基于CATIA的BIM技術(shù)在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

李 興，王毅娟，王 健

(1.北京建筑大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，北京 100044；2.北京建筑大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院 北京節(jié)能減排關(guān)鍵技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100044)

基于CATIA的BIM技術(shù)在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

李 興1，王毅娟2，王 健1

(1.北京建筑大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，北京 100044；2.北京建筑大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院 北京節(jié)能減排關(guān)鍵技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100044)

基于BIM技術(shù)在橋梁設(shè)計(jì)中應(yīng)用，其首要問題就是選取一款能夠滿足橋梁骨架線平滑程度和局部構(gòu)件精度的三維建模軟件. 因?yàn)镃ATIA軟件自身擁有強(qiáng)大的曲線、曲面和空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能力，所以被越來越多的人用于橋梁設(shè)計(jì)階段的三維建模. 依據(jù)相應(yīng)橋梁工程項(xiàng)目中特定要求選取法國達(dá)索公司的CATIA軟件作為BIM技術(shù)的操作平臺(tái)，以蝴蝶型拱橋的基本組成部分：基礎(chǔ)、拱肋、橋面系、拉索以及支座構(gòu)建橋梁三維模型的骨架，結(jié)合橋梁局部參數(shù)化的構(gòu)件進(jìn)行三維模型的建立. 同時(shí)，根據(jù)三維模型的數(shù)字化、信息化和可模擬化等特點(diǎn)，對(duì)橋梁工程項(xiàng)目在其施工階段進(jìn)行分析與指導(dǎo). 從而提高橋梁設(shè)計(jì)師的工作效率和橋梁工程的質(zhì)量.

CATIA； BIM； 三維建模； 橋梁

隨著BIM技術(shù)在全世界的迅速興起，越來越多的CAD/CAM/CAE軟件被人們應(yīng)用于建筑工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)階段. 例如：達(dá)索的CATIA、歐特克的Revit以及GRAPHISOFT的ArchiCAD等軟件. CATIA軟件是一款BIM的核心建模軟件，而且是實(shí)現(xiàn)一個(gè)BIM項(xiàng)目中人員、工具、方法和資源集成的基礎(chǔ). 根據(jù)橋梁工程項(xiàng)目中的造型復(fù)雜、預(yù)制構(gòu)件的精度要求高、骨架線的平滑程度高等要求，CATIA被越來越多的人應(yīng)用于橋梁的三維建模上. CATIA軟件具有以下幾個(gè)功能和特點(diǎn)：

1)設(shè)計(jì)者可以根據(jù)高程信息、地質(zhì)調(diào)查資料以及縱橫斷面形成地質(zhì)模型；

2)具有強(qiáng)大的曲線、曲面和空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能力，完全能夠滿足彎橋道路中心線的平滑程度以及復(fù)雜空間構(gòu)件的精細(xì)度；

3)能夠?qū)崿F(xiàn)局部構(gòu)件的參數(shù)化建模，在三維建模的后期實(shí)現(xiàn)快速修改模型；

4)利用知識(shí)工程模塊，使構(gòu)件的參數(shù)與參數(shù)相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)任意參數(shù)的變動(dòng)帶動(dòng)整體模型的同步更新；

5)能夠與有限元軟件Abaqus無縫對(duì)接，使橋梁結(jié)構(gòu)受力分析更加方便快捷.

如果以上這些特點(diǎn)能被橋梁的結(jié)構(gòu)工程師所掌握，那么在橋梁的三維建模以及結(jié)構(gòu)受力分析上將大大提高工作效率，減少返工. 本文下面以某蝴蝶拱橋?yàn)槔?，詳?xì)闡述如何利用CATIA中點(diǎn)、線和面因素來構(gòu)建蝴蝶拱橋的骨架以及結(jié)合知識(shí)工程模塊中UDF(User Defined Feature)的參數(shù)化模板來進(jìn)行建模[1].

