超大跨徑拱橋設計關鍵問題及其三維數(shù)字化解決方案

針對超大跨徑拱橋設計過程橋梁結構穩(wěn)定性控制難度大、地質條件要求高、復雜結構外包混凝土澆筑難等關鍵問題，文章以某超大跨徑拱橋為依托開展三維數(shù)字化設計關鍵技術研究與應用，通過對拱橋基礎三維地質、主拱結構等關鍵部位進行有限元模型網格劃分、三維受力分析、仿真模擬分析等應用研究，打通了BIM模型與結構和巖土有限元分析的接口，形成了多項超大跨徑拱橋設計流程和解決方案，對今后大跨徑拱橋高效設計和突破性發(fā)展提供參考。

超大跨徑拱橋；三維數(shù)字化設計；BIM模型；有限元

U442.5A010014

基金項目：

廣西科技計劃項目“基于視覺傳感與云計算的橋梁智慧監(jiān)測及安全評價技術研究”（編號：桂科AB23026153）；廣西科技重大專項“平陸運河跨線橋梁拆建再利用及交通組織優(yōu)化關鍵技術研究”（編號：桂科AA23062022）

作者簡介：

梁" 才（1987—），碩士，高級工程師，研究方向：交通三維數(shù)字化應用及推廣。

0" 引言

近年來，隨著經濟的發(fā)展和技術的成熟，現(xiàn)代橋梁正朝著大跨徑、復雜技術、高強輕質的方向發(fā)展，特別是大跨徑拱橋，在目前許多工程建設中得到了廣泛應用。特大跨徑鋼管混凝土拱橋具有造價低廉、施工快速、后期維護費用低、抗風抗震性能好等優(yōu)點［1］。因此在山區(qū)和城市建設中常常被采用，但隨著拱橋設計跨度的不斷增大，各項計算指標不斷提高，這將對復雜環(huán)境中超大拱橋設計帶來巨大挑戰(zhàn)。采用傳統(tǒng)的設計方法已難以滿足當今大跨徑拱橋精細設計及計算的要求。

三維數(shù)字化設計是新一代數(shù)字化、虛擬化、智能化設計平臺的基礎，是建立在平面和二維設計的基礎上進行分析應用，讓設計目標更立體化、更形象化的一種新興設計方法。本文通過三維數(shù)字化設計手段，以模型為載體、數(shù)據(jù)為支撐，進行三維受力仿真分析、數(shù)據(jù)傳遞及分析接口的打通，可有效地解決超大跨徑拱橋設計結構應力水平、穩(wěn)定性分析及拱座基礎地質環(huán)境分析等關鍵性難題，并研究總結出一套適用于大跨度復雜拱橋設計的方法，為后續(xù)同類型橋梁三維數(shù)字化設計應用提供參考。

1" 超大跨徑拱橋設計現(xiàn)狀

作為橋梁的重要類型之一，拱橋從古代到現(xiàn)代，從簡單到復雜，從石材到鋼鐵和混凝土，技術不斷進步，設計不斷創(chuàng)新。自20世紀90年代以來，拱橋的發(fā)展突飛猛進，鋼管混凝土拱橋和混凝土拱橋不斷刷新世界拱橋跨徑記錄，目前我國在建世界超大跨徑拱橋主跨已達600 m，見圖1。隨著技術的不斷發(fā)展，拱橋的跨徑不斷增大，設計要求不斷提高，當拱橋設計超過極限跨徑后，將帶來一系列新的技術難題，如當存在基礎和地質條件復雜、拱座基礎穩(wěn)定、主拱結構應力大且優(yōu)化困難時，如何保證設計施工一致性以及快速安全施工等。當拱橋構造功能越來越復雜，設計指標、施工質量不斷提高時，傳統(tǒng)的二維平面設計模式已難以滿足日益更新的建設期望和設計理念，二維設計缺陷也越來越明顯。

主要存在以下難點：

（1）傳統(tǒng)的結構分析軟件無法進行高精度建模，導致在復雜構件模型計算時精度不高，需要進行多次計算，難以滿足超大跨拱架高精度計算分析要求。

（2）對于采用復雜外包混凝土主助拱架的拱橋來說，在設計階段要全面考慮在施工復雜構造下的拱橋外包混凝土復雜工序的安全及可行性，二維環(huán)境下是無法進行模擬及深化設計的，這可能會導致設計出的圖紙難以施工或無法施工等問題。

（3）由于大跨徑拱橋的水平推力大，在不良地質環(huán)境中，拱座基礎力學分析計算所涉及的因素眾多，傳統(tǒng)的計算設計流程、方案設計分析難以滿足復雜環(huán)境下拱座基礎受力分析要求。

因此，隨著三維設計軟件和工程數(shù)字化的不斷發(fā)展、成熟，采用三維設計及分析是必然的趨勢。通過三維數(shù)字化設計手段，不僅提升效率和質量，而且便于掌握工程信息模型資源［2］，使工程項目的潛在價值向設計階段前移［3］，最終實現(xiàn)設計可視化、信息化、協(xié)同化設計管理模式。

