孫旭陽

（保定交通建設監(jiān)理咨詢有限公司，河北保定 071000）

交互式3DCAD技術在斜拉橋建設中的應用

孫旭陽

（保定交通建設監(jiān)理咨詢有限公司，河北保定 071000）

為了確定面向對象的3DCAD技術在橋梁建設中的作用和局限性，基于交互式3D CAD技術對一座斜拉橋中跨主梁施工過程中的構件碰撞、構件卸載空間和起重機運行進行空間分析。結果表明，交互式3DCAD能對基于不同材料的二維圖紙進行集成，準確、高效地識別結構碰撞問題，同時3DCAD的交互性允許工程師根據(jù)不同施工計劃和方案有效地分析構件卸載和起重機運行空間。

橋梁；斜拉橋；3DCAD；橋梁施工

斜拉橋主梁施工方法大體可分為頂推法、平轉法、支架法和懸臂法。懸臂拼裝法是先在塔柱區(qū)澆筑或安裝一段放置起吊設備的起始梁段，然后用適宜的起吊設備從塔柱兩側依次對稱拼裝梁體節(jié)段。由于懸臂拼裝法能很好地適應各種地形條件，成為斜拉橋施工最常用的方法。斜拉橋由多種構件組成，吊機運行空間受到各構件的約束，各工序之間也存在復雜的關系，如何提高施工效率成為有待解決的關鍵問題。而現(xiàn)在大多數(shù)施工企業(yè)仍采用傳統(tǒng)2D技術，難以清晰地表達施工過程的動態(tài)變化。隨著計算機技術的飛速發(fā)展，三維計算機輔助設計（3DCAD）技術賦予了橋梁施工新的內涵。

文獻［2］開發(fā)了一種將3DCAD技術與線性規(guī)劃相關聯(lián)的方法；為了提高施工的安全性，文獻［3］結合3DCAD技術，提出了一種自動估計建筑施工時所需三維工作空間的方法；文獻［4］為了幫助施工人員更好地了解施工作業(yè)的詳細程度，進行了塔式起重機的3D施工模擬；文獻［5］通過三維計算機圖形模型與實際施工現(xiàn)場圖像的對比，研究了運用虛擬3DCAD對象模擬實際結構構件的方法。這些研究大多集中在房屋建筑工程中。橋梁工程如斜拉橋由于其復雜的結構，需進行深入的空間約束分析。該文將面向對象的系統(tǒng)仿真技術與3DCAD技術相結合，研究大型橋梁施工全過程的可視化仿真與優(yōu)化問題。

1　面向對象的交互式3DCAD技術

3DCAD技術將三維CAD模型與施工歷時整合，以三維模型的形式反映橋梁施工活動的進行，并利用強大的計算能力和高效的圖形處理能力，通過空間和時間兩方面仿真橋梁的施工過程。在設計過程中，和傳統(tǒng)CAD建模不同，3DCAD能有效解決任意時刻的施工過程可視化問題，因而能幫助設計人員深刻理解施工過程中的問題，并能更好地利用專家經(jīng)驗和設計人員的主觀分析改善施工質量。

3DCAD仿真系統(tǒng)主要包含三維模型可視化子系統(tǒng)（包括建筑物、地形等）、進度仿真子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)共享子系統(tǒng)和3D演示子系統(tǒng)四部分，還有一個擴展模塊即設計結果可視化（包括圖像、圖表、文檔輸出和顯示）。在設計過程中，3DCAD仿真系統(tǒng)充分利用CAD平臺，結合專家系統(tǒng)輔助設計人員實現(xiàn)施工進度計劃。首先根據(jù)設計內容和要求確定所要解決的問題，在CAD中建立橋梁三維模型，再根據(jù)施工進度仿真的要求，利用VBA獲取橋梁模型幾何形狀參數(shù)和其他屬性，并賦予ID存入數(shù)據(jù)庫，以便與進度仿真結果相連接。三維地形模型采用TIN模型建立，再與三維建筑物模型進行匹配，進而得到施工場景。同時利用VC++開發(fā)的施工進度仿真子系統(tǒng)對施工工序歷時進行模擬，將仿真結果導入數(shù)據(jù)庫中，由數(shù)據(jù)共享數(shù)據(jù)庫將仿真結果與橋梁3D模型進行整合，使之帶有時間屬性，動態(tài)調用數(shù)據(jù)庫，則可生成施工動態(tài)效果。通過對3D成果的分析、反饋，得到最優(yōu)施工方案，包括優(yōu)化后的機械設備數(shù)量、施工歷時、最短路徑和均衡后的施工資源強度等。

