黃俊炫 張 磊 葉 藝

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海 200092)

1 引言

三維設(shè)計(jì)技術(shù)是當(dāng)前計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，在機(jī)械、建筑、化工、石油等設(shè)計(jì)行業(yè)已得到比較成功應(yīng)用，并成為市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的重要工具。近年來(lái)BIM/PLM所提倡的面向建筑全生命周期的集成建模技術(shù)［1］在工程建設(shè)行業(yè)得到廣泛認(rèn)可，筆者所在設(shè)計(jì)院市也在積極開(kāi)展基于CATIA的三維設(shè)計(jì)探索和應(yīng)用工作。

CATIA是達(dá)索系統(tǒng)的先鋒品牌，領(lǐng)先世界產(chǎn)品設(shè)計(jì)與創(chuàng)新解決方案領(lǐng)域［2］。作為PLM協(xié)同解決方案的一個(gè)重要組成部分，CATIA可以幫助用戶采用三維技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)未來(lái)的產(chǎn)品，并支持從項(xiàng)目前期、設(shè)計(jì)、分析、模擬、組裝到維護(hù)在內(nèi)的全生命周期設(shè)計(jì)流程。與其他三維設(shè)計(jì)軟件相比，CATIA的主要優(yōu)點(diǎn)是:(1)CATIA整體功能強(qiáng)大，可創(chuàng)建任意實(shí)體，曲面造型獨(dú)樹(shù)一幟;(2)CATIA提供參數(shù)化設(shè)計(jì)功能，可實(shí)現(xiàn)參數(shù)和模型的關(guān)聯(lián)更新。

本文根據(jù)長(zhǎng)江大橋工程實(shí)例的建模實(shí)踐，重點(diǎn)闡述了適用于大型橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和CATIA軟件的“骨架+模板”的三維建模方法。

2 長(zhǎng)江大橋工程簡(jiǎn)介

如圖1所示，上海長(zhǎng)江大橋起于隧道長(zhǎng)興島登陸點(diǎn)，沿地面橫穿長(zhǎng)興島，由長(zhǎng)興島東北部跨越長(zhǎng)江口北港水域至崇明島陳家鎮(zhèn)，與崇啟通道工程相接，全長(zhǎng) 16．63 km，其中道路 6．66 km，橋梁9．97 km。主航道橋的設(shè)計(jì)方案為斜拉橋，按雙向6車(chē)道設(shè)計(jì)，主塔造型形如“人”字，平直的橋面從腰際穿插而過(guò)，被稱為“長(zhǎng)江門(mén)戶第一橋”。

該工程實(shí)例的三維建模重點(diǎn)是總跨度1 430 m的主航道橋，采用五跨連續(xù)全飄浮體系，跨徑布置為92 m+258 m+730 m+258 m+92 m，屬于雙塔雙索面分離鋼箱梁斜拉橋，由基礎(chǔ)、主塔、橋墩、主梁、斜拉索等五大結(jié)構(gòu)組成。其中基礎(chǔ)采用Φ3 000(上段)～2 500 mm(下段)變截面鉆孔灌注樁，承臺(tái)采用圓端形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu);主塔采用人字形獨(dú)柱鋼筋混凝土索塔，塔高216．322 m，索塔錨固采用鋼錨箱方案;輔助墩、邊墩采用雙柱空心薄壁墩;主梁采用分離式流線形扁平鋼箱梁(見(jiàn)圖2)，主梁節(jié)段標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度15 m，寬51．5 m，高4 m，分離鋼箱梁之間由箱形鋼橫梁連接，索梁連接錨固采用錨箱式結(jié)構(gòu)。斜拉索在梁上標(biāo)準(zhǔn)索距15．0 m，塔上標(biāo)準(zhǔn)索距2．5 m。

3 大型橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

大型橋梁常用的橋型有梁橋、拱橋、斜拉橋和懸索橋等。每種橋型包括的主要構(gòu)件具有一定的共性，但也有所不同區(qū)別。主要構(gòu)件可抽象為七大類(lèi):主梁、支撐、基礎(chǔ)、連接構(gòu)件、連接節(jié)點(diǎn)、橋面系、附屬設(shè)備等。其中每種構(gòu)件的形狀、采用的材料均是多樣的，形式較復(fù)雜的主要是主梁、支撐、連接節(jié)點(diǎn)三類(lèi)。

