BIM技術(shù)案例分享：常泰長(zhǎng)江大橋主塔BIM正向設(shè)計(jì)

工程概況

常泰長(zhǎng)江大橋主航道橋方案采用雙塔公鐵兩用斜拉橋,主塔兩側(cè)各設(shè)輔助墩及邊墩，主橋孔跨布置為(142+490+1 176+490+142)m，全長(zhǎng)2440m。

主塔采用“鋼-混凝土”混合空間四肢塔，中下塔柱為混凝土結(jié)構(gòu);上塔柱為“鋼-混凝土”組合結(jié)構(gòu)。錨固結(jié)構(gòu)為“鋼-核芯混凝土”新型錨固結(jié)構(gòu) 。

BIM建模方法

常用的BIM建模方法有“自底向上”和“自頂向下”兩種。“自底向上”建模是指先做好基本構(gòu)件(零部件)，利用各個(gè)基本構(gòu)件之間的配合關(guān)系建立基本結(jié)構(gòu)，再將多個(gè)基本結(jié)構(gòu)按設(shè)計(jì)方案組成總體結(jié)構(gòu)。“自頂向下”建模是指先根據(jù)需求和設(shè)計(jì)意圖繪制結(jié)構(gòu)的總體方案，由總體方案的控制數(shù)據(jù)初定各個(gè)構(gòu)件尺寸進(jìn)行檢算，再根據(jù)檢算結(jié)果調(diào)整結(jié)構(gòu)尺寸并對(duì)構(gòu)件進(jìn)行細(xì)化設(shè)計(jì)。

整體結(jié)構(gòu)模型建立

建模方法

初步設(shè)計(jì)階段，需對(duì)結(jié)構(gòu)的整體方案進(jìn)行設(shè)計(jì)和比選,并進(jìn)行初步的細(xì)部設(shè)計(jì)。在施工圖設(shè)計(jì)階段，需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到制造和施工要求。根據(jù)主塔設(shè)計(jì)特點(diǎn)，對(duì)于主塔主體結(jié)構(gòu)，采用“自頂向下”的建模方法，即先建立主塔整體結(jié)構(gòu)模型，再對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)化，以整體控制局部。

建立主塔軸線

根據(jù)景觀和結(jié)構(gòu)受力需求，本橋主塔選用鉆石形空間四肢塔。繪制主塔軸線并建立尺寸約束，即對(duì)幾何圖元的尺寸、距離、角度等創(chuàng)建尺寸約束，由尺寸約束自動(dòng)生成參數(shù)，即主塔的控制高程和軸線控制尺寸等參數(shù)，通過修改參數(shù)可對(duì)幾何圖元進(jìn)行修改。

放樣整體模型

在軸線的控制點(diǎn)處建立控制平面，在控制平面繪制控制截面;放樣生成主塔整體模型。整體模型生成后，后期可根據(jù)設(shè)計(jì)需求,通過修改高程、間距、尺寸等參數(shù)，對(duì)整體模型進(jìn)行快速調(diào)整。

主塔建模過程

截面比選

常泰長(zhǎng)江大橋主塔為鉆石形空間四肢塔，中上塔柱結(jié)合處將四肢合并為一個(gè)塔柱，故實(shí)現(xiàn)勻順過渡尤為重要。初步確定正八邊形截面和矩形大切角截面方案，分別進(jìn)行放樣。根據(jù)放樣結(jié)果進(jìn)行景觀效果對(duì)比，選擇正八邊形截面。

模型衍生與聯(lián)動(dòng)

橋塔整體模型基于方案設(shè)計(jì)需求和模型的宏觀把控，在建模過程中省去了細(xì)部構(gòu)造。在施工圖設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)工作將進(jìn)一步深化。

為減小模型文件大小，節(jié)省計(jì)算空間，同時(shí)便于修改,分別衍生混凝土細(xì)化模型和鋼結(jié)構(gòu)細(xì)化模型，作為主塔整體模型下級(jí)文件。衍生出的節(jié)段模型與整體模型具有一致性，為聯(lián)動(dòng)關(guān)系，修改上級(jí)整體模型，則下級(jí)節(jié)段模型隨之更新。由此實(shí)現(xiàn)上級(jí)模型整體控制，下級(jí)模型深入細(xì)化，上、下級(jí)模型保持聯(lián)動(dòng),形成聯(lián)動(dòng)模型組。

設(shè)計(jì)過程中，通常需要多人協(xié)同設(shè)計(jì)。以往的二維設(shè)計(jì)，若整體方案調(diào)整，則需要多方協(xié)調(diào)配合完成調(diào)整。在BIM正向設(shè)計(jì)中，將節(jié)段模型分配給各設(shè)計(jì)人員，只需修改整體模型，下級(jí)節(jié)段模型則聯(lián)動(dòng)更新,既實(shí)現(xiàn)了負(fù)責(zé)人對(duì)設(shè)計(jì)模型的整體把控，又實(shí)現(xiàn)了多人協(xié)同參與設(shè)計(jì)工作，避免因溝通不當(dāng)而導(dǎo)致的設(shè)計(jì)成果沖突。

