基于CATIA的大型橋梁三維建模方法

黃俊炫 張 磊 葉 藝

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海 200092)

1 引言

三維設計技術是當前計算機輔助設計技術的發(fā)展趨勢，在機械、建筑、化工、石油等設計行業(yè)已得到比較成功應用，并成為市場競爭的重要工具。近年來BIM/PLM所提倡的面向建筑全生命周期的集成建模技術［1］在工程建設行業(yè)得到廣泛認可，筆者所在設計院市也在積極開展基于CATIA的三維設計探索和應用工作。

CATIA是達索系統(tǒng)的先鋒品牌，領先世界產品設計與創(chuàng)新解決方案領域［2］。作為PLM協(xié)同解決方案的一個重要組成部分，CATIA可以幫助用戶采用三維技術來設計未來的產品，并支持從項目前期、設計、分析、模擬、組裝到維護在內的全生命周期設計流程。與其他三維設計軟件相比，CATIA的主要優(yōu)點是:(1)CATIA整體功能強大，可創(chuàng)建任意實體，曲面造型獨樹一幟;(2)CATIA提供參數(shù)化設計功能，可實現(xiàn)參數(shù)和模型的關聯(lián)更新。

本文根據長江大橋工程實例的建模實踐，重點闡述了適用于大型橋梁結構特點和CATIA軟件的“骨架+模板”的三維建模方法。

2 長江大橋工程簡介

如圖1所示，上海長江大橋起于隧道長興島登陸點，沿地面橫穿長興島，由長興島東北部跨越長江口北港水域至崇明島陳家鎮(zhèn)，與崇啟通道工程相接，全長 16．63 km，其中道路 6．66 km，橋梁9．97 km。主航道橋的設計方案為斜拉橋，按雙向6車道設計，主塔造型形如“人”字，平直的橋面從腰際穿插而過，被稱為“長江門戶第一橋”。

該工程實例的三維建模重點是總跨度1 430 m的主航道橋，采用五跨連續(xù)全飄浮體系，跨徑布置為92 m+258 m+730 m+258 m+92 m，屬于雙塔雙索面分離鋼箱梁斜拉橋，由基礎、主塔、橋墩、主梁、斜拉索等五大結構組成。其中基礎采用Φ3 000(上段)～2 500 mm(下段)變截面鉆孔灌注樁，承臺采用圓端形鋼筋混凝土結構;主塔采用人字形獨柱鋼筋混凝土索塔，塔高216．322 m，索塔錨固采用鋼錨箱方案;輔助墩、邊墩采用雙柱空心薄壁墩;主梁采用分離式流線形扁平鋼箱梁(見圖2)，主梁節(jié)段標準長度15 m，寬51．5 m，高4 m，分離鋼箱梁之間由箱形鋼橫梁連接，索梁連接錨固采用錨箱式結構。斜拉索在梁上標準索距15．0 m，塔上標準索距2．5 m。

3 大型橋梁結構特點

大型橋梁常用的橋型有梁橋、拱橋、斜拉橋和懸索橋等。每種橋型包括的主要構件具有一定的共性，但也有所不同區(qū)別。主要構件可抽象為七大類:主梁、支撐、基礎、連接構件、連接節(jié)點、橋面系、附屬設備等。其中每種構件的形狀、采用的材料均是多樣的，形式較復雜的主要是主梁、支撐、連接節(jié)點三類。

以長江大橋為例，大型橋梁可以看成由一組結構構件、附屬設備及環(huán)境條件組成的三維系統(tǒng)。各構件及設備均具有材料組成、各部分的相對位置、幾何形狀等基本屬性，同時具有與不同分析要求相對應的力學特征，如用于整體結構分析的截面特性、用于局部分析的板件厚度、材料特性等。此外各構件和設備之間應有明確的相對位置、連接形式等。環(huán)境條件包括地形、地質、水文、凈空要求等信息。

可見與汽車以及機械制造等行業(yè)不同，大型橋梁有其自身的專業(yè)特點。大型橋梁以結構專業(yè)為主，大部分構件為結構構件，且絕大部分不是標準構件，與材料組成有很大關系，需要反映工程力學特性，形狀還要保留足夠的靈活性。主要表現(xiàn)有以下三方面。