2" 超大跨徑拱橋三維設計思路

目前，限制大跨徑拱橋跨徑突破的因素包括基礎設計、主拱結構優(yōu)化、快速安全施工等，其對設計手段、計算分析方法提出了更高的要求。三維數(shù)字化技術作為從設計手段、計算分析、結果呈現(xiàn)和仿真優(yōu)化等方面全面升級的新一代工具，為解決大跨徑拱橋設計難題，進一步提升拱橋跨越能力提供了可能。針對現(xiàn)有大跨徑拱橋的三大技術瓶頸，具體所采用的解決思路如表1所示。

以表1中關鍵技術的解決思路為基礎，采用三維數(shù)字化設計和分析的手段輔助對傳統(tǒng)的設計過程進行升級，形成基于三維數(shù)字化技術的超大跨徑拱橋設計思路，如圖2所示。

3" 三維數(shù)字化設計解決對策

3.1" 復雜地質條件下拱橋基礎三維設計分析

針對大跨度拱橋水平推力大、對地質條件要求高的問題，為確保基礎安全穩(wěn)定，提出三種解決方案：

（1）解決復雜地質高精度模型的構建難題，為橋梁基礎設計提供準確依據(jù)。針對現(xiàn)有地質模型存在失真和變形等問題，采用基于離散光滑理論的三維地質建模方法，解決了高精度和純六面體化等建模難題。在運用離散平滑插值技術進行地質建模的過程中，允許多個約束條件同時存在，并可以通過置信因子進行加權，達到指定每個約束條件不同重要性的目的，從而可以生成滿足多個不同約束條件的地質模型［4］，見圖3。結合各類勘察數(shù)據(jù)和專業(yè)推斷建立準確的地質模型，可以精準展現(xiàn)地層結構空間分布情況、構造尺寸等，逼真呈現(xiàn)拱座基礎范圍的地質空間結構（相互之間的位置關系），有效地解決傳統(tǒng)地質信息不足和表達不準確的問題。

（2）基于三維分析的創(chuàng)新拱橋基礎設計方法。對于復雜環(huán)境軟土地質采用地下連續(xù)墻用于大型拱橋基礎設計，其環(huán)形地下連續(xù)墻的優(yōu)勢在于可將支擋結構的抗力最大程度地由軸力提供，進而減小了其彎矩與剪力。結合三維地質模型和拱座基礎BIM模型進行輔助分析和仿真模擬，大大提高了基礎的水平承載能力，解決了不良地質條件下的拱橋基礎設計難題。

（3）打通高精度BIM模型及巖土有限元分析接口。基于高精度三維地質模型及純六面體網格模型，能有效滿足實際工程的結構與巖土耦合數(shù)值分析需要，實現(xiàn)一模多用的目的。具體過程為：采用三維有限元方法對拱座基礎整體以及各部分構造的局部實體部位進行應力計算，將基于MicroStation軟件導出的三維實體模型，導入有限元前處理器HyperMesh，對幾何結構進行高質量網格劃分、施加約束等前處理操作，生成有限元模型后再導入Ansys軟件中進行求解計算［5］。如圖4所示。

3.2" 主拱架應力水平和穩(wěn)定性三維分析

拱橋主拱結構受力復雜，應力水平超限和“二類穩(wěn)定”問題是限制拱橋跨度的主要因素，對計算分析提出了更高的要求。采用三維精細化設計，提升了設計優(yōu)化空間，減少錯漏碰，確保提前發(fā)現(xiàn)問題，進行設計優(yōu)化；結合BIM技術應用后，提高了空間有限元計算效率和準確性，確保分析結果可靠。

（1）基于三維模型進行拱橋結構數(shù)值分析。傳統(tǒng)復雜結構重建實體計算模型容易存在圖模不一致或建模精度不足的問題，且有限元分析采用簡化模擬，會存在誤差。正常情況下BIM模型是無法直接用于有限元分析的，為提高復雜結構受力計算精度，需將精細化BIM模型進行轉化處理，無縫對接BIM和有限元軟件，提升有限元模型建模精度，解決計算模型反復調整次數(shù)多，效率低等問題，見圖5。

基于準確構建的BIM模型能有效提升精度，實現(xiàn)了BIM參數(shù)化設計和有限元分析軟件計算的統(tǒng)一融合，避免了重復建模，實現(xiàn)了設計計算一體化，有效提高了大跨度拱橋結構受力計算精度。

（2）結合BIM進行網格劃分，可提升計算結果可靠性。基于有限元網格劃分的線性工程結構快速BIM建模方法，是從BIM建模端考慮有限元網格劃分，解決了有限元離散化效率低及實體模型的純六面體網格劃分難題，大大提高了網格劃分和計算效率，建模-分析一體化設計流程，見圖6。

