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        復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)航道斜拉橋主塔BI M正向設(shè)計(jì)探索

        2023-10-09 10:58:12江軍汪東明陳飛宇劉廷杰
        工程建設(shè)與設(shè)計(jì) 2023年17期
        關(guān)鍵詞:橋梁模型設(shè)計(jì)

        江軍,汪東明,陳飛宇,劉廷杰

        (1.華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司,南京 210005;2.昆山市交通工程發(fā)展中心,江蘇 昆山 215300)

        1 引言

        航道橋梁在規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工過(guò)程中,不僅需要降低其對(duì)通航、泄洪的影響,而且需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐淖匀缓腿宋木坝^打造特色地標(biāo),因而航道橋整體的景觀設(shè)計(jì)要求較高。 采用空間曲線異形造型的方案對(duì)設(shè)計(jì)而言難度較大, 且二維圖紙本身無(wú)法完整準(zhǔn)確地表達(dá)設(shè)計(jì)意圖,往往會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)漏碰缺等現(xiàn)象及多專業(yè)方案變更, 對(duì)設(shè)計(jì)開(kāi)展進(jìn)度和后續(xù)加工造成較大影響[1-3],如何解決上述問(wèn)題顯得尤為重要。

        基于BIM 技術(shù)打通設(shè)計(jì)中景觀、結(jié)構(gòu)與附屬等各專業(yè)間和專業(yè)內(nèi)的孤立狀態(tài), 替換各專業(yè)之間依舊采用人工溝通和紙質(zhì)傳遞資料等低效率的模式,BIM 正向設(shè)計(jì)是將設(shè)計(jì)理念和思路直接呈現(xiàn)在三維空間中,使各專業(yè)相互協(xié)作,結(jié)合驗(yàn)算結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整優(yōu)化,確定最佳的設(shè)計(jì)參數(shù),最后生成具體的二維圖。 通過(guò)各專業(yè)的協(xié)同工作減少后期變更次數(shù),提高各專業(yè)的溝通效率,促進(jìn)橋梁工程全壽命周期的信息傳遞,節(jié)約項(xiàng)目成本。 采用BIM 正向設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于將項(xiàng)目全部構(gòu)件、部件模塊實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì),方案優(yōu)化、自動(dòng)出圖及安全性驗(yàn)算無(wú)縫關(guān)聯(lián)和同步優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化設(shè)計(jì)。

        2 復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)航道橋梁設(shè)計(jì)難點(diǎn)

        航道橋梁與常規(guī)的公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁存在著一定的差異,公路鋼結(jié)構(gòu)橋設(shè)計(jì)追求標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)化施工,而航道橋更多是從美學(xué)角度出發(fā),打造地標(biāo)性建筑,故而其構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化程度相對(duì)較低。 航道橋梁的主要特點(diǎn)有以下幾方面。

        1)造型獨(dú)特,傳統(tǒng)二維圖紙難以表達(dá)空間位置關(guān)系。 航道橋梁對(duì)美學(xué)的要求較高,造型往往獨(dú)特優(yōu)美,且多以漸變型曲面為主。 主塔的造型相對(duì)于傳統(tǒng)橋梁,表現(xiàn)出了足夠的張力,彎曲度大的塔節(jié)段,平面要素難以指導(dǎo)施工,各構(gòu)件之間的相對(duì)關(guān)系表達(dá)不充分,設(shè)計(jì)難度加大。

        2)塔與拉索連接處的相對(duì)位置會(huì)發(fā)生改變,設(shè)計(jì)質(zhì)量難以控制。 拉索與主塔腹板等位置的關(guān)系隨著錨固點(diǎn)位置的升高, 其與斜拉索的預(yù)留管與腹板間橫向加強(qiáng)板件的空間關(guān)系會(huì)發(fā)生變化, 而傳統(tǒng)手段無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)預(yù)留管與板件的相對(duì)關(guān)系,對(duì)設(shè)計(jì)成果質(zhì)量難以控制。

        3)鋼混結(jié)合處加強(qiáng)件多,構(gòu)造復(fù)雜,設(shè)計(jì)優(yōu)化切入點(diǎn)難以發(fā)覺(jué)。 主塔與主梁之間往往以固結(jié)的方式連接,設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮鋼箱梁的位置,特別是當(dāng)主塔處于不對(duì)稱狀態(tài)時(shí),左右塔柱節(jié)點(diǎn)的加強(qiáng)件位置、大小均有所不同,構(gòu)造復(fù)雜,設(shè)計(jì)人員對(duì)其沒(méi)有直觀的了解,較難找到潛在的優(yōu)化切入點(diǎn),影響設(shè)計(jì)質(zhì)量。