通過3D演示，可以掌握施工工序和它們之間錯綜復雜的關系。如果發(fā)現(xiàn)問題，則必須進行必要的反饋分析，從而使施工進度更加合理。以3D模型作為交互的基礎，可以對不同施工方案和工序先后順序的優(yōu)劣進行有效估計和比較，由此對施工方案作出相應調整。

2　案例分析

下面以某斜拉橋為背景，研究交互式3DCAD系統(tǒng)在橋梁施工中的應用。

2.1工程概況

該橋全長442m，跨徑為（57.5+327+57.5）m，主梁采用鋼縱橫梁體系與砼橋面板組合的形式，縱橫梁之間采用高強螺栓連接，縱橫梁與砼橋面板之間采用剪力釘連接。主跨由28個節(jié)段組成，采用懸臂拼裝法施工。由于條件限制，節(jié)段的各構件均由起重機吊運到預定位置，在施工現(xiàn)場完成拼裝。通用型履帶起重機超過100t的自重導致其無法在該橋施工中應用，故專門設計一種自重較輕的桅桿起重機（如圖1所示）。起重機軌道鋪設在橋面板側面而不是中部，以保證有足夠的空間放置和移動節(jié)段組件。

圖1　起重機3D模型

2.2結構構件碰撞檢查

3DCAD最重要的作用之一是結構構件的碰撞檢查。隨著橋梁工程規(guī)模和復雜性的增大，傳統(tǒng)的二維圖紙很難對工程的完整狀態(tài)進行精確描述，各構件之間可能存在的沖突問題也很難被發(fā)現(xiàn)，從而影響橋梁的施工。相較于二維模型，3DCAD能立體地看設計，在實際施工開始前就能發(fā)現(xiàn)構件碰撞問題并予以消除，確保施工的順利進行。

該橋僅上部結構就有200多頁二維圖紙，根據(jù)不同位置、材料、視角和詳細程度等分為多種類型：根據(jù)構件位置，可分為邊跨、中跨、上部和下部等；根據(jù)所使用的材料，可分為鋼構件、鋼筋和砼；根據(jù)視角，可分為平面圖、側面圖和橫斷面圖等；同時結合一些復雜部位的詳圖就可以表示特定的結構對象。為了方便施工人員更好地了解將要建造的結構，應將多功能信息結合起來形成三維的概念，然而即使對于一個經(jīng)驗豐富的工程師，要將分布在大量不同二維圖紙上的所有相關信息結合起來并考慮所有可能出現(xiàn)的狀況，都是一項艱巨的不可能完成的任務。

圖2（a）表示錨拉板與砼橋面板主鋼筋之間的沖突，它是建筑工程師在集成的三維模型的幫助下檢測到的。如前所述，與這個特別的位置相關的傳統(tǒng)二維圖紙被分為兩個單獨的類別，即鋼錨拉板、砼橋面板主鋼筋。因為它們沒有劃定在同一個頁面，施工人員很難發(fā)現(xiàn)這個碰撞問題。但使用集成的3DCAD系統(tǒng)后，這兩種不同材料被放置在一個相同的區(qū)域（3DCAD系統(tǒng)只有一種包含信息的3D實體單元來表示最終建造的結構）。由于3D實體單元包括所有信息，對于錨拉板和鋼筋之間的碰撞問題，甚至非專業(yè)人員也可以很容易地發(fā)現(xiàn)。另外，可以從任意視角讀取三維實體，滿足傳統(tǒng)的二維圖形格式的需要。