1 工程概況

本蝴蝶拱橋的計(jì)算跨徑為38 m. 拱肋軸線所在的平面與拱座中心所在的鉛直平面呈35°，拱軸線為二次拋物線，其拋物線方程為Y=-0.026 315 789 5x2+9.5 m，矢跨比為1/4. 拱肋鋼管采用外徑為600 mm，壁厚為14 mm的鋼管. 加勁梁為邊主梁構(gòu)造，采用14 mm厚的Q345qC鋼板焊接而成，加勁梁截面的高度為400 mm，寬度為750～864.9 mm. 兩個(gè)拱肋鋼管之間以及拱肋與加勁梁之間采用工字型的橫梁連接. 橫梁的高度為600 mm，寬度為4 021.7～5 449.5 mm，頂板和底板均采用16 mm的Q345qC鋼板，腹板采用20 mm的Q345qC鋼板. 在橫梁頂板與底板的高度處，拱肋內(nèi)部采用16 mm的Q345qC鋼板進(jìn)行加勁. 邊主梁之間采用頂板和底板均為12 mm的Q345qC鋼板以及腹板為10 mm的Q345qC鋼板焊接而成的工字梁連接. 工字梁上面鋪筑厚度為100 mm的鋼筋混凝土預(yù)制板. 拱肋的拉索采用環(huán)氧樹脂防護(hù)鋼絞線，每根拉索由一束鋼絞線構(gòu)成. 基礎(chǔ)為四樁承臺(tái)基礎(chǔ)，承臺(tái)尺寸為5.6 m×5 m×2 m，樁基礎(chǔ)是直徑為1 m的鋼筋混凝土灌注樁. 橋梁立面如圖1所示.

2 CATIA建模流程

2.1 建模原則的制定

橋梁三維模型的建造工作量巨大，需要多個(gè)設(shè)計(jì)人員來協(xié)同工作. 因此，在建立模型之前應(yīng)制定本橋梁建模的原則. 本文認(rèn)為建立全橋模型的原則為：盡量保持橋梁骨架線之間的相互關(guān)聯(lián)，但是每個(gè)局部構(gòu)件之間盡量相互獨(dú)立，避免后期改動(dòng)局部構(gòu)件影響全橋的尺寸變化. 局部構(gòu)件盡可能的實(shí)現(xiàn)參數(shù)化，并提高實(shí)例化文檔的重復(fù)利用率.

以右手笛卡爾坐標(biāo)系為基本坐標(biāo)系.X、Y、Z軸分別為橋梁橫橋向、順橋向和垂直高度方向. 全橋的長度單位為mm. (注：如果橋梁總長為10 km以上，其長度就超過了CATIA默認(rèn)的表達(dá)范圍[2]，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該把全橋尺寸按適當(dāng)?shù)谋壤s小再進(jìn)行建模. )

2.2 橋梁骨架的構(gòu)建

根據(jù)CATIA軟件在產(chǎn)品中新建或者插入產(chǎn)品或零部件時(shí)，即在產(chǎn)品與產(chǎn)品或零部件中建立了一個(gè)instance關(guān)聯(lián)[3]，該關(guān)聯(lián)能夠獲取產(chǎn)品或零部件的存放路徑與名稱，直接調(diào)用該產(chǎn)品或零部件. 根據(jù)蝴蝶型拱橋的基本組成部分和instance關(guān)聯(lián)的特性，將蝴蝶拱橋模型分為如圖2所示的總產(chǎn)品以及子產(chǎn)品. 之后在每個(gè)子產(chǎn)品下面創(chuàng)建相對(duì)應(yīng)的零部件，建立蝴蝶型拱橋局部構(gòu)件. 在蝴蝶拱橋骨架(HDXGQ-GJ)產(chǎn)品中建立完成蝴蝶型拱橋的道路中心線、拱肋的啟拱點(diǎn)、拱座中心平面等構(gòu)成橋梁骨架的關(guān)鍵點(diǎn)、線、面等因素，通過CATIA中的發(fā)布功能，將關(guān)鍵的點(diǎn)、線、面發(fā)布. 使其他產(chǎn)品按照已發(fā)布的點(diǎn)、線、面來構(gòu)建全橋模型. 利用此種方法進(jìn)行橋梁骨架的搭建，設(shè)計(jì)者能夠方便快捷地查找橋梁的某一部件，同時(shí)可以使用隱藏功能，將不需要展示的構(gòu)件移放到隱藏空間. 橋梁基本組成部分通過發(fā)布的點(diǎn)、線、面相關(guān)聯(lián)，修改橋梁骨架的點(diǎn)、線、面便可以使橋梁構(gòu)件的位置發(fā)生改變.

