龍波 梁才 羅富元
摘要:作為拱橋重要受力構(gòu)件的拱座基礎(chǔ),其設(shè)計(jì)受結(jié)構(gòu)上部荷載、地質(zhì)條件、經(jīng)濟(jì)性等因素制約,設(shè)計(jì)難度較大。廣西荔玉高速公路平南三橋北岸拱座基礎(chǔ)為鋼筋混凝土圓形地下連續(xù)墻+注漿卵石層的復(fù)合式新型基礎(chǔ),文章以此為工程背景,利用BIM技術(shù)的可視化、參數(shù)化設(shè)計(jì)等優(yōu)勢,研究基于BIM的新型拱座基礎(chǔ)的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)方法及特點(diǎn),以期改變傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式對復(fù)雜結(jié)構(gòu)表達(dá)不清、效率低等問題,為提高橋梁復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)水平提供幫助。
關(guān)鍵詞:拱座;BIM;參數(shù)化設(shè)計(jì)
中國分類號(hào):U442文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
0 引言
隨著我國交通建設(shè)事業(yè)的不斷發(fā)展,復(fù)雜的特大型橋梁工程越來越多,憑借著跨越能力大、造型優(yōu)美、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn),鋼管混凝土拱橋得到越來越廣泛的應(yīng)用。根據(jù)鋼管在結(jié)構(gòu)中參與受力方式的不同,可分為普通鋼管混凝土拱橋與勁性骨架鋼管混凝土拱橋[1]。
作為支承橋跨結(jié)構(gòu)并將上部結(jié)構(gòu)的荷載傳至地基的重要受力構(gòu)件[2],拱座基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)受到主體結(jié)構(gòu)的荷載、場地條件、經(jīng)濟(jì)性等不同因素制約。
本文以廣西荔玉高速公路平南三橋北岸拱座基礎(chǔ)為工程背景,利用BIM技術(shù)的可視化及參數(shù)化特點(diǎn),研究基于BIM的新型拱座基礎(chǔ)的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)方法及特點(diǎn),以期改變傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式對復(fù)雜結(jié)構(gòu)表達(dá)不清、效率低等問題,為提高橋梁復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)效率與質(zhì)量提供幫助。
1 項(xiàng)目概況
平南三橋主橋?yàn)橹谐惺戒摴芑炷凉皹颍溆?jì)算跨徑為560 m,凈跨徑為548 m,主橋長575 m。大橋南北兩岸拱座為重力式抗推力結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)(如圖1所示)。其中北岸拱座基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土圓形地下連續(xù)墻+注漿卵石層的復(fù)合式基礎(chǔ)形式(如圖2所示)。
2 基于BIM的拱座基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法
2.1 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
鋼管混凝土拱橋主要構(gòu)造是由鋼管混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)成的,由鋼管與混凝土兩種組成材料相互作用,在克服了材料缺點(diǎn)的同時(shí)也使得各自的優(yōu)點(diǎn)得到充分的發(fā)揮[1]。鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)主要有以下幾個(gè)特點(diǎn):(1)構(gòu)件承載力高;(2)延性和塑性好;(3)防腐、耐火性能好;(4)制作施工方便、節(jié)省工期;(5)經(jīng)濟(jì)效益高。
2.2 鋼管混凝土拱橋拱座基礎(chǔ)的研究現(xiàn)狀
隨著拱橋在實(shí)際工程中的推廣和受力特點(diǎn)的不斷深入研究,業(yè)內(nèi)開始重視和研究拱座基礎(chǔ)的局部受力狀況[3]。目前主要有計(jì)算和試驗(yàn)兩種方法對拱座基礎(chǔ)進(jìn)行受力分析[4],其中計(jì)算的方法是指采用創(chuàng)建有限元分析模型對結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬分析;試驗(yàn)的方法是指建立縮尺模型進(jìn)行模型試驗(yàn)研究,以了解結(jié)構(gòu)的一般受力特性。
雖然業(yè)內(nèi)已開展了大量針對鋼管混凝土拱橋的理論研究,但還是不能滿足其推廣的需要[5]。如在鋼管混凝土拱橋的計(jì)算分析中采用的一些受力特性及假定,并不能完全模擬結(jié)構(gòu)的真實(shí)受力情況。隨著材料強(qiáng)度的提高與跨徑的增大,鋼管混凝土拱橋在施工與運(yùn)營階段的穩(wěn)定性問題將會(huì)更加突出。
以經(jīng)驗(yàn)性構(gòu)造措施保證的鋼管混凝土拱橋局部構(gòu)造,在其服役期內(nèi)是否會(huì)產(chǎn)生不良影響或者出現(xiàn)危害,已引起業(yè)內(nèi)的注意和討論[6]。作為鋼管混凝土拱橋眾多復(fù)雜構(gòu)造之一的拱座基礎(chǔ),目前對其受力的分析與研究還較為滯后。