以長(zhǎng)江大橋?yàn)槔笮蜆蛄嚎梢钥闯捎梢唤M結(jié)構(gòu)構(gòu)件、附屬設(shè)備及環(huán)境條件組成的三維系統(tǒng)。各構(gòu)件及設(shè)備均具有材料組成、各部分的相對(duì)位置、幾何形狀等基本屬性，同時(shí)具有與不同分析要求相對(duì)應(yīng)的力學(xué)特征，如用于整體結(jié)構(gòu)分析的截面特性、用于局部分析的板件厚度、材料特性等。此外各構(gòu)件和設(shè)備之間應(yīng)有明確的相對(duì)位置、連接形式等。環(huán)境條件包括地形、地質(zhì)、水文、凈空要求等信息。

可見(jiàn)與汽車(chē)以及機(jī)械制造等行業(yè)不同，大型橋梁有其自身的專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)。大型橋梁以結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)為主，大部分構(gòu)件為結(jié)構(gòu)構(gòu)件，且絕大部分不是標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，與材料組成有很大關(guān)系，需要反映工程力學(xué)特性，形狀還要保留足夠的靈活性。主要表現(xiàn)有以下三方面。

1)復(fù)雜性:現(xiàn)代橋梁工程通常在某種意義上也是景觀工程，使得橋梁往往成為某區(qū)域的地標(biāo)性建筑物之一。這樣就對(duì)橋梁的外觀要求比較高，導(dǎo)致在不同橋梁工程中即使同一類(lèi)橋梁也有很大差別。

2)一致性:在橋梁工程設(shè)計(jì)中，受到不同工程設(shè)計(jì)條件、景觀要求等約束限制，要做到跨工程間的模型重復(fù)利用很困難。同時(shí)為了便于設(shè)計(jì)和施工，在具體工程中又必須采用統(tǒng)一的設(shè)計(jì)原理或規(guī)律，自上而下進(jìn)行結(jié)構(gòu)分解和設(shè)計(jì)。因此在一個(gè)特定橋梁工程中，通常有數(shù)量龐大的、彼此各不相同又有一定變化規(guī)律的分部分項(xiàng)設(shè)計(jì)單元。

3)可變性:大型橋梁結(jié)構(gòu)中分部分項(xiàng)設(shè)計(jì)單元的形式和尺寸變化很大，不適合做成零件進(jìn)行裝配;同時(shí)這些單元又具有相同設(shè)計(jì)變化規(guī)則，可以定制成一定類(lèi)型的模板進(jìn)行實(shí)例化。因此往往更需要關(guān)注的是如何提高彼此各不相同、又有一定設(shè)計(jì)規(guī)律的分部分項(xiàng)的設(shè)計(jì)效率。

4 大型橋梁建模方法

4．1 基本原則

1)世界坐標(biāo)系:采用右手笛卡爾坐標(biāo)系。為了便于建模和保持坐標(biāo)一致性，把XY平面原點(diǎn)設(shè)在跨中對(duì)稱中心，把Y軸與主梁中心線對(duì)齊，把Z軸原點(diǎn)定在標(biāo)高0平面上。

2)建模單位:主橋統(tǒng)一為毫米?？紤]到長(zhǎng)江大橋全橋長(zhǎng)度10 km以上，超過(guò)CATIA的默認(rèn)表達(dá)范圍，為此主橋以外內(nèi)容建議在另一項(xiàng)目中建模，并縮小1 000倍按米為單位進(jìn)行建模。后續(xù)使用時(shí)注意拼合比例即可。

3)建模命名:長(zhǎng)江大橋項(xiàng)目中的所有產(chǎn)品/部件/零件均以“CJDQ_”開(kāi)頭。采用長(zhǎng)江大橋的中文拼音首寫(xiě)字母，便于設(shè)計(jì)小組成員記憶。

4)對(duì)稱性:考慮到主橋具有對(duì)稱性的特點(diǎn)，采用對(duì)稱方法可以減少近大半工作量。

5)建模方法:骨架驅(qū)動(dòng)+文檔模板。骨架為定位需要的點(diǎn)、線、面基本元素，不宜過(guò)分復(fù)雜。模板為有設(shè)計(jì)規(guī)律的分部分項(xiàng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件，需進(jìn)行參數(shù)化控制。

