CATIA,V6在大跨度钢管混凝土拱桥设计中的应用

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摘 要：为将BIM技术优势应用于结构复杂的大跨度钢管混凝土拱桥设计中，以计算跨径为565 m的广西平南某桥的设计为例，利用CATIA V6软件建立合理的拱桥三维设计模型，研究经济高效的建模方法及三维可视化应用展示.研究结果表明：将功能强大的CATIA软件应用于拱桥设计全过程，能完美模拟出拱桥特有的线形，可大大提升建模的数字化及可视化程度，提高设计效率；可准确进行工程算量，能模拟施工过程，进行碰撞干涉与误差分析，使设计更加科学准确，提高工程效益.

关键词：大跨度；钢管混凝土拱桥；CATIA V6；BIM技术；设计

中图分类号：U448.22 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2018.03.006

0 引言

大跨度钢管混凝土拱桥具有结构复杂、施工精度要求高的特点[1-3]，其设计在满足经济适用、安全美观的前提下，可拟定出多个设计方案，通过综合考虑和比选得出合理的设计方案[4-6].利用BIM技术的三维一体化设计是当前桥梁设计的发展方向，具有极强的市场竞争力[7].目前将BIM技术用于钢管混凝土拱桥尚属起步阶段，在工程实践中并无系统成型的设计体系[8-9].因此，将BIM技术应用于钢管混凝土拱桥的设计，研究切实可行的建模方法，建立科学的模型体系，对于拱桥的智能建造有着重要的现实意义.

CATIA V6是法国达索公司开发的一款功能强大的基于BIM技术的三维设计软件，针对建筑行业尤其是桥梁工程来说，它相比传统的平面制图軟件更加立体直观，可以快速地捕获设计意图，提高产品的设计效率[10-11]；同时软件可进行碰撞干涉与误差分析，能检查复杂结构设计上的不足，直接提高工程效益.

本文以广西荔玉路平南某桥的设计为案例，利用CATIA V6软件，探索适用于钢管混凝土拱桥的复杂结构特点的三维参数化建模方法，利用三维模型进行了碰撞干涉、误差分析及效果展示.

1 工程概况

广西平南某桥为荔浦至玉林高速公路平南北互通连接线上跨浔江的一座拟建特大桥，桥位处于平南县西江大桥上游6 km处，其地理位置如图1所示.桥梁总体设计遵循“安全、耐久、适用、环保、经济和美观”的原则，合理进行桥跨布置和桥型方案设计.

桥址所处地质条件相对简单，持力层为大厚度的砂砾层；而通航条件相对复杂，通航净空尺度是制约本桥桥跨布置及桥型选择的重要因素.根据桥位处地形及通航要求，主桥主跨跨度需达到535 m以上，该跨度下可选的适用桥型有斜拉桥、拱桥和悬索桥；因两岸均有防洪堤，且在大堤范围内不允许设置桥墩，故南、北岸引桥或边跨的跨度要达60 m以上才能跨越防洪堤.

经过对平南某桥技术设计进行充分深入的探讨和研究，认为钢管混凝土拱桥方案在经济性、适用性及后期养护等方面具有较为明显的优势；另鉴于平南北互通连接线浔江特大桥需要兼顾作为市政桥梁使用，对外型美观要求较高，故大桥选用钢管混凝土拱桥方案（拱桥主桥布置详见图2）.

2 钢管混凝土拱桥建模

拟建的平南某桥为计算跨径565 m（净跨径548 m）的中承式钢管混凝土拱桥，作为目前世界最大跨径的钢构拱桥，其科技含量之高、制造过程之精密、设计施工技术之尖端均为世界同类型桥梁之最；同时，本桥建设也将开创在地基承载力相对较差的条件下修建大跨度钢管混凝土拱桥的先例，对此类拱桥应用及发展具有重要推动作用.在本桥的设计中，将通过CATIA软件对其进行系统的BIM技术应用研究.

2.1 CATIA软件简介

CATIA是法国达索公司旗下的D平台的三维设计软件[12].与其他的三维设计软件相比，CATIA的主要优点是：整体功能强大，可创建任意实体，曲面造型独树一帜；能提供参数化设计功能，可实现参数和模型的关联更新.

CATIA软件建立的模型具有轻量化的优势，在不影响产品设计的前提下，能使产品数据的“体积”变的最小，可最大限度的释放系统资源，提高设计效率.针对诸如钢管混凝土拱桥等大型装配设计的实际情况，CATIA V6版本提供了一些具有针对性的轻量化处理方法，比如加载文件的可视化模式、选择性加载外形、降低显示精度等.