1)復雜性:現(xiàn)代橋梁工程通常在某種意義上也是景觀工程，使得橋梁往往成為某區(qū)域的地標性建筑物之一。這樣就對橋梁的外觀要求比較高，導致在不同橋梁工程中即使同一類橋梁也有很大差別。

2)一致性:在橋梁工程設計中，受到不同工程設計條件、景觀要求等約束限制，要做到跨工程間的模型重復利用很困難。同時為了便于設計和施工，在具體工程中又必須采用統(tǒng)一的設計原理或規(guī)律，自上而下進行結構分解和設計。因此在一個特定橋梁工程中，通常有數(shù)量龐大的、彼此各不相同又有一定變化規(guī)律的分部分項設計單元。

3)可變性:大型橋梁結構中分部分項設計單元的形式和尺寸變化很大，不適合做成零件進行裝配;同時這些單元又具有相同設計變化規(guī)則，可以定制成一定類型的模板進行實例化。因此往往更需要關注的是如何提高彼此各不相同、又有一定設計規(guī)律的分部分項的設計效率。

4 大型橋梁建模方法

4．1 基本原則

1)世界坐標系:采用右手笛卡爾坐標系。為了便于建模和保持坐標一致性，把XY平面原點設在跨中對稱中心，把Y軸與主梁中心線對齊，把Z軸原點定在標高0平面上。

2)建模單位:主橋統(tǒng)一為毫米?？紤]到長江大橋全橋長度10 km以上，超過CATIA的默認表達范圍，為此主橋以外內容建議在另一項目中建模，并縮小1 000倍按米為單位進行建模。后續(xù)使用時注意拼合比例即可。

3)建模命名:長江大橋項目中的所有產品/部件/零件均以“CJDQ_”開頭。采用長江大橋的中文拼音首寫字母，便于設計小組成員記憶。

4)對稱性:考慮到主橋具有對稱性的特點，采用對稱方法可以減少近大半工作量。

5)建模方法:骨架驅動+文檔模板。骨架為定位需要的點、線、面基本元素，不宜過分復雜。模板為有設計規(guī)律的分部分項結構構件，需進行參數(shù)化控制。

4．2 骨架驅動——定位方法

在CATIA軟件中，有一個很重要的概念叫做裝配，大致上就是對零件的組裝，并依靠最后的裝配來檢驗零件設計的正確性。CATIA裝配模塊按照機械行業(yè)習慣很好地實現(xiàn)了這個功能，即通過各種約束可以把各個構件精準方便的定位(見圖3)。

由于行業(yè)不同，橋梁設計中的定位方式與機械行業(yè)不太一樣，采用CATIA現(xiàn)有裝配功能來定位橋梁各部件的相對位置關系就顯得比較麻煩。通過探索可采用CATIA骨架驅動的方法來避免橋梁構建相互組裝的步驟，即事先把關鍵位置關系用簡單的元素(如點、線、面等，見圖4)來確定，各個部件則參考這些元素進行建模，最后直接組合成為整個結構。這些關鍵的簡單元素可以統(tǒng)稱為骨架，它起到了樞紐的作用，既體現(xiàn)了構件之間的相對位置關系，也為各個構件的建模提供了共同的參考。

例如道路中心線可以作為主梁結構建模的骨架，通過確定道路中心線位置，主梁的位置也就確定了;給定了橋墩的頂?shù)讟烁吆推淇v橫位置，那么橋墩布置的位置也就確定了。這樣橋梁各個構件的設計人員可以相對獨立地進行設計建模，而不必要再考慮其他構件的位置，在進行構件總體組合時，也容易查出錯漏碰缺，即使出現(xiàn)問題只需修改相應構件。

如圖5所示，長江大橋的工程實例就是采用骨架驅動的定位方法來組合形成三維模型。骨架驅動的好處就是可以不用機械裝配模式來進行組合，事先就可以確定好各自構件的相對位置關系。這種思路也吻合了橋梁設計的一般思路過程，先確定好橋梁的總體布置，實質上就是明確主要結構之間的相對位置，再對各部分進行設計。此外還可以結合骨架驅動方法進行項目工作分解，使得設計人員可以并行工作(見圖4)。