2.3 基于BIM的拱座基礎(chǔ)設(shè)計(jì)流程
在確定拱橋上部結(jié)構(gòu)及拱腳處的受力后,結(jié)合橋位處的地形地質(zhì)等條件初步擬定拱座基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式和尺寸,再由參數(shù)化構(gòu)件拼裝生成拱座基礎(chǔ)的三維模型,利用參數(shù)化的拱座基礎(chǔ)模型進(jìn)行有限元受力分析驗(yàn)算,根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋。然后利用三維設(shè)計(jì)成果進(jìn)行可視化施工方案及流程的模擬檢查,若未符合要求則返回修改相關(guān)參數(shù)賦值更新模型直到滿足要求為止。基于BIM的拱座基礎(chǔ)設(shè)計(jì)流程如圖3所示。
3.1 拱座基礎(chǔ)參數(shù)化建模方法
3.1.1 參數(shù)化語言
參數(shù)化設(shè)計(jì)作為BIM設(shè)計(jì)階段的核心理念之一,其實(shí)質(zhì)是指通過可變參數(shù)的調(diào)整可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的快速構(gòu)建、修改,并進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和計(jì)算。PCL(Parametric Component Language)語言為北京跨世紀(jì)軟件公司針對Bentley平臺(tái)定義的實(shí)體參數(shù)化建模語言,以實(shí)現(xiàn)參數(shù)化結(jié)構(gòu)模型的快速創(chuàng)建,提高異形實(shí)體結(jié)構(gòu)的建模效率[7]。三維化實(shí)體示意如圖4所示。
利用PCL語言進(jìn)行參數(shù)化建模是通過延伸、放樣等方法驅(qū)動(dòng)二維形狀尺寸創(chuàng)建三維參數(shù)化實(shí)體,再通過實(shí)體之間的交集、差集等計(jì)算得到所需要的復(fù)雜參數(shù)化構(gòu)件或者組件[8]。因此,參數(shù)化構(gòu)件主要由二維形狀尺寸、高度、定位等參數(shù)控制,同時(shí),為了保證構(gòu)件的相互關(guān)系,就必須建立起嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膮?shù)邏輯對應(yīng)關(guān)系。
3.1.2 新型拱座基礎(chǔ)參數(shù)化建模思路
在設(shè)計(jì)階段根據(jù)WBS分解原則建立樹形的模型分解結(jié)構(gòu),根據(jù)新型拱座基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)構(gòu)成特點(diǎn),可將其模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解(如圖5所示)。
3.2 新型拱座基礎(chǔ)構(gòu)造的參數(shù)化設(shè)計(jì)
3.2.1 拱座參數(shù)化構(gòu)件
根據(jù)異形結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模的思路,首先參考以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),定義鋼管混凝土拱橋拱座的二維參數(shù)化輪廓(如圖6所示)。然后根據(jù)拱座構(gòu)造的特點(diǎn)用“化整為零”的方法進(jìn)行實(shí)體劃分,將異形結(jié)構(gòu)拆解為常見的規(guī)則結(jié)構(gòu)形式。最后根據(jù)各部分構(gòu)造的相互關(guān)系依據(jù)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目臻g邏輯關(guān)系拼裝成完整的參數(shù)化拱座三維模型(如圖7所示)。
3.2.2 復(fù)合基礎(chǔ)參數(shù)化構(gòu)件
新型拱座的復(fù)合基礎(chǔ)主要由圓形地下連續(xù)墻及拱座底板構(gòu)成,其中地下連續(xù)墻又可細(xì)分為混凝土帽梁、混凝土墻身及內(nèi)襯結(jié)構(gòu)(如圖8所示)。
3.2.3 新型拱座基礎(chǔ)三維模型拼裝
基于化整為零的思路,分別創(chuàng)建結(jié)構(gòu)各子部位的參數(shù)化構(gòu)件,然后通過各子部位構(gòu)件的拼裝形成完整的參數(shù)化拱座基礎(chǔ)模型。為了實(shí)現(xiàn)完整的參數(shù)化拱座基礎(chǔ)模型創(chuàng)建,首先需要對各子部位構(gòu)件的參數(shù)進(jìn)行整理和合并,并對主控尺寸參數(shù)進(jìn)行賦值;然后采用表達(dá)式對主控、被動(dòng)的尺寸相互約束關(guān)系進(jìn)行描述;最后通過表達(dá)式對不同構(gòu)件的空間位置關(guān)系進(jìn)行定位約束,拼裝完成互相約束的參數(shù)化新型拱座基礎(chǔ)三維模型(如圖9所示)。
3.3 基于BIM模型的拱座基礎(chǔ)智能配筋設(shè)計(jì)
