李 興，王毅娟，王 健

(1.北京建筑大學 土木與交通工程學院，北京 100044；2.北京建筑大學 土木與交通工程學院 北京節(jié)能減排關鍵技術協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100044)

基于CATIA的BIM技術在橋梁設計中的應用

李 興1，王毅娟2，王 健1

(1.北京建筑大學 土木與交通工程學院，北京 100044；2.北京建筑大學 土木與交通工程學院 北京節(jié)能減排關鍵技術協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100044)

基于BIM技術在橋梁設計中應用，其首要問題就是選取一款能夠滿足橋梁骨架線平滑程度和局部構件精度的三維建模軟件. 因為CATIA軟件自身擁有強大的曲線、曲面和空間結(jié)構設計能力，所以被越來越多的人用于橋梁設計階段的三維建模. 依據(jù)相應橋梁工程項目中特定要求選取法國達索公司的CATIA軟件作為BIM技術的操作平臺，以蝴蝶型拱橋的基本組成部分：基礎、拱肋、橋面系、拉索以及支座構建橋梁三維模型的骨架，結(jié)合橋梁局部參數(shù)化的構件進行三維模型的建立. 同時，根據(jù)三維模型的數(shù)字化、信息化和可模擬化等特點，對橋梁工程項目在其施工階段進行分析與指導. 從而提高橋梁設計師的工作效率和橋梁工程的質(zhì)量.

CATIA； BIM； 三維建模； 橋梁

隨著BIM技術在全世界的迅速興起，越來越多的CAD/CAM/CAE軟件被人們應用于建筑工程項目的設計階段. 例如：達索的CATIA、歐特克的Revit以及GRAPHISOFT的ArchiCAD等軟件. CATIA軟件是一款BIM的核心建模軟件，而且是實現(xiàn)一個BIM項目中人員、工具、方法和資源集成的基礎. 根據(jù)橋梁工程項目中的造型復雜、預制構件的精度要求高、骨架線的平滑程度高等要求，CATIA被越來越多的人應用于橋梁的三維建模上. CATIA軟件具有以下幾個功能和特點：

1)設計者可以根據(jù)高程信息、地質(zhì)調(diào)查資料以及縱橫斷面形成地質(zhì)模型；

2)具有強大的曲線、曲面和空間結(jié)構設計能力，完全能夠滿足彎橋道路中心線的平滑程度以及復雜空間構件的精細度；

3)能夠?qū)崿F(xiàn)局部構件的參數(shù)化建模，在三維建模的后期實現(xiàn)快速修改模型；

4)利用知識工程模塊，使構件的參數(shù)與參數(shù)相關聯(lián)，實現(xiàn)任意參數(shù)的變動帶動整體模型的同步更新；

5)能夠與有限元軟件Abaqus無縫對接，使橋梁結(jié)構受力分析更加方便快捷.

如果以上這些特點能被橋梁的結(jié)構工程師所掌握，那么在橋梁的三維建模以及結(jié)構受力分析上將大大提高工作效率，減少返工. 本文下面以某蝴蝶拱橋為例，詳細闡述如何利用CATIA中點、線和面因素來構建蝴蝶拱橋的骨架以及結(jié)合知識工程模塊中UDF(User Defined Feature)的參數(shù)化模板來進行建模[1].

1 工程概況

本蝴蝶拱橋的計算跨徑為38 m. 拱肋軸線所在的平面與拱座中心所在的鉛直平面呈35°，拱軸線為二次拋物線，其拋物線方程為Y=-0.026 315 789 5x2+9.5 m，矢跨比為1/4. 拱肋鋼管采用外徑為600 mm，壁厚為14 mm的鋼管. 加勁梁為邊主梁構造，采用14 mm厚的Q345qC鋼板焊接而成，加勁梁截面的高度為400 mm，寬度為750～864.9 mm. 兩個拱肋鋼管之間以及拱肋與加勁梁之間采用工字型的橫梁連接. 橫梁的高度為600 mm，寬度為4 021.7～5 449.5 mm，頂板和底板均采用16 mm的Q345qC鋼板，腹板采用20 mm的Q345qC鋼板. 在橫梁頂板與底板的高度處，拱肋內(nèi)部采用16 mm的Q345qC鋼板進行加勁. 邊主梁之間采用頂板和底板均為12 mm的Q345qC鋼板以及腹板為10 mm的Q345qC鋼板焊接而成的工字梁連接. 工字梁上面鋪筑厚度為100 mm的鋼筋混凝土預制板. 拱肋的拉索采用環(huán)氧樹脂防護鋼絞線，每根拉索由一束鋼絞線構成. 基礎為四樁承臺基礎，承臺尺寸為5.6 m×5 m×2 m，樁基礎是直徑為1 m的鋼筋混凝土灌注樁. 橋梁立面如圖1所示.