模型細(xì)化

混凝土塔柱細(xì)化本橋塔肢為單室截面，采用幾何約束與尺寸約束相結(jié)合方式，幾何約束即在草圖幾何圖元上應(yīng)用約束來固定草圖的形狀或位置，如垂直、共線、平行等，繪制箱室截面，放樣生成箱室形狀，通過布爾運(yùn)算細(xì)化空心部分。其余細(xì)化部分通過放樣、倒角、修剪等操作實(shí)現(xiàn)。

鋼塔柱細(xì)化鋼結(jié)構(gòu)部分構(gòu)造復(fù)雜，細(xì)節(jié)較多。為提高設(shè)計(jì)效率，按吊裝節(jié)段對(duì)上塔柱進(jìn)行劃分，以整體模型衍生模型為控制輪廓;采用幾何關(guān)系約束原則，作出加勁肋、隔板等板件輪廓，以節(jié)段輪廓控制板件尺寸、定位;放樣隔板、加勁肋等細(xì)部構(gòu)造實(shí)體，建立節(jié)段詳細(xì)模型。

在設(shè)計(jì)中，當(dāng)上塔柱截面尺寸發(fā)生變化，只需修改整體模型中上塔柱尺寸，其余衍生節(jié)段模型自動(dòng)更新為修改后的尺寸。因加勁肋、隔板等板件草圖通過幾何關(guān)系與節(jié)段輪廓約束，板件位置、尺寸自動(dòng)適應(yīng)截面的變化，無需進(jìn)行其他修改。

建模方法

本橋錨固結(jié)構(gòu)采用新型“鋼-核芯混凝土”錨固，外壁為鋼結(jié)構(gòu)橋塔，中間為核芯混凝土，斜拉索通過鋼錨箱交叉錨固于核芯混凝土上。

本橋單個(gè)塔共78對(duì)斜拉索，每根斜拉索對(duì)應(yīng)一個(gè)錨固結(jié)構(gòu)。錨固結(jié)構(gòu)的尺寸、位置與斜拉索空間角度、斜拉索規(guī)格等息息相關(guān)，在整個(gè)設(shè)計(jì)周期內(nèi)隨著拉索參數(shù)的變化而變化，其中涉及參數(shù)多、空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜。采用BIM進(jìn)行參數(shù)化建模，能有效適應(yīng)設(shè)計(jì)過程中的拉索調(diào)整和空間碰撞問題。

若采用“自頂向下”的建模方式，所有錨固結(jié)構(gòu)均在一個(gè)模型中建立，該模型中需要設(shè)置大量參數(shù)，對(duì)建模和后期修改極為不便 。另外，錨固結(jié)構(gòu)與主塔整體模型關(guān)聯(lián)不大，無需通過“自頂向下”來進(jìn)行整體控制。為減少單個(gè)模型參數(shù)設(shè)置,提高建模效率，將同一編號(hào)的四根斜拉索分為一組，建立單組錨固結(jié)構(gòu)模型，再將單組錨固結(jié)構(gòu)模型組合生成全塔錨固結(jié)構(gòu)模型，即采用“自底向上”方法建模。

參數(shù)設(shè)定與建模

1.參數(shù)設(shè)置

利用尺寸約束生成錨固結(jié)構(gòu)的控制參數(shù)，由于斜拉索角度在設(shè)計(jì)過程中隨著索力、錨固點(diǎn)、索規(guī)格的變化而變化，變動(dòng)次數(shù)多。若直接在模型內(nèi)修改參數(shù)，工作量大且容易出錯(cuò)。通過Inventor軟件自帶的Excel接口，將生成的控制參數(shù)與Excel表格形成聯(lián)動(dòng)，以Excel表格控制BIM模型的參數(shù)修改，同時(shí)將計(jì)算文件與參數(shù)表格鏈接，快速實(shí)現(xiàn)對(duì)大量參數(shù)的一次性修改。

2.模型建立

根據(jù)相關(guān)計(jì)算結(jié)果，對(duì)設(shè)計(jì)出錨固構(gòu)造板件及細(xì)節(jié)進(jìn)行建模放樣，生成單組錨固結(jié)構(gòu)模型。

3.錨固結(jié)構(gòu)模型重用

本橋每個(gè)主塔共78對(duì)斜拉索，需建立39組錨固結(jié)構(gòu)模型。逐個(gè)建模工作量大，效率低?？紤]到鋼錨箱結(jié)構(gòu)相同，僅需改變參數(shù)即可得到下一組模型。將單組斜拉索錨固結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，復(fù)制后通過修改參數(shù)生成下一組編號(hào)的錨固結(jié)構(gòu)模型。將所有錨固結(jié)構(gòu)模型組裝，得到全塔錨固結(jié)構(gòu)模型。

