基于BIM技術的復雜異形鋼拱橋深化設計

夏雨帆 楊 明 申 威

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司 武漢 430100)

目前公路工程設計、建設、運維管理等過程還主要依賴于傳統的二維圖紙，尤其是在特大型復雜橋梁的設計中[1]。公路設計過程繁瑣、優化過程復雜，施工過程困難多，構造物的修建難度大。BIM技術以三維模型為核心，具有可視化、協調性、模擬性、優化性、可出圖性、可預測性和可控制性等優點[2]，在公路工程的深化設計中，體現出其獨特的優勢。

由于公路工程行業設計包含專業眾多，單個BIM軟件往往不能滿足具體項目的全部需求，需要多軟件配合使用。其中涉及到的主要BIM建模軟件各有優劣：Autodesk Revit擅長房建模型以及垂直結構物的建立[3]，但是很難建立公路工程路橋模型；Autodesk Civil 3D(以下簡稱為C3D)擅長公路路基以及帶狀結構物的建模，但是房屋以及鋼結構精細化模型卻無法建立；Tekla軟件擅長各類鋼結構模型的建立及鋼結構輔助出圖加工[4]，但是由于軟件功能的限制不能識別曲線，以及空間定位困難，普遍的做法是生成線框模型進入Tekla軟件進行建模。研究人員通常采用另行開發軟件的方式獲取線框模型[5]。本文利用市面上常見的C3D軟件生成鋼拱橋空間線框模型，無需二次開發即可導入Tekla軟件輔助定位，最終得到包含平縱曲線的復雜鋼結構拱圈，以及各類鋼板、加勁肋等精細化模型，基于模型進行深化設計應用，節省了開發成本，提高了工程設計質量。

1 工程背景

河北某新建高速公路特大型鋼結構主橋，總長1 763 m，上部結構為17×91 m的上承式鋼箱連拱結構，其效果示意見圖1。橋梁線形平縱組合復雜，平面為緩和曲線+圓曲線+緩和曲線，縱面為凹曲線+人字坡。構件外觀尺寸“大同小異”，不完全對稱的路線造成鋼結構橋梁每一跨的構件，都存在外觀形式一致，但具體尺寸有所差異的情況。構件類型、數量多，全橋主要鋼結構構件約14萬個。

圖1 橋梁效果示意圖

二維的平面圖、橫斷面圖均只截取橋梁少數特征截面出圖，在空間形態上無法完整展現，存在顯著的局限性。為保證模型精確性、深化應用可行性，BIM團隊與結構設計團隊開展了深入協作。BIM團隊采用C3D基于路線設計數據進行三維放樣，得到具體構件的實際空間位置，基于三維放樣結果利用設計中間資料，開展了精細構件深化建模。建模過程中發現的空間碰撞、標注不清乃至圖紙錯誤等問題均及時向結構團隊反饋。

2 技術路線

按照設計思路，本橋梁主要結構分為空腹區鋼箱梁、主拱圈、墩拱結合段及橋墩部分。由于橋墩部分由鋼筋混凝土結構和少部分鋼結構組成，而主拱圈及空腹區箱梁均為鋼板、加勁肋結構，因此本項目定位線框模型分為2個部分進行繪制。在建立各部分的關鍵線框模型后，基于線框的定位在Tekla軟件繪制精細化模型，最終使用本模型進行后續深化設計應用，結構關系見圖2。

圖2 橋梁結構劃分圖

3 精細化模型的繪制

1) 橋墩及墩拱結合段。橋墩平面位置基于JSL-路線專家系統項目文件[6]提取對應的樁號位置(其他路線設計軟件同理)，按照橋墩設計尺寸得到橋墩建模定位圖見圖3，用于導入Tekla建模。

圖3 橋梁下部結構平面定位圖

橋墩部分結構按照Tekla軟件沿垂直方向建模即可。墩拱結合段空間線形較簡單，模型與橋墩一同繪制，見圖4。

圖4 主墩鋼-混結合段模型

2) 主拱圈及上部結構。在深化建模過程中最復雜的為拱圈部分，其分為3個主要節段，拱肋G1段，拱肋G2段，拱肋G3段，見圖5。拱圈G1、G3段主要包括垂直于拱軸線的固定尺寸的橫隔板、人孔及長度不一的加勁肋，頂板、底板、腹板。G2為拱梁結合段，橫隔板保持豎直、尺寸根據所在拱軸線的不同位置而變化，加勁肋有U形、I形，構件種類多、尺寸不一。