2 CATIA建模流程

2.1 建模原則的制定

橋梁三維模型的建造工作量巨大，需要多個設計人員來協(xié)同工作. 因此，在建立模型之前應制定本橋梁建模的原則. 本文認為建立全橋模型的原則為：盡量保持橋梁骨架線之間的相互關聯(lián)，但是每個局部構件之間盡量相互獨立，避免后期改動局部構件影響全橋的尺寸變化. 局部構件盡可能的實現(xiàn)參數(shù)化，并提高實例化文檔的重復利用率.

以右手笛卡爾坐標系為基本坐標系.X、Y、Z軸分別為橋梁橫橋向、順橋向和垂直高度方向. 全橋的長度單位為mm. (注：如果橋梁總長為10 km以上，其長度就超過了CATIA默認的表達范圍[2]，設計人員應該把全橋尺寸按適當?shù)谋壤s小再進行建模. )

2.2 橋梁骨架的構建

根據(jù)CATIA軟件在產(chǎn)品中新建或者插入產(chǎn)品或零部件時，即在產(chǎn)品與產(chǎn)品或零部件中建立了一個instance關聯(lián)[3]，該關聯(lián)能夠獲取產(chǎn)品或零部件的存放路徑與名稱，直接調(diào)用該產(chǎn)品或零部件. 根據(jù)蝴蝶型拱橋的基本組成部分和instance關聯(lián)的特性，將蝴蝶拱橋模型分為如圖2所示的總產(chǎn)品以及子產(chǎn)品. 之后在每個子產(chǎn)品下面創(chuàng)建相對應的零部件，建立蝴蝶型拱橋局部構件. 在蝴蝶拱橋骨架(HDXGQ-GJ)產(chǎn)品中建立完成蝴蝶型拱橋的道路中心線、拱肋的啟拱點、拱座中心平面等構成橋梁骨架的關鍵點、線、面等因素，通過CATIA中的發(fā)布功能，將關鍵的點、線、面發(fā)布. 使其他產(chǎn)品按照已發(fā)布的點、線、面來構建全橋模型. 利用此種方法進行橋梁骨架的搭建，設計者能夠方便快捷地查找橋梁的某一部件，同時可以使用隱藏功能，將不需要展示的構件移放到隱藏空間. 橋梁基本組成部分通過發(fā)布的點、線、面相關聯(lián)，修改橋梁骨架的點、線、面便可以使橋梁構件的位置發(fā)生改變.

2.3 參數(shù)化構件的建立

通過知識工程模塊中的UDF(User Defined Feature)建立蝴蝶型拱橋的參數(shù)化構件，選取蝴蝶型拱橋模型中關鍵的點、線、面做為定位信息. 依據(jù)確定的定位信息來建立參數(shù)化模型的模板. 參數(shù)化模型的建立時需要注意：盡量把構件的形狀和尺寸約束聯(lián)合起來考慮，通過尺寸的約束實現(xiàn)對幾何形狀的精確控制. 這樣設計者可以在后期對模型進行快速的修改. 同時，對于一些造型復雜的空間構件，可以通過高階以及復雜方程式來控制其邊線，使設計者的思想百分之百精確地表達在模型上. 例如本模型中對承臺與樁基的尺寸以及承臺與樁基中的鋼筋的直徑、根數(shù)和鋼筋的間距進行參數(shù)化設置. 利用方程式約束參數(shù)與參數(shù)之間的關系，實現(xiàn)了通過修改樁基與承臺中的自定義變量，從而達到滿足結(jié)構要求的尺寸. 承臺與樁基的參數(shù)化如圖3. 最后，通過實例化文檔依據(jù)定位信息將參數(shù)化構件插入到全橋模型中相對應的位置. 承臺與樁基的定位信息以及插入如圖4.