        4)空間曲面多,工程量統(tǒng)計(jì)難度大。 當(dāng)主塔彎曲度較大時(shí),節(jié)段各板件的最終狀態(tài)多以曲面的形式展現(xiàn),而傳統(tǒng)的工程算量多針對(duì)規(guī)則的幾何外形或平面形狀, 對(duì)于空間彎曲的板件,較難做到精確計(jì)量,對(duì)于各板件的統(tǒng)計(jì)難度較大,工程量往往統(tǒng)計(jì)不準(zhǔn)或不及時(shí), 而工程量的統(tǒng)計(jì)不僅會(huì)影響到主塔節(jié)段的劃分,還會(huì)影響到工程造價(jià)。

        3 BI M設(shè)計(jì)要點(diǎn)

        針對(duì)上述復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)航道橋梁的設(shè)計(jì)難點(diǎn),利用BIM 技術(shù),結(jié)合橋梁的設(shè)計(jì)要素,提出了以下BIM 設(shè)計(jì)要點(diǎn):(1)采用“骨架+ 模板”的自上而下的設(shè)計(jì)思路,探索完善項(xiàng)目骨架制度;(2)構(gòu)建最小模板單元,多個(gè)小模板組成適合的大模板,提高模板利用率;(3)制作板件展開(kāi)模板,提高曲面展開(kāi)效率,快速表達(dá)設(shè)計(jì)意圖;(4) 優(yōu)化出圖模板, 提前優(yōu)化出圖視角;(5)構(gòu)建參數(shù)驅(qū)動(dòng)性,提高項(xiàng)目的可操作性。

        4 工程概況

        本項(xiàng)目依托工程為申張線青陽(yáng)港航道整治工程震川橋。申張線航道是國(guó)家高等級(jí)航道,也是江蘇省干線航道,蘇南地區(qū)重要的通江航道,規(guī)劃等級(jí)為三級(jí)。 主橋采用90 m+140 m非對(duì)稱獨(dú)塔斜拉橋, 震川橋BIM 模型如圖1 所示。

        圖1 震川橋BI M模型

        5 主塔BI M正向設(shè)計(jì)

        5.1 骨架設(shè)計(jì)

        橋梁設(shè)計(jì)的思路充分體現(xiàn)在橋梁總體骨架創(chuàng)建過(guò)程中,優(yōu)先確定各關(guān)鍵點(diǎn)的連接方式和位置關(guān)系,再確定塔、梁、索的標(biāo)準(zhǔn)斷面或樣式,確定橋梁總體布置情況。 橋梁總體骨架主要由點(diǎn)、線、面等簡(jiǎn)單元素構(gòu)成,事先確定好各構(gòu)件之間的相對(duì)位置關(guān)系,各構(gòu)件則參考骨架元素進(jìn)行建模,最后直接組合成為整體模型。

        5.2 橫隔板設(shè)計(jì)

        橫隔板是鋼塔柱中重復(fù)出現(xiàn)最多的構(gòu)件。 鋼塔橫隔板的建立與鋼箱梁橫隔板有所區(qū)別, 鋼塔橫隔板是以骨架線和輪廓面為基礎(chǔ),與塔柱在同一層級(jí),單獨(dú)作為產(chǎn)品與塔柱形成最終的產(chǎn)品。

        橫隔板包含了隔板、加勁、管線孔、人孔等構(gòu)造,將這些零件作為一個(gè)整體定義成模板,直接將其批量實(shí)例化。 各類隔板之間的主要差別體現(xiàn)在隔板尺寸和厚度、加勁尺寸和厚度及定位上。 圖2 為橫隔板模板及其在鋼塔柱中實(shí)例化的結(jié)果。

        圖2 鋼塔柱變化段隔板實(shí)例化模型

        5.3 節(jié)段設(shè)計(jì)

        鋼塔柱節(jié)段之間相似性較高, 采用參數(shù)化和模板實(shí)例化功能可有效提高設(shè)計(jì)效率。 為簡(jiǎn)化鋼塔柱建模流程,鋼塔柱正向設(shè)計(jì)分為變化段和標(biāo)準(zhǔn)段設(shè)計(jì)兩大部分, 每部分制定對(duì)應(yīng)節(jié)段模板,模板內(nèi)包含節(jié)段模型和相應(yīng)的圖紙,通過(guò)實(shí)例化可快速得到鋼塔柱每一個(gè)節(jié)段模型和圖紙。

        鋼塔柱的建模仍采用骨架線和輪廓面的設(shè)計(jì)模式, 即將鋼塔柱截面角點(diǎn)用線元素連接,形成定位截面尺寸的骨架線,并建立骨架線之間的輪廓面,確定鋼塔柱外輪廓。 在共用骨架線基礎(chǔ)上進(jìn)行鋼塔柱的工作分解, 使得各設(shè)計(jì)人員可以并行工作,進(jìn)一步提高工作效率,縮短工作周期,基于骨架線的主塔節(jié)段模型如圖3 所示。