4．2 骨架驅(qū)動(dòng)——定位方法

在CATIA軟件中，有一個(gè)很重要的概念叫做裝配，大致上就是對(duì)零件的組裝，并依靠最后的裝配來(lái)檢驗(yàn)零件設(shè)計(jì)的正確性。CATIA裝配模塊按照機(jī)械行業(yè)習(xí)慣很好地實(shí)現(xiàn)了這個(gè)功能，即通過(guò)各種約束可以把各個(gè)構(gòu)件精準(zhǔn)方便的定位(見(jiàn)圖3)。

由于行業(yè)不同，橋梁設(shè)計(jì)中的定位方式與機(jī)械行業(yè)不太一樣，采用CATIA現(xiàn)有裝配功能來(lái)定位橋梁各部件的相對(duì)位置關(guān)系就顯得比較麻煩。通過(guò)探索可采用CATIA骨架驅(qū)動(dòng)的方法來(lái)避免橋梁構(gòu)建相互組裝的步驟，即事先把關(guān)鍵位置關(guān)系用簡(jiǎn)單的元素(如點(diǎn)、線、面等，見(jiàn)圖4)來(lái)確定，各個(gè)部件則參考這些元素進(jìn)行建模，最后直接組合成為整個(gè)結(jié)構(gòu)。這些關(guān)鍵的簡(jiǎn)單元素可以統(tǒng)稱為骨架，它起到了樞紐的作用，既體現(xiàn)了構(gòu)件之間的相對(duì)位置關(guān)系，也為各個(gè)構(gòu)件的建模提供了共同的參考。

例如道路中心線可以作為主梁結(jié)構(gòu)建模的骨架，通過(guò)確定道路中心線位置，主梁的位置也就確定了;給定了橋墩的頂?shù)讟?biāo)高和其縱橫位置，那么橋墩布置的位置也就確定了。這樣橋梁各個(gè)構(gòu)件的設(shè)計(jì)人員可以相對(duì)獨(dú)立地進(jìn)行設(shè)計(jì)建模，而不必要再考慮其他構(gòu)件的位置，在進(jìn)行構(gòu)件總體組合時(shí)，也容易查出錯(cuò)漏碰缺，即使出現(xiàn)問(wèn)題只需修改相應(yīng)構(gòu)件。

如圖5所示，長(zhǎng)江大橋的工程實(shí)例就是采用骨架驅(qū)動(dòng)的定位方法來(lái)組合形成三維模型。骨架驅(qū)動(dòng)的好處就是可以不用機(jī)械裝配模式來(lái)進(jìn)行組合，事先就可以確定好各自構(gòu)件的相對(duì)位置關(guān)系。這種思路也吻合了橋梁設(shè)計(jì)的一般思路過(guò)程，先確定好橋梁的總體布置，實(shí)質(zhì)上就是明確主要結(jié)構(gòu)之間的相對(duì)位置，再對(duì)各部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。此外還可以結(jié)合骨架驅(qū)動(dòng)方法進(jìn)行項(xiàng)目工作分解，使得設(shè)計(jì)人員可以并行工作(見(jiàn)圖4)。

圖5 長(zhǎng)江大橋的主橋三維模型

總之骨架的應(yīng)用已成為現(xiàn)階段CATIA最方便且最實(shí)際的橋梁定位方法。橋梁工程因?yàn)榈刭|(zhì)條件、地形、跨徑、橋?qū)?、橋型等因素，不可能有兩座完全一樣的橋，兩座非常近似的橋也很難找。因此做一個(gè)帶參數(shù)的骨架模型還不如每個(gè)工程做一個(gè)單獨(dú)的骨架模型，不必強(qiáng)求跨工程的重復(fù)利用。其實(shí)建立骨架還是比較方便的，除了利用CATIA直接創(chuàng)建外，還可以從AutoCAD導(dǎo)入橋梁豎曲線、拉索中心線、塔柱中心線、輔助墩邊墩中心線等骨架元素。

4．3 文檔模板——構(gòu)件方法

在長(zhǎng)江大橋工程實(shí)例建模中，文檔模板方法也得到了的廣泛應(yīng)用，可以有效提高一個(gè)橋梁工程中大量有設(shè)計(jì)規(guī)律的構(gòu)件單元(如拉索、鋼錨箱、主梁節(jié)段等)的建模效率。

(1)拉索文檔模板

利用CATIA知識(shí)工程［3］的文檔模板工具可以把Part、Product發(fā)布成文檔模板。如圖6所示，把單根拉索制作為帶參數(shù)的文檔模板，并以中心線作為外部輸入條件，通過(guò)參數(shù)設(shè)計(jì)表逐根實(shí)例化可以得到半橋的所有拉索模型。參數(shù)設(shè)計(jì)表共有46組拉索參數(shù)，每組參數(shù)對(duì)應(yīng)一根拉索。