圖2　構件碰撞檢查結果

圖2（b）表示另一個典型的存在碰撞問題的位置，即一根邊梁頂部的剪力釘與砼橋面板主鋼筋沖突。在二維信息形式中，剪力釘被顯示在縱橫梁的圖紙中，而鋼筋被顯示在現(xiàn)澆鋼筋砼橋面板中，二維狀態(tài)下很難檢測到這一問題。但當這些不同種類信息集成到三維模型中時，碰撞問題就可能很容易地被發(fā)現(xiàn)。在現(xiàn)階段的研究中，存在碰撞問題的區(qū)域還不能被自動檢測出來，它依賴于對三維模型的人為監(jiān)控。在不久的將來，面向對象的方法將進一步提高系統(tǒng)自動識別所有存在碰撞問題區(qū)域的能力。

2.3構件卸載空間分析

進行主梁節(jié)段安裝時，起重機軌道鋪設在橋面板左側，當拖車將構件運送至施工現(xiàn)場時，起重機可以將其吊運到右側的空間。這看起來是可行的，但工程師需進一步確定構件放置空間的充分性，以避免在實際施工時出現(xiàn)問題。

主梁施工的主要構件包括邊梁、橫梁、縱梁和預制砼板。預制砼板在施工現(xiàn)場附近的工廠制作，鋼構件則在200km外的工廠制作。在實際施工開始前，建筑工程師計劃在一個工作日內安裝2根邊梁，并完成所有的螺栓連接和扭矩檢查。由于邊梁安裝任務的時間安排很緊，工程師想對安裝全過程有一個很好的把握，包括邊梁運送及放置空間規(guī)劃。圖3（a）是運用3DCAD系統(tǒng)分析后的結果，確保了在橋面板右側有足夠的空間放置邊梁。

圖3　構件卸載空間分析結果

對橫梁也進行同樣的空間分析，結果如圖3（b）所示。據(jù)估計，一個工作日內可以安裝3根橫梁和3根縱梁并完成螺栓連接和扭矩檢查。如同邊梁安裝，工程師也希望對橫梁安裝有一個立體的認識。3根橫梁被同時運送至工地，盡管看似沒有足夠的空間放置，但工程師通過三維模型分析，選擇錯位放置的方式將其安置在橋面板右側。以同樣方式，對預制砼板進行圖形檢查，與其他構件不同，砼板是從拖車上直接吊起安裝的，結果如圖3（c）所示。

不同的施工方案，橫梁和縱梁安裝順序不同，那么構件卸載所需空間也就不同。為了更加高效、精確地完成施工任務，需針對不同施工方案進行空間分析。最初的想法是各構件分別單獨安裝，這主要是為了最大限度地減少起重機吊臂所承受的最大荷載。但構件單獨安裝無法形成一個穩(wěn)定、安全的工作環(huán)境，潛在的安全風險也會對施工效率產生負面影響。因此，工程師決定首先將1根橫梁與1根縱梁連接起來形成一T形構件，然后吊起并安裝以形成更加穩(wěn)定和安全的工作環(huán)境，圖3（d）為其空間分析結果。這種先形成T形構件的方案比各構件獨立安裝更加高效，因為起重機只需移動3次T形構件，而獨立安裝需運行6次。

2.4起重機運行空間包絡分析

起重機在工程建設中用于吊運各種建筑構件及臨時結構，包括邊梁、橫梁、縱梁、預制砼板、工作平臺、人籠等，其使用效率嚴重影響工程進度。對起重機移動一個構件的整個運動路徑進行空間分析（包括確定所有可能的三維位置），需進行相當龐大的計算，這是不適宜也是不必要的。因此，采用一種簡化方法，即三點檢測法：一是將構件吊運至放置位置，二是將構件移動至安裝位置，三是放置位置與安裝位置的中間點。嚴格來說第三點并不是一個點而是一個過程。例如吊運1根橫梁時，首先確定起吊位置和安裝位置、橫梁上方是否有足夠的空間放置起重機吊臂（如圖4所示），然后檢查放置位置與安裝位置之間是否有足夠的空間移動吊臂。

