔斜拉橋在現代城市橋梁中， 有其得天獨厚的優(yōu)勢，但其結構體系和構造細節(jié)，還需要設計者在實踐中不斷的探索和總結。

隨著BIM 技術應用的普及，設計師的思想需要從傳統的施工圖設計中轉變過來， 即從以結果為導向的傳統思想向以全過程為導向的、 邏輯性高度嚴密的程序化思想過渡。 本文基于CATIA 軟件對斜拱塔斜拉橋設計進行分析，隨著BIM 技術的發(fā)展，如何將其更好地運用于橋梁設計，還需更多的工程實踐來驗證。