        圖3 主塔節(jié)段模型

        5.4 拉索設(shè)計(jì)

        梁上拉索骨架線的作用是確定錨箱的空間位置, 錨箱模型也是根據(jù)梁上拉索線而來(lái)的。 拉索在軸向拉力和重力作用下,空中線形為懸鏈線,拉索在塔梁處的夾角與理論直線狀態(tài)存在偏差,因此,需要經(jīng)過(guò)修正得到真實(shí)的梁上和塔上拉索夾角,然后得到最終狀態(tài)的梁上拉索線。 圖4 為拉索模型及拉索線設(shè)計(jì)表。

        圖4 拉索模型及拉索線設(shè)計(jì)表

        梁上錨點(diǎn)和拉索線在方案設(shè)計(jì)或初步設(shè)計(jì)時(shí)不需要準(zhǔn)確坐標(biāo),由于坐標(biāo)數(shù)據(jù)在設(shè)計(jì)表格文檔中,后期可以通過(guò)更改表中數(shù)據(jù)快速更新錨點(diǎn)在模型中的位置。

        5.5 鋼混結(jié)合處設(shè)計(jì)

        鋼混結(jié)合段構(gòu)造復(fù)雜、構(gòu)件繁多,若采用二維平面設(shè)計(jì),位置關(guān)系不明確,易出現(xiàn)構(gòu)件遺漏、沖突等問(wèn)題,且結(jié)合段箱室較多,箱室空間大小需要納入設(shè)計(jì)范圍,而采用BIM 三維設(shè)計(jì)能較好地解決上述問(wèn)題。

        首先,采用草圖功能建立底部承壓板,進(jìn)行鋼混結(jié)合段的總體尺寸定位;其次,在承壓板上建立鋼塔塔壁及加勁構(gòu)造;然后,在承壓板上劃分箱室,每個(gè)箱室的承壓板開(kāi)孔,并建立箱室腹板、加勁板、人孔等具體構(gòu)造;完成箱室后,定位鋼束位置, 采用實(shí)例化功能快速建立鋼束模型, 并完成相關(guān)錨箱構(gòu)造; 最后, 通過(guò)三維巡檢功能和碰撞檢查功能對(duì)模型進(jìn)行校核,可更直觀的檢查“錯(cuò)、漏、碰、缺”等問(wèn)題,完成鋼混結(jié)合段模型設(shè)計(jì),如圖5 所示。

        圖5 鋼混結(jié)合段模型

        5.6 成果出圖

        基于BIM 三維模型建立與標(biāo)準(zhǔn)模板相關(guān)聯(lián)的二維平、立、剖面圖形,二維圖紙能夠隨三維模型的改動(dòng)而動(dòng)態(tài)更新,全參數(shù)化的協(xié)同三維模型, 使得二維圖紙能夠隨三維模型的參數(shù)同步變化,同類型的圖紙能夠批量化生成。 將模型與圖紙打包在一個(gè)模板里面,在實(shí)例化模型的同時(shí),圖紙也進(jìn)行了實(shí)例化,可實(shí)現(xiàn)快速批量化出圖,圖紙模板定義如圖6 所示。

        圖6 圖紙模板定義

        在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式下, 統(tǒng)計(jì)工程數(shù)量表是一項(xiàng)煩瑣的工作,工程量統(tǒng)計(jì)的精準(zhǔn)度會(huì)直接影響項(xiàng)目造價(jià)的估算,特別是曲面異形結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)錯(cuò)算、漏算。 采用BIM 三維設(shè)計(jì),可自動(dòng)、快速統(tǒng)計(jì)每一塊板件的準(zhǔn)確工程量,提高工作效率,減少人為失誤。

        6 結(jié)語(yǔ)

        BIM 技術(shù)作為工程設(shè)計(jì)行業(yè)精細(xì)化設(shè)計(jì)的重要抓手,對(duì)設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率的提升具有重要價(jià)值, 但現(xiàn)階段復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)航道斜拉橋的BIM 正向設(shè)計(jì)仍處于探索階段。 本文基于BIM 技術(shù)的特點(diǎn),結(jié)合橋梁設(shè)計(jì)的基本特點(diǎn),探討了復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)航道斜拉橋主塔正向BIM 的設(shè)計(jì)要點(diǎn),并完成了依托工程的BIM 設(shè)計(jì)??蔀榻窈箢愃茦蛄旱腂IM 設(shè)計(jì)及各專業(yè)協(xié)同工作提供參考與借鑒。

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