圖5 主拱圈一般構造圖

主拱圈建模過程中確定放樣線，根據既有設計文件已知路線中心線處的拱圈平面，在C3D軟件中繪制為路線平面，縱面數據則采用拱圈縱面數據作為路線縱面，為保證C3D中放樣的穩定性，采用奇數、偶數跨分開繪制縱斷面圖，見圖6。

圖6 拱圈縱斷面線形

采用C3D部件編輯器，繪制典型橫斷面輪廓、順時針旋轉90°后得到G1、G3區部件，部件主要包含了橫隔板、加勁肋等構件定位點，見圖7。

圖7 G1、G3區部件

同理可繪制G2區拱梁結合段部件及空腹區鋼箱梁部件。

其中由于C3D進行道路放樣時由部件創建的裝配截面始終會保持豎直方向，故對拱肋G1、G3區建模需要特殊處理，同時搭配使用圖7中順時針旋轉90°的部件斷面。操作時首先通過創建要素線命令將原拱軸中心線轉化為要素線，然后使用UCS命令自定義坐標系，選取拱軸線起終點連線定位X軸，原Z軸定為Y軸，將要素線按照粘貼到原坐標的方式復制至新建DWG文件中。在此坐標系下通過要素線進行道路模型的創建，其截面均垂直于拱軸線，橫隔板的位置通過添加測站的方式給予標記，得到的G1、G3區域最終線框模型，中間屬于G2區域的部分刪除即可。

對于G2區域，以定義的中心拱圈為路線(放樣線)，拾取拱圈底部及頂部三維多段線作為C3D邏輯目標，可以分別得到G2區線框模型，與得到的G1、G3區線框模型進行整合。同理，在建立空腹區鋼箱梁線框模型時，以原設計線的平縱數據作為路線進行放樣，得到線框模型。

通過整合處理上述線框模型，得到最終主橋線框模型，以其中兩跨為例導入Tekla軟件，效果見圖8，最終繪制得到Tekla模型見圖9。

圖8 制作完成的線框模型

圖9 最終得到Tekla精細化模型

4 深化設計應用成果

主橋17跨拱肋實際受平面曲線影響，單段拱肋曲線參數、構件尺寸均有差異，平面二維圖紙難以完整表達。基于二維圖紙的工程量統計不可避免地存在憑經驗進行部分估算的情況。根據以往鋼結構橋梁項目情況來看，設計工程量與實際工程量存在一定誤差。本項目建立符合實際的三維精細模型，生成工程量統計報告，減少了誤差，使設計工程量更接近實際投料數量，為工程量清單的編制提供了更準確的數據支撐，節約了項目建設成本。

主橋異形構件多且密集，構件相互間難免出現空間碰撞，而在圖紙中又難以發現，因此可能導致施工階段出現施工困難或變更的情況。利用模型進行碰撞檢測能很好地輔助設計人員發現和及時修正不合理設計。

拱梁結合段中存在大量的變截面過渡段鋼構件，建模過程中對構件之間的空間關系進行優化，避免碰撞，并將結果反饋至設計團隊，進行圖紙優化，避免后期變更產生的各類建設成本。

利用Tekla軟件進行鋼結構精細化出圖，可有效提高鋼廠加工生產效率及下料的準確度。

5 結語

本文利用Autodesk Civil 3D軟件生成鋼拱橋空間線框模型，導入Tekla，建立得到包含平、縱曲線的鋼結構拱圈及各類鋼板、加勁肋的精確模型，并進行了深化設計應用。充分發揮了市面上既有軟件的優勢，無須額外開發工具便能繪制出復雜異形鋼拱橋模型，保證了模型建立精度，極大地減少企業研發時間成本及資金成本，可為類似工程的深化設計提供參考。