索導(dǎo)管放樣與碰撞檢查

本橋 “鋼-核芯混凝土”錨固結(jié)構(gòu)中，索導(dǎo)管穿過3道鋼板，與鋼板相交處均需設(shè)置開孔。

在以往的二維設(shè)計(jì)中，需要對(duì)正立面，側(cè)立面和平面三個(gè)視圖進(jìn)行放樣，才能定位出索導(dǎo)管在空間中的位置。要得到鋼板開孔形狀、尺寸則需要利用幾何公式進(jìn)行計(jì)算，而對(duì)于碰撞檢查更為困難。

在BIM三維模型中，通過布爾運(yùn)算直接完成鋼板開孔，通過軟件自帶碰撞檢查功能避免空間碰撞。

出圖與成果應(yīng)用

圖紙繪制

Inventor軟件可直接使用三維模型進(jìn)行二維圖紙繪制，可放置不同的立面、平面視角，也可對(duì)模型進(jìn)行剖切和局部大樣圖繪制，減少了人工繪圖錯(cuò)誤。另外，Inventor中圖紙與模型聯(lián)動(dòng)，模型修改與圖紙更新一體化，省去重復(fù)修改，提高設(shè)計(jì)效率。同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行可視化展示，并通過三維軸測(cè)圖深化圖紙，使工程表達(dá)更加直觀、詳細(xì)。目前，Inventor在數(shù)量統(tǒng)計(jì)方面功能尚未完善，需進(jìn)一步開發(fā)。

局部計(jì)算

在設(shè)計(jì)過程中，通常需要對(duì)結(jié)構(gòu)局部構(gòu)造進(jìn)行有限元分析。主塔空間結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)細(xì)部構(gòu)造復(fù)雜，常用有限元軟件建模方法復(fù)雜，效率難以提高。

借助已建立BIM三維模型，導(dǎo)入Hypermesh軟件即可直接進(jìn)行網(wǎng)格劃分，完成相關(guān)設(shè)置，使用常用有限元軟件進(jìn)行計(jì)算。BIM-Hypermesh-有限元軟件聯(lián)合計(jì)算，計(jì)算模型與設(shè)計(jì)模型一致，模型精準(zhǔn)度高，避免重復(fù)勞動(dòng)，提高設(shè)計(jì)效率。

成果展示

以往的二維設(shè)計(jì)中，成果展示通常為平面二維圖紙。若要三維展示，則需另外建模，工作量大。利用現(xiàn)有BIM三維模型，可對(duì)設(shè)計(jì)成果進(jìn)行精確展示，包括對(duì)整體方案和局部復(fù)雜構(gòu)造的展示。也可將三維模型導(dǎo)入PowerPoint、Word等辦公軟件，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)-匯報(bào)一體化，視覺表達(dá)更直觀。

總結(jié)

主塔整體結(jié)構(gòu)模型采用“自頂向下”建模方式，符合常規(guī)設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)習(xí)慣。通過整體模型分割、衍生，上下級(jí)模型聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)上級(jí)模型整體控制，下級(jí)模型深入細(xì)化，形成聯(lián)動(dòng)模型組。整體模型修改后，設(shè)計(jì)變更能自動(dòng)傳遞到相關(guān)節(jié)段,實(shí)現(xiàn)整個(gè)模型組自動(dòng)更新。

采用“自底向上”的建模方法建立索塔錨固結(jié)構(gòu)模型，思路簡(jiǎn)單，單個(gè)模型參數(shù)少。通過模型重用能快速生成大量同類模型。“自底向上”方法適用于控制參數(shù)多、尺寸約束多，且結(jié)構(gòu)定位相對(duì)容易，輪廓尺寸與整體關(guān)聯(lián)不大，無需通過整體控制的結(jié)構(gòu)。

通過參數(shù)化建模，實(shí)現(xiàn)整個(gè)設(shè)計(jì)過程參數(shù)化驅(qū)動(dòng)，采用幾何約束與尺寸約束項(xiàng)結(jié)合的方式建模，便于設(shè)計(jì)周期內(nèi)快速準(zhǔn)確進(jìn)行方案調(diào)整與模型修改。

建模出圖一體化，減少了人工繪圖錯(cuò)誤。圖紙與模型聯(lián)動(dòng)，模型修改與圖紙更新一體化，省去重復(fù)修改，提高設(shè)計(jì)效率。在數(shù)量統(tǒng)計(jì)方面功能尚未完善，需進(jìn)一步開發(fā)。

多軟件協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)“BIM+hypermesh+有限元軟件”協(xié)同計(jì)算一體化和“BIM+辦公軟件”設(shè)計(jì)-匯報(bào)一體化。

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