3.3" 復雜結構外包混凝土模板優(yōu)化設計

超大跨徑拱橋主拱節(jié)段線性控制施工難度大，為解決后續(xù)拱橋大節(jié)段拱肋預制安裝、復雜結構外包混凝土澆筑等施工難題，實現(xiàn)快速安全施工，在設計階段對主拱結構及外包模板進行了優(yōu)化設計。針對復雜構造下的拱橋外包混凝土澆筑“多段、多環(huán)、多工作面”的工序難點，通過三維設計輔助選取“過程最優(yōu)、結果可控”外包混凝土澆筑方案，并用于施工交底、模板設計等，解決拱肋外包混凝土施工工藝困難且工期長的問題。見下頁圖7。

3.4" 大節(jié)段拱肋加工預制拼裝

打通鋼結構設計從深化到加工一體化的應用，提高加工效率。基于設計BIM模型，可在施工深化階段導入預拱度并進行修正，進行零件詳圖、工藝設計、提料、加工，見下頁圖8。實現(xiàn)了下料優(yōu)化及數(shù)字化加工，提高復雜構件節(jié)段加工精度，確保后續(xù)施工安全。

通過三維設計交底和仿真模擬解決大節(jié)段拱肋預制安裝難題。利用BIM的仿真模擬對拱橋的關鍵節(jié)點施工工藝，尤其是大節(jié)段拱肋的運輸、吊裝路徑進行模擬，通過虛擬建造發(fā)現(xiàn)并解決潛在問題，并提前進行優(yōu)化出圖。

3.5" 不良地質土方分析

針對超大跨度拱橋建設橋位地勢起伏大、地質環(huán)境復雜等特點，結合高清點云原始地形、拱座開挖設計面及三維地質模型開展土方三維網格化開挖分析，在OpenRoads Designer軟件中進行巖層面及原始地面的開挖網格參數(shù)、壓縮系數(shù)及計算精度等設定，達到對復雜環(huán)境不同巖層開挖深度、范圍的精確計算，同時可直接輸出方格網內土方平衡量，對區(qū)域內縱向及橫向開挖數(shù)據(jù)進行自動求和分析（見圖9），以便后續(xù)施工合理地進行工程資源調配，節(jié)省工程費用。實現(xiàn)了拱橋大基礎土方開挖分析可視化、信息化、高效化設計目的，有效地解決了設計過程中復雜環(huán)境下土方開挖分析受限、精度不足、計算慢效率低等問題。

3.6" 技術應用成效

在超大跨徑拱橋設計中通過三維技術進行分析優(yōu)化。打通了復雜結構三維模型與有限元分析接口、基于BIM模型進行結構數(shù)值分析、不良地質土方分析及結構三維優(yōu)化深化等應用的研究，有效提高了拱橋勘察設計的質量及效率，縮短了拱橋工程項目的建設周期，提前規(guī)避了可能存在的問題，減少建設過程中的資源浪費，解決超大跨徑拱橋基礎在復雜地質環(huán)境精細化設計缺陷、主拱結構應力水平超限和“二類穩(wěn)定”等多項技術難題，助力世界拱橋建造技術的跨越發(fā)展。

目前此項研究成果已應用到多座大跨徑拱橋設計中，成果顯著，達到降本增效的目的，真正實現(xiàn)了三維數(shù)字化在工程領域的落地應用。

4" 結語

本文基于超大跨徑拱橋設計開展了三維數(shù)字化技術應用研究，針對復雜環(huán)境超大跨徑拱橋關鍵性設計難題，提出了多項基于三維數(shù)字化拱橋設計的創(chuàng)新技術解決方案，通過結構數(shù)值分析、仿真模擬、三維地質土方分析及三維模型與有限元接口打通等應用研究，克服了傳統(tǒng)設計結構受力分析、設計計算精度不足、效率低等問題，真正做到圖模聯(lián)動，形成大跨徑拱橋可視化、信息化、協(xié)同化設計管理模式，有效提高了設計工作效率及質量，同時也為后續(xù)同類型橋梁的三維數(shù)字化應用提供參考，為拱橋的設計建造不斷突破新的跨度極限提供堅實的技術和實踐支撐。

［1］鄭皆連，王建軍，牟廷敏，等.700 m級鋼管混凝土拱橋設計與建造可行性研究［J］.中國工程科學，2014，16（8）：33-37.

［2］戴" 瑋，鄭" 崗.基于BIM技術的三維數(shù)字化橋梁設計與管理［J］.工程建設，2014，28（6）：724-726.

［3］彭棟宇，陳建國，楊丹建筑業(yè)信息共享技術研究現(xiàn)狀與應用分析［J］.建筑經濟，2010（10）：18-22.

［4］許" 國，王長海.離散平滑插值模擬方法在地下硐室群工程中的應用［J］.工程地質學報，2013，21（2）：216-211.

［5］杜建鑫，李自林，李" 歡.大跨徑鋼管混凝土拱橋的穩(wěn)定性研究［J］.鐵道建筑，2013（7）：19-22.