2.2 建模思路

针对平南某桥为钢管混凝土拱桥的特点，依次构建桥梁的拱轴线、拱肋模板、吊杆模板以及主梁格子梁模板等.由于本桥梁结构较为复杂，在利用 BIM 技术三维建模时，可将定位或装配尺寸作为自定义变量；在修改这些变量的同时，由相应公式计算并变动其他相关尺寸，就能方便地创建系列产品相似的零件.对于各个构件模型的建立，应该按照“先定位，后装配”的原则；先建立整体坐标系，用“点—面复制”功能确定出坐标系，完成坐标定位；然后再把相应构件插入到指定位置，完成装配.

如制作拱肋节段时的具体做法是：根据收集到的二维图纸（见图3），先对需要的参数进行定义，建立整体坐标系；并根据拱轴线方程绘出桥梁拱轴曲线；然后进行区段划分以确定每段拱肋的位置.利用“用户特征”功能创建主弦杆、主腹杆及斜撑如图4所示.需要注意的是，在需要输入尺寸的地方全部用插入参数公式的方式代替，并在建立参数的时候把所有需要的参数全部建立出来，以实现参数化驱动.

2.3 拱轴线参数化

对于大跨度钢管混凝土拱桥而言，拱轴线线型复杂且要求精度极高，利用CATIA软件所拥有的优异的曲面、曲线造型能力，可通过编辑曲线的方程，精确模拟曲线的线型，而其他的建模软件则无法精准的模拟拱轴线，更无法编辑其线型方程.

平南某桥拱肋净跨径548 m，净矢跨比1/4，拱轴线采用悬链线，拱轴系数为1.5，其拱轴悬链线方程为：

由已知拱轴系数m为1.5，根据式（1）可求出比例系数k约为0.962 423 65（此处可以只设置参数），将ξ与计算出的k值带入式（1），通过双曲余弦函数可以得到y关于x的悬链线方程y=274×（ch（0.962 423 65x/274）-1）.

在CATIA软件的法则编辑器中输入拱轴线方程之前，需要先对公式中的数据设置参数，将数据以参数的形式输入到编辑器中，这样整个拱轴线方程得以参数化.在拱桥的特征造型使用参数化时，不仅可以随时调整拱轴线的线型和特征，而且可以随时调整拱肋节段长度和尺寸，以实现尺寸驱动和特征驱动.这样极大地方便了对设计方案的调整，使前期桥型方案的快速确定变得十分便捷高效.

2.4 工程模板

CATIA软件制作模板的关键就是确定输入元素和输入参数（见图5）.通过定位元素与尺寸参数，将不同尺寸外观大致相同的模型放置到不同的位置.对钢构件建立工程模板，使构件可以成批量的装配，大大减少工作量，并可形成参数化处理.输入元素即模板的“输入”可以为点、线、面、轴系等图形组成，输入参数是使模板在定位后调节外观的重要元素.

由于建模思路的不同，输入元素非唯一性，这需要发挥建模师的思维.对于平南某桥拱肋的模板，输入元素为两条上下拱轴线.因为拱桥的线型在实际施工时需要设置预拱度并根据工程实际进行调整，这就要求输入元素是参数化的元素，而拱轴线已经做了参数化处理，二者完美的契合在一起.此外梁的长宽高、管径等都可以设置参数，尺寸参数越丰富，模板生成的模型可变性和智能性也就越大.

对工程模板的实例化.首先打开工程模板，查看模板要输入的元素，在需要插入工程模板的文件中创建所要输入的元素.使用项目模板，根据模板选择输入元素，工程模板的实例化详见图6，点击重复命令可连续使用模板.

2.5 总体装配

对于结构的整体装配，先要确定出各个构件的定位轴系.需要调出“Assembly Design”模块，利用“工程链接—相合/固定”功能进行装配和固定.如图7所示，将桥梁的桥墩、主拱、吊杆、桥面及引桥等各个部件按轴系装配成整体，根据不同的结构设置相应的材质、颜色，便于识别、美观大气.

3 模型应用与展示

3.1 工程算量

钢管混凝土拱桥因相关部件较多且联接复杂，要对各部件的工程量准确计算难度极大，而利用CATIA软件则可快速准确地对各个构件的工程量进行计算和统计.