作為屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)的拱座基礎(chǔ),其配筋設(shè)計(jì)對于其受力作用以及增強(qiáng)混凝土的抗裂性能都是十分關(guān)鍵的。傳統(tǒng)利用手工對大體積混凝土,尤其是不規(guī)則的結(jié)構(gòu)進(jìn)行配筋設(shè)計(jì),不僅耗費(fèi)大量的時(shí)間,而且容易造成鋼筋布置不合理,增加施工難度等問題?;诠白A(chǔ)的三維BIM模型,對拱座基礎(chǔ)進(jìn)行智能配筋設(shè)計(jì),建立起精細(xì)化的鋼筋模型,則可有效降低鋼筋布置不合理等問題的產(chǎn)生,同時(shí)配筋設(shè)計(jì)的效率將得到提高。
ReStation軟件為華東勘測設(shè)計(jì)研究院基于Bentley平臺(tái)開發(fā)的參數(shù)化三維智能配筋設(shè)計(jì)軟件[8]。ReStation軟件對于大體積及復(fù)雜的異形混凝土結(jié)構(gòu)具有便捷、智能和參數(shù)化等優(yōu)勢,使得設(shè)計(jì)人員擺脫低層次的重復(fù)性勞動(dòng),讓提高設(shè)計(jì)效率成為可能。因此,本文選用ReStation軟件對新型拱座基礎(chǔ)進(jìn)行三維智能配筋設(shè)計(jì)研究。
以荔玉高速公路平南三橋北岸拱座基礎(chǔ)為例,由拱座基礎(chǔ)三維參數(shù)化BIM模型,利用ReStation軟件對拱座基礎(chǔ)進(jìn)行大體積混凝土智能配筋,具體過程如下:
(1)根據(jù)設(shè)計(jì)成果對主控參數(shù)進(jìn)行賦值,得到荔玉高速平南三橋北岸拱座基礎(chǔ)三維實(shí)體模型。
(2)根據(jù)各部分構(gòu)造分別進(jìn)行智能配筋設(shè)計(jì)。①根據(jù)拱座三維模型創(chuàng)建大體積混凝土配筋體;②基于配筋體進(jìn)行智能配筋設(shè)計(jì)。
(3)根據(jù)配筋設(shè)計(jì)成果進(jìn)行鋼筋編號(hào)、材料表輸出及剖切圖紙。
3.4 基于BIM的拱座基礎(chǔ)有限元數(shù)值模擬
以平南三橋北岸拱座基礎(chǔ)為例,基于BIM的三維模型的數(shù)值模擬過程如圖10所示,即首先采用工具對BIM模型導(dǎo)出的三維實(shí)體進(jìn)行約束施加、網(wǎng)格的劃分等預(yù)處理[8],最后再利用有限元分析軟件進(jìn)行求解計(jì)算。
在數(shù)值求解時(shí),采用SOLID185單元模擬混凝土及土體,同時(shí)混凝土和土體之間采用面-面接觸單元連接。實(shí)體分析采用整體有限元計(jì)算中的最大彎矩工況(Mmax=53 192 kN·M,N=2.90×105 kN)進(jìn)行計(jì)算,分析地下連續(xù)墻與底板分離時(shí)的結(jié)構(gòu)及場地受力情況。主要場地參數(shù)如表1所示。
由圖11的應(yīng)力云圖結(jié)果可知:(1)拱座基礎(chǔ)底板支撐卵石層上,地連墻嵌固于巖層內(nèi),因此分別考察下臥卵石層和下臥基巖的豎向應(yīng)力,由結(jié)果可以看出卵石層最大豎向應(yīng)力為-0.67 MPa,卵石層承載能力滿足要求。對于基巖,不計(jì)應(yīng)力集中效應(yīng)的影響,基巖最大豎向應(yīng)力為-1.1 MPa,基巖承載能力滿足要求。(2)地下連續(xù)墻最不利受力區(qū)域位于結(jié)構(gòu)的嵌巖部位,不計(jì)應(yīng)力集中效應(yīng)的影響,地連墻最大壓應(yīng)力為-9.5~-7.9 MPa,最大拉應(yīng)力為1.0~1.6 MPa,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。(3)底板的最不利受力區(qū)域位于交界墩作用處及拱座底面交界處,不計(jì)應(yīng)力集中效應(yīng)的影響,底板最大壓應(yīng)力為-2.9~-2.3 MPa,最大拉應(yīng)力為1.1~1.3 MPa,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。
4 結(jié)語
本文以鋼筋混凝土圓形地下連續(xù)墻+注漿卵石層的新型拱座基礎(chǔ)為研究對象,通過基于BIM拱座基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法和流程、參數(shù)化設(shè)計(jì)等,實(shí)現(xiàn)了基于BIM的新型拱座基礎(chǔ)的三維參數(shù)化模型創(chuàng)建及應(yīng)用,相對比于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,基于BIM的參數(shù)化優(yōu)勢可減少設(shè)計(jì)的反復(fù)修改,提高設(shè)計(jì)的效率與質(zhì)量,并實(shí)現(xiàn)方案的快速對比。同時(shí),通過利用ReStation軟件實(shí)現(xiàn)對大體積異形混凝土結(jié)構(gòu)的快速智能化三維配筋設(shè)計(jì),效率較傳統(tǒng)方式有大幅度的提高?;贐IM的新型拱座基礎(chǔ)三維參數(shù)化設(shè)計(jì)的成功應(yīng)用,為鋼管混凝土拱橋及其他復(fù)雜的特大型橋梁進(jìn)行基于BIM的三維設(shè)計(jì)提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn),對提高復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)效率、質(zhì)量有較大的幫助。
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