汪東明，劉廷杰，江 軍，陳飛宇

（1.華設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210005；2.昆山市交通工程發展中心，江蘇 昆山 215300）

0 引言

BIM 作為一種新興技術，以協調性、優化性、可視化性等特點受到設計者們的青睞[1]。BIM 尤其適用于具有航道屬性的異形空間結構，能夠精準表達以傳統繪圖軟件直接作為信息載體難以呈現的設計者意圖。近年來，國內外學者針對BIM 技術在橋梁工程中的應用開展了較多的研究[2-5]。BIM 技術不僅為橋梁設計提供了新的思路，還有效提升了橋梁設計品質。本文依托復雜鋼航道橋梁BIM 正向設計，詳細闡述了各要素建模要點。

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，主橋結合“并蒂蓮”的景觀意向采用（90+140）m的非對稱鋼拱塔斜拉橋結構體系。主梁采用全焊接扁平流線型封閉鋼箱梁，標準斷面含風嘴全寬34.0 m。大小索塔外輪廓采用橢圓形，并分別向岸側傾斜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 設計

2.1 總體思路

震川橋主橋索塔屬于空間異形非對稱結構，且局部構造復雜，尤其是拱塔底部鋼混結合段涉及鋼結構、混凝土、空間鋼束定位、鋼筋布置等問題。采用BIM 技術進行正向設計可以較好地解決上述難點，較大程度上提高智能化設計流程，同時為大規模的在復雜鋼結構航道橋梁領域基于BIM 技術進行正向設計提供了參考。該橋BIM 總體設計思路如圖2所示。

圖2 BIM 總體設計思路

2.2 CATIA 軟件應用

橋梁BIM 設計應用主要依賴于Revit、Bentley、CATIA 等軟件[6]。Revit 因普適性難以在專業性強的橋梁工程推廣。Bentley 費用較高，且數據轉換存在障礙。CATIA 源于機械航空領域，具有強大的曲線和曲面設計功能，在異形鋼結構橋梁精準建模設計方面優勢明顯。本文基于CATIA“骨架+軀體”的建模思路進行依托項目的正向設計。

2.3 總體骨架建立

創建總體骨架主要是確定各關鍵點的連接方式、位置關系,以及塔、梁、索的標準斷面或樣式。橋梁總體骨架主要由點、線、面等簡單元素構成，各構件依據空間骨架元素進行建模。骨架模型如圖3 所示。

圖3 總體骨架模型

2.4 主梁建模

按傳統三維建模思路，鋼箱梁需逐個節段依次進行建模，工作量大、時間成本高。為減少重復繁瑣的工作，筆者借助CATIA 模板的方法進行主梁建模，相似節段通過某標準節段模板實例化生成，并在此基礎上進行屬性化修改。

（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，但形狀簡單，且主要控制參數只有高度和厚度。因此，全橋板肋可采用一種模板，通過參數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，可直接采用無參數的模板。加勁肋實例化如圖4 所示。

圖4 加勁肋實例化

（2）箱體

鋼箱梁箱體借助草圖功能建立鋼箱梁輪廓，進而拉伸截面形成頂底腹板等母板，并對母板不等厚等細節進行處理。同時，利用快速實例化功能將前述的加勁肋模板進行實例化。最后，通過三維巡檢功能和碰撞檢查功能對模型進行校核。圖5 為鋼箱梁細節構造處理示意圖。

圖5 鋼箱梁細節構造處理

（3）橫隔板

橫隔板是鋼箱梁中重復出現最多的構件。橫隔板包含了隔板、橫豎向加勁、管線孔、人孔和角點加勁，將這些零件作為一個整體定義成模板。建立鋼箱梁模型時，根據需要直接將其實例化即可。圖6 為鋼箱梁隔板實例化的模型。

圖6 鋼箱梁隔板實例化

（4）鋼箱梁實例化

將頂底板、腹板、橫隔板、挑臂等構件作為模板進行實例化，得到箱體構件及中間聯系橫梁的模板；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）鋼混結合段

建立鋼混結合段的流程如下：

a.采用草圖功能建立承壓板，并進行鋼混結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、人孔等具體構造。

d.完成箱室建模后，定位鋼束位置，建立鋼束模板，采用實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模型進行校核，可更直觀地檢查“錯、漏、碰、缺”等問題，完成鋼混結合段模型的優化設計。

鋼混結合段三維設計模型如圖8 所示。

圖8 鋼混結合段三維設計模型

（2）塔柱

鋼塔柱的建模采用骨架線和輪廓面的設計模式。考慮到節段之間相似性較高，采用參數化和模板實例化功能可大幅提高設計效率。為簡化鋼塔柱建模，鋼塔柱正向設計分為變化段和標準截面兩部分，每一部分制定一個節段模板，模板內包含節段模型和相應的圖紙，通過實例化可快速得到鋼塔柱每一個節段模型和圖紙。基于骨架線的塔柱節段模型如圖9 所示。

圖9 塔柱節段模型

2.6 拉索建模

斜拉索控制的參數主要為塔梁錨點坐標和拉索直徑，采用智能模板和設計表格相關聯的方式，快速實例化得到拉索骨架線和拉索實體，拉索線模型如圖10 所示。

圖10 拉索線模型

2.7 錨箱建模

錨箱在設計過程中是一個“動態的構件”，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，錨箱位置必須在結構整體、設計索力穩定后才能確定，因而建立參數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位置固定，同時借助參數化建模思路，錨箱實例化模型如圖11 所示。

圖11 錨箱實例化模型

2.8 結構計算分析

為分析鋼索塔構件受力特性，將CATIA 軟件中的BIM 模型快速導入Midas FEA NX 進行有限元計算分析，并利用建立的有限元模型對復雜鋼索塔錨箱板厚、腹板板厚、塔壁板厚以及隔板數量等關鍵設計參數進行對比分析，得出相關參數對結構剛度和受力的影響。結構計算分析模型如圖12 所示。

圖12 結構計算分析模型

2.9 成果提交

（1）二維出圖

設計成果往往以規范的工程圖為基本方式，因此，設計單位采用BIM 技術建模，要以能完成工程圖為目標。基于三維模型建立標準模板的二維平、立、剖面圖紙與三維模型相關聯，全參數化協同三維模型，使得二維圖紙能夠隨三維模型的參數變化而動態更新。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，大幅提高了設計效率。

（2）工程量統計

針對異形空間呈現彎扭狀態的曲面板件，BIM軟件可以根據設計者的定義給出展開大樣，利用CATIA 的測量功能可以精準計算選取部位面積或者體積，解決了手工計算存在誤差的問題。

3 結語

本文依托CATIA 軟件對非對稱鋼拱塔斜拉橋正向設計應用進行了有益探索，提出了針對航道鋼橋的整體建模設計思路，結合主梁、塔柱、拉索和錨箱等不同構件的特征采用了針對性的解決方案。今后的項目可在此基礎上進一步挖掘其應用性，以期提高智能化設計效率。