利用CATIA进行工程算量大致分两种方法.一种是通过工具里的“测量项”命令，如图8所示，可以得到选取构件的体积、面积与重力中心.它对于重叠的部分不会重复计算，而隐藏的部分会进行计算.另一种是通过工程量清单的电子数据表，可以显示各个构件的体积和净重，并能逐层展开（见图9），然后导出到Excel表格方便进行排序、分析和计算，还可对特定的构件单独查看，方便快捷、准确高效.需要注意的是，要利用电子数据表的功能必须在各个子级开始建模时设置参数、对体积进行公式测量，才能有后面拼装后整体算量.

对于有多个厚板的构件需要手动测量，再进行编辑参数集.在工具中选中测量项，然后单击厚板，完成测量，记录数据.

3.2 碰撞检查

在实际工程中碰撞分为硬碰撞和软碰撞（间隙碰撞）两种，硬碰撞是指实体与实体之间的交叉碰撞，软碰撞是指实体间实际并没有碰撞，但间距和空间无法满足相关施工要求.下面就利用CATIA V6软件进行桥梁吊装的关键技术-碰撞干涉检查技术进行应用介绍.

在“Assembly Design”模块创建干涉模拟，对平南某桥主拱吊装过程进行干涉模拟.在作图区找到相应的碰撞位置（如图10），在碰撞显示窗口中显示碰撞细节.干涉模拟默认为切割、无颜色过载、放大产品3个命令以及左上角的透明度命令.利用这4个命令方便观察碰撞，物体切割可看到碰撞部件遮挡住的部分（碰撞部分显示粗线）.

通过对平南某桥施工过程进行模拟，可实时地监督施工过程，进行碰撞干涉与误差分析，较大程度地检查复杂结构在设计上的纰漏.实际操作中将无颜色过载切换为颜色过载，可使两个碰撞体显示更鲜明（碰撞体变为黄蓝，相交处为红色）.将放大产品切换成放大干涉能迅速找到碰撞位置，上下文透明度可调节碰撞体以外的产品透明度，便于观察.可在编辑规格中添加“间隙”选项（修改后需要更新干涉），查找间隙小于一定数值的产品，如图11所示.

3.3 效果展示

在模型完成后，可选用CATIA V6软件中自带的效果切换工具，以达到更好展示的目的，也可以附上实际的地图图片作为相应的背景（图12）.从图12中可看出，附带地形效果的三维立体图呈现状态良好，可视化程度较高.

利用BIM相关软件中较高级的渲染效果应用，进一步为结构赋予材质，调整相应灯光与背景参数.这需要相当时间与相关专业的知识.渲染过后的整体三维立体图如图13所示，可以看出，桥梁的整体三维渲染效果可视性强，视觉冲击力强；同时，软件也提供了便捷的漫游功能，可用键盘的方向键和鼠标控制方向，进行全模型整体及细部浏览.

4 结论

本文利用CATIA V6软件建立平南某桥的三维参数化实体模型，通过对建模方法及过程、模型的应用情况及效果展示，得出的结论如下：

1）CATIA V6軟件功能强大，将其优异的曲面、曲线造型应用于大跨度钢管混凝土拱桥设计中，能完美模拟出拱桥特有的线形，使复杂构件连接融合，契合度高，科学准确.

2）利用该软件建立平南某桥的三维参数化模型，可根据工程实际需要调整主拱肋线型方程及构件尺寸，提高模型的生成和修改速度，极大地方便设计方案的调整，使桥型方案的快速确定变得十分便捷高效.

3）应用基于该软件的BIM技术，可准确进行工程量计算，能模拟施工过程，进行碰撞干涉与误差分析，较大程度地检查复杂结构在设计上的纰漏，检验设计是否符合工程要求，并提出修改建议，以减少返工进而提高经济效益.

4）通过软件进行全桥效果展示，可视化程度高，界面友好，漫游功能便捷，可用键盘的方向键和鼠标进行方向控制，全模型浏览良好，整体渲染效果生动形象，准确逼真.

由于Catia软件功能强大，需要一定的平台和服务器，故对于大型而复杂的项目，在整个模型的建立过程中，往往需要一个分工明确、配合默契的团队才能顺利完成.平南某桥依靠广西路桥工程集团有限公司BIM技术中心，通过与广西科技大学等高校合作，打造出“路桥-产学研”联盟平台，形成了专业的BIM技术应用与研发团队，为大桥参数化模型的建立奠定了基础.

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