(2)鋼錨箱文檔模板

與拉索文檔模板類(lèi)似，鋼錨箱模板也發(fā)布了一系列構(gòu)造參數(shù)，并附帶參數(shù)設(shè)計(jì)表用于實(shí)例化生成單個(gè)塔柱的所有鋼錨箱(見(jiàn)圖7)。其參數(shù)設(shè)計(jì)表共有22組鋼錨箱參數(shù)，選擇參數(shù)編號(hào)即對(duì)應(yīng)一個(gè)錨箱的整套參數(shù)組合。

(3)主梁節(jié)段文檔模板

鋼箱梁由于實(shí)際是按節(jié)段劃分，需要逐個(gè)節(jié)段進(jìn)行建模。由于每個(gè)節(jié)段各不相同、又大致結(jié)構(gòu)類(lèi)似。采用CATIA文檔模板的方法進(jìn)行主梁建模，就是將一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段作為模具，其它類(lèi)似的節(jié)段通過(guò)模板實(shí)例化生成新的節(jié)段，并在此基礎(chǔ)上適當(dāng)進(jìn)行修改即可。

如圖8所示，主梁節(jié)段的輸入條件為道路中心線上對(duì)應(yīng)節(jié)段劃分的起點(diǎn)和終點(diǎn)，輸出內(nèi)容為鋼箱梁的主體結(jié)構(gòu)(包括縱向和橫向結(jié)構(gòu))。

不同大型橋梁工程的主梁截面和構(gòu)造差別很大，幾乎沒(méi)有兩個(gè)項(xiàng)目主梁是一樣的，而主梁包含的設(shè)計(jì)內(nèi)容又很多且復(fù)雜，因此要做一個(gè)主梁模板應(yīng)用各種工程項(xiàng)目中是不可行的。但是同一個(gè)項(xiàng)目里，主梁節(jié)段是符合一定的設(shè)計(jì)規(guī)律，可以通過(guò)文檔模板方法來(lái)提高多個(gè)節(jié)段的設(shè)計(jì)效率，其他大橋結(jié)構(gòu)中復(fù)雜的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)也可使用該方法。

5 小結(jié)

通過(guò)長(zhǎng)江大橋工程實(shí)例的建模實(shí)踐，我們對(duì)CATIA軟件有了更加深刻的認(rèn)識(shí)，并總結(jié)提煉出了適用于大型橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的“骨架+模板”的三維建模方法。即以橋梁總體布置骨架為主導(dǎo)，以構(gòu)件設(shè)計(jì)模板為核心，結(jié)合參數(shù)化功能，實(shí)現(xiàn)大型橋梁結(jié)構(gòu)的有效建模。

這種“骨架+模板”方法，除了可應(yīng)用于與長(zhǎng)江大橋相類(lèi)似的斜拉橋工程，也可推廣應(yīng)用于其他類(lèi)型的大型橋梁如懸索橋、拱橋、連續(xù)梁橋等。具體做法是在骨架定位的基礎(chǔ)上，把在一個(gè)橋梁工程項(xiàng)目中有設(shè)計(jì)規(guī)律的各個(gè)單元做成帶參數(shù)的文檔模板(可以是塔柱、承臺(tái)、立柱、橋臺(tái)、樁基等混凝土構(gòu)件，也可以是主塔鋼錨箱、主橋鋼箱梁、主梁鋼錨梁、主橋拉索、鋼防撞欄桿等鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件)。

［1］張建平，余芳強(qiáng)，李丁．面向建筑全生命周期的集成BIM建模技術(shù)研究［J］．土木建筑工程信息技術(shù)，2012，4(1):6-14．

［2］達(dá)索系統(tǒng)集團(tuán)官方網(wǎng)站，http://www．3ds．com/cn/products/CATIA/

［3］顧曉華，仲梁維．基于知識(shí)工程的參數(shù)化設(shè)計(jì)［J］．設(shè)計(jì)與研究，2001，30(4):17-18．

［4］李德超，張瑞芝．BIM技術(shù)在數(shù)字城市三維建模中的應(yīng)用研究［J］．土木建筑工程信息技術(shù)，2012，4(1):47-51．

［5］姚守儼．施工企業(yè)BIM建模過(guò)程的思考［J］．土木建筑工程信息技術(shù)，2012，4(3):100-105．