圖4　起重機運行空間分析

即使采用三點檢測法，要對每一個構件進行吊運安裝空間分析也很艱巨，需要一種更高效的方法。如圖5（a）所示，基于起重機吊臂能到達的所有位置建立其工作包絡線，起重機基座平面與吊臂能到達的所有最遠位置組成一個半球面，工作包絡線意味著起重機吊臂可以在該半球面內的任意位置移動。更實用和高效的方法就是確定起吊位置、安裝位置及二者的中間點包含在起重機運行包絡線內。

圖5　吊運不同構件起重機的運行包絡線

表1為起重機分別吊運邊梁、橫梁和縱梁的最大半徑和旋轉角度，旋轉角度的基線如圖6所示。

表1　不同構件起重機吊臂最大承載能力

圖6　吊臂旋轉基線

從表1可以看出：構件重量越大，吊臂運行半徑越小。圖5（b）～（d）為考慮不同構件后修正的起重機運行包絡圖，工程師可以選擇對應的包絡圖，并采用前面提到的三點檢測法確保起重機工作時不存在空間約束。運用起重機包絡線和三點檢測相結合的空間分析方法可快速判斷起重機能否自由工作，從而提高起重機的使用效率，加快施工進度。

3　結語

面向對象的交互式3DCAD系統(tǒng)可使用戶清楚地了解施工狀況，從碰撞檢查到構件卸載空間分析再到起重機運行包絡線分析，工程師可以對一系列的施工方案進行討論，在開工建設之前或建設過程中出現(xiàn)的問題和想法都能結合現(xiàn)有的資源和條件及時地在虛擬的三維模型中進行分析驗證。

該文運用交互式3DCAD技術對一座斜拉橋中跨主梁施工過程中的構件碰撞、構件卸載空間和起重機運行進行空間分析，分析了面向對象的3D CAD技術在橋梁建設中的作用和局限性。面向對象的交互式3DCAD能對基于不同材料的二維圖紙進行集成，從而準確、高效地識別結構碰撞問題。3DCAD的交互性允許工程師根據(jù)不同施工計劃和方案有效地分析構件卸載和起重機運行空間。交互式3DCAD系統(tǒng)是一個能從空間角度對施工條件進行快速檢測的工具。

［1］ 張正峰，付金強，吳康新，等.基于4DCAD的大型橋梁施工進度系統(tǒng)仿真研究［J］.中國工程科學，2006，8（1）.

［2］ Staub-FrenchS，RussellA，TranN.Linearscheduling and3Dvisualization［J］.JournalofComputinginCivil Engineering，2008，22（3）.

［3］ AkinciB，F(xiàn)ischerM，KunzJ.Automatedgenerationof workspacesrequiredbyconstructionactivities［J］. JournalofConstructionEngineeringandManagement，2002，128（4）.

［4］ Al-HusseinM，NiazmMA，YuH，etal.Integrating3D visualizationandsimulationfortowercraneoperations onconstructionsites［J］.AutomationinConstruction，2006，15（5）.

［5］ BehzadanAH，KamatVR.Georeferencedregistration ofconstructiongraphicsinmobileoutdooraugmented reality［J］.JournalofComputinginCivilEngineering，2007，21（4）.

［6］ 鐘登華，宋洋.基于GIS的水利水電工程三維可視化圖形仿真方法與應用［J］.工程圖學學報，2004，25（1）.

［7］ 鐘登華，李景茹，劉奎建.全過程動態(tài)仿真技術及其在大型工程施工管理中的應用［J］.天津大學學報，2003，36（3）.

［8］ 張建平，王洪鈞.建筑施工4D++模型與4D項目管理系統(tǒng)的研究［J］.土木工程學報，2003，36（3）.

［9］ 肖劍.赤石斜拉橋雙曲線索塔施工技術［J］.公路與汽運，2015（2）.

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2016-01-10