3 CATIA模型的應用

目前，BIM技術的可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性以及可出圖性五大特性[4]，都是基于其建造三維模型的平臺來實現(xiàn)的. 利用CATIA橋梁三維模型中的信息，在橋梁設計階段可以進行碰撞檢查，優(yōu)化工程設計，減少在橋梁施工階段可能存在的錯誤以及返工的可能性. 最后，設計人員可以通過優(yōu)化之后的橋梁三維模型進行二維圖紙的出圖以及各種材料精確用量的統(tǒng)計[5]. 如果像構件與構件空間位置的沖突、以及構件尺寸不精確等問題可以在設計期間就得以解決，那么，在橋梁施工的環(huán)節(jié)中可以大大地節(jié)約施工成本、減少返工、加快施工進度以及提高橋梁施工質(zhì)量.

3.1 CATIA模型精確計算工程量

通過CAITA中測量功能，在橋梁三維模型上直接量取樁基鋼筋中任意一根鋼筋的尺寸，用提取的鋼筋尺寸來指導施工隊伍進行鋼筋的采購、下料和加工，從而達到鋼筋用量的準確性，減少不必要的材料浪費和減輕設計人員手動計算鋼筋用量的勞動負擔. 通過CATIA橋梁三維模型中提取的鋼筋精確長度與CAD中計算得出的鋼筋長度對比發(fā)現(xiàn)，在螺旋箍筋N3長度計算中，在CAD圖紙中使用式(1)的計算公式計算得出的長度與從CATIA橋梁三維模型中提取出來的精確長度具有一定的差別，對比數(shù)據(jù)見表1.

L=N×SQRT(h×h+(3.14×D)×(3.14*D))

(1)

式中：D為螺旋箍筋的直徑；N為螺旋箍筋的環(huán)數(shù)；h為螺旋箍筋的間距.

表1 鋼筋長度對比表

注：表中的鋼筋長度為計算長度，不考慮搭接長度.

對于一些異型結(jié)構工程量的計算，如圖5中具有空間造型的鋼橋塔. 其鋼構件的不規(guī)則形狀以及在空間上呈現(xiàn)彎扭的狀態(tài)給設計人員計算其工程量帶來很大的麻煩. 但是，利用CATIA的測量功能，直接選取需要計算工程量的部位，就可以得出鋼構件的表面積和體積. 因此減輕了設計人員的勞動負擔，加快工作進度.

3.2 CATIA模型的碰撞檢查

利用傳統(tǒng)的二維平面設計模式很難發(fā)現(xiàn)橋梁構件在空間位置上是否發(fā)生沖突，尤其是各種類型的鋼筋. 利用CATIA模型中的碰撞功能對所需要進行碰撞分析的構件進行檢查，如果發(fā)現(xiàn)空間位置沖突，及時修改橋梁的三維模型，便可減少在橋梁施工階段可能存在的錯誤和返工的可能性. 如圖6樁基中的聲測管與承臺中鋼筋位置發(fā)生沖突，設計人員應修改承臺與樁基的模型或者在設計說明中提出解決問題的方案.

3.3 CATIA模型的二維平面出圖

依據(jù)傳統(tǒng)的CAD軟件出圖方式，每座橋梁基本組成部分的三視圖和剖面圖都需要設計人員手動繪制. 而且在方案修改期間，一個尺寸的改變就需要對所有視圖的尺寸進行修改. 這就加大了設計人員的工作量以及工作效率低下. 選取橋梁所需要進行出圖的構件(見圖7)以及利用CATIA軟件中的Drawing模塊，在開始的界面選取所需要的視圖(如圖8)，之后對二維平面圖進行標注以及圖框的添加，圖9為橋梁預制構件的二維平面圖和局部大樣放大圖. 利用Drawing模塊得出工程圖是與三維模型相關聯(lián)的，只要三維模型的尺寸發(fā)生更改，工程圖就會隨之改變.