圖5 長江大橋的主橋三維模型

總之骨架的應用已成為現(xiàn)階段CATIA最方便且最實際的橋梁定位方法。橋梁工程因為地質條件、地形、跨徑、橋寬、橋型等因素，不可能有兩座完全一樣的橋，兩座非常近似的橋也很難找。因此做一個帶參數(shù)的骨架模型還不如每個工程做一個單獨的骨架模型，不必強求跨工程的重復利用。其實建立骨架還是比較方便的，除了利用CATIA直接創(chuàng)建外，還可以從AutoCAD導入橋梁豎曲線、拉索中心線、塔柱中心線、輔助墩邊墩中心線等骨架元素。

4．3 文檔模板——構件方法

在長江大橋工程實例建模中，文檔模板方法也得到了的廣泛應用，可以有效提高一個橋梁工程中大量有設計規(guī)律的構件單元(如拉索、鋼錨箱、主梁節(jié)段等)的建模效率。

(1)拉索文檔模板

利用CATIA知識工程［3］的文檔模板工具可以把Part、Product發(fā)布成文檔模板。如圖6所示，把單根拉索制作為帶參數(shù)的文檔模板，并以中心線作為外部輸入條件，通過參數(shù)設計表逐根實例化可以得到半橋的所有拉索模型。參數(shù)設計表共有46組拉索參數(shù)，每組參數(shù)對應一根拉索。

(2)鋼錨箱文檔模板

與拉索文檔模板類似，鋼錨箱模板也發(fā)布了一系列構造參數(shù)，并附帶參數(shù)設計表用于實例化生成單個塔柱的所有鋼錨箱(見圖7)。其參數(shù)設計表共有22組鋼錨箱參數(shù)，選擇參數(shù)編號即對應一個錨箱的整套參數(shù)組合。

(3)主梁節(jié)段文檔模板

鋼箱梁由于實際是按節(jié)段劃分，需要逐個節(jié)段進行建模。由于每個節(jié)段各不相同、又大致結構類似。采用CATIA文檔模板的方法進行主梁建模，就是將一個標準節(jié)段作為模具，其它類似的節(jié)段通過模板實例化生成新的節(jié)段，并在此基礎上適當進行修改即可。

如圖8所示，主梁節(jié)段的輸入條件為道路中心線上對應節(jié)段劃分的起點和終點，輸出內容為鋼箱梁的主體結構(包括縱向和橫向結構)。

不同大型橋梁工程的主梁截面和構造差別很大，幾乎沒有兩個項目主梁是一樣的，而主梁包含的設計內容又很多且復雜，因此要做一個主梁模板應用各種工程項目中是不可行的。但是同一個項目里，主梁節(jié)段是符合一定的設計規(guī)律，可以通過文檔模板方法來提高多個節(jié)段的設計效率，其他大橋結構中復雜的關鍵節(jié)點也可使用該方法。

5 小結

通過長江大橋工程實例的建模實踐，我們對CATIA軟件有了更加深刻的認識，并總結提煉出了適用于大型橋梁結構特點的“骨架+模板”的三維建模方法。即以橋梁總體布置骨架為主導，以構件設計模板為核心，結合參數(shù)化功能，實現(xiàn)大型橋梁結構的有效建模。

這種“骨架+模板”方法，除了可應用于與長江大橋相類似的斜拉橋工程，也可推廣應用于其他類型的大型橋梁如懸索橋、拱橋、連續(xù)梁橋等。具體做法是在骨架定位的基礎上，把在一個橋梁工程項目中有設計規(guī)律的各個單元做成帶參數(shù)的文檔模板(可以是塔柱、承臺、立柱、橋臺、樁基等混凝土構件，也可以是主塔鋼錨箱、主橋鋼箱梁、主梁鋼錨梁、主橋拉索、鋼防撞欄桿等鋼結構構件)。

［1］張建平，余芳強，李?。嫦蚪ㄖ芷诘募葿IM建模技術研究［J］．土木建筑工程信息技術，2012，4(1):6-14．

［2］達索系統(tǒng)集團官方網站，http://www．3ds．com/cn/products/CATIA/

［3］顧曉華，仲梁維．基于知識工程的參數(shù)化設計［J］．設計與研究，2001，30(4):17-18．

［4］李德超，張瑞芝．BIM技術在數(shù)字城市三維建模中的應用研究［J］．土木建筑工程信息技術，2012，4(1):47-51．

［5］姚守儼．施工企業(yè)BIM建模過程的思考［J］．土木建筑工程信息技術，2012，4(3):100-105．