3.4 CATIA模型的對橋梁施工的指導

測量員在施工現(xiàn)場事先通過對拱肋軸線的放樣，測量出控制拱肋軸線的關鍵坐標點，將實測坐標點導入CATIA軟件中形成模擬拱軸線，之后將實測坐標點和模擬拱軸線與CATIA軟件中理論的坐標點和拱軸線進行對比，如果發(fā)現(xiàn)實測坐標點和模擬拱軸線的線型與理論拱軸線的偏差過大，應該立即檢查與調(diào)整實測坐標點. 利用實測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)對比的方法能夠?qū)嶋H的拱肋線形做出更加精確以及直觀的分析.

4 結(jié)論

本文通過案例說明了如何利用CATIA軟件在BIM技術中的設計階段使用 “骨架+模板”的方法來建立橋梁的三維模型，即以橋梁基本部分組成的關鍵的點、線和面為骨架，結(jié)合構成橋梁基本組成部分的參數(shù)化構件的模板，實現(xiàn)快速有效地建立橋梁三維模型. 設計人員能夠應用橋梁三維模型，對橋梁建筑材料的工程量進行精確計算，利用CATIA中碰撞檢查功能對構件與構件的空間位置進行檢查，結(jié)合Drawing功能進行符合項目相應深度的二維平面的出圖. 綜上所述，CATIA軟件能夠滿足在橋梁設計階段的快速建模、工程算量、碰撞檢查和二維平面出圖等功能，能夠為設計人員提高工作效率，減少返工. 至于CATIA如何更好更高效地為橋梁設計服務，則需結(jié)合自動化對象編程(V5 Automation)和開放的基于構件的應用編程接口(CAA)對CATIA進行二次開發(fā)[6]，使其成為橋梁設計師專業(yè)化軟件.

[1] 王智明, 楊旭, 平海濤. 知識工程及專家系統(tǒng)[M]. 北京：化學工業(yè)出版社, 2006:4-5

[2] 黃俊炫, 張磊, 葉藝. 基于CATIA的大型橋梁三維建模方法[J]. 土木建筑工程信息技術, 2013(4): 51-55

[3] 謝龍漢, 單巖, 周超明. CATIA V5零件設計/CATIA產(chǎn)品設計系列叢書[M]. 北京：清華大學出版社, 2005:3-10

[4] 楊富華, 鄒惠芬, 唐吳. 建筑信息模型(BIM)與傳統(tǒng)CAD的比較分析 [A]∥第十屆沈陽科學學術年會論文集：信息科學與工程技術分冊[C]. 2013

[5] 祝元志. 數(shù)字技術再掀建筑產(chǎn)業(yè)革命?——BIM 在建筑行業(yè)的應用和前景與挑戰(zhàn)[J]. 建筑, 2010(3): 10-22

[6] 胡挺, 吳立軍. CATIA 二次開發(fā)技術基礎[M]. 北京：電子工業(yè)出版社, 2006:18-27

[責任編輯：佟啟巾]

Application of BIM Technology in Bridge Design Based on CATIA

Li Xing1, Wang Yijuan2, Wang Jian1

(School of Civil and Traffic Engineering，Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044)

Based on the application of BIM technology in bridge design, the first problem is to select a software which can meet the precision of the bridge skeleton line and the local component. Because CATIA software has a strong curve, surface and space structure design capabilities, so more and more people use it to build three-dimensional modeling in bridge design. According to the corresponding specific requirements of bridge project, the CATIA software of Dassault from the France is selected as BIM technology operating platform. Based on the basic components of the butterfly arch bridge：the foundation, arch rib, bridge deck, cable and bearing, and the local parameterization component of bridge, the 3D modeling of the bridge is established. At the same time, according to the characteristics of digitalization, information and being simulated of the three-dimensional model, the construction stage of bridge engineering project is analysed and guided in order to improve the working efficiency of the bridge designers and the quality of the bridge project.

CATIA; BIM; 3D modeling; bridge

2016-08-29

建設部研究開發(fā)項目“城市高架橋規(guī)劃建設體系研究”(2015- R2- 039)

李 興(1992—)，男，碩士研究生，研究方向： 橋梁與隧道工程.

1004-6011(2016)04-0013-05

U441+.2

A