2.3 參數(shù)化構(gòu)件的建立

通過知識(shí)工程模塊中的UDF(User Defined Feature)建立蝴蝶型拱橋的參數(shù)化構(gòu)件，選取蝴蝶型拱橋模型中關(guān)鍵的點(diǎn)、線、面做為定位信息. 依據(jù)確定的定位信息來建立參數(shù)化模型的模板. 參數(shù)化模型的建立時(shí)需要注意：盡量把構(gòu)件的形狀和尺寸約束聯(lián)合起來考慮，通過尺寸的約束實(shí)現(xiàn)對(duì)幾何形狀的精確控制. 這樣設(shè)計(jì)者可以在后期對(duì)模型進(jìn)行快速的修改. 同時(shí)，對(duì)于一些造型復(fù)雜的空間構(gòu)件，可以通過高階以及復(fù)雜方程式來控制其邊線，使設(shè)計(jì)者的思想百分之百精確地表達(dá)在模型上. 例如本模型中對(duì)承臺(tái)與樁基的尺寸以及承臺(tái)與樁基中的鋼筋的直徑、根數(shù)和鋼筋的間距進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置. 利用方程式約束參數(shù)與參數(shù)之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了通過修改樁基與承臺(tái)中的自定義變量，從而達(dá)到滿足結(jié)構(gòu)要求的尺寸. 承臺(tái)與樁基的參數(shù)化如圖3. 最后，通過實(shí)例化文檔依據(jù)定位信息將參數(shù)化構(gòu)件插入到全橋模型中相對(duì)應(yīng)的位置. 承臺(tái)與樁基的定位信息以及插入如圖4.

3 CATIA模型的應(yīng)用

目前，BIM技術(shù)的可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性以及可出圖性五大特性[4]，都是基于其建造三維模型的平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)的. 利用CATIA橋梁三維模型中的信息，在橋梁設(shè)計(jì)階段可以進(jìn)行碰撞檢查，優(yōu)化工程設(shè)計(jì)，減少在橋梁施工階段可能存在的錯(cuò)誤以及返工的可能性. 最后，設(shè)計(jì)人員可以通過優(yōu)化之后的橋梁三維模型進(jìn)行二維圖紙的出圖以及各種材料精確用量的統(tǒng)計(jì)[5]. 如果像構(gòu)件與構(gòu)件空間位置的沖突、以及構(gòu)件尺寸不精確等問題可以在設(shè)計(jì)期間就得以解決，那么，在橋梁施工的環(huán)節(jié)中可以大大地節(jié)約施工成本、減少返工、加快施工進(jìn)度以及提高橋梁施工質(zhì)量.

3.1 CATIA模型精確計(jì)算工程量

通過CAITA中測量功能，在橋梁三維模型上直接量取樁基鋼筋中任意一根鋼筋的尺寸，用提取的鋼筋尺寸來指導(dǎo)施工隊(duì)伍進(jìn)行鋼筋的采購、下料和加工，從而達(dá)到鋼筋用量的準(zhǔn)確性，減少不必要的材料浪費(fèi)和減輕設(shè)計(jì)人員手動(dòng)計(jì)算鋼筋用量的勞動(dòng)負(fù)擔(dān). 通過CATIA橋梁三維模型中提取的鋼筋精確長度與CAD中計(jì)算得出的鋼筋長度對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在螺旋箍筋N3長度計(jì)算中，在CAD圖紙中使用式(1)的計(jì)算公式計(jì)算得出的長度與從CATIA橋梁三維模型中提取出來的精確長度具有一定的差別，對(duì)比數(shù)據(jù)見表1.

L=N×SQRT(h×h+(3.14×D)×(3.14*D))

(1)

式中：D為螺旋箍筋的直徑；N為螺旋箍筋的環(huán)數(shù)；h為螺旋箍筋的間距.

表1 鋼筋長度對(duì)比表

注：表中的鋼筋長度為計(jì)算長度，不考慮搭接長度.

對(duì)于一些異型結(jié)構(gòu)工程量的計(jì)算，如圖5中具有空間造型的鋼橋塔. 其鋼構(gòu)件的不規(guī)則形狀以及在空間上呈現(xiàn)彎扭的狀態(tài)給設(shè)計(jì)人員計(jì)算其工程量帶來很大的麻煩. 但是，利用CATIA的測量功能，直接選取需要計(jì)算工程量的部位，就可以得出鋼構(gòu)件的表面積和體積. 因此減輕了設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)負(fù)擔(dān)，加快工作進(jìn)度.

3.2 CATIA模型的碰撞檢查

利用傳統(tǒng)的二維平面設(shè)計(jì)模式很難發(fā)現(xiàn)橋梁構(gòu)件在空間位置上是否發(fā)生沖突，尤其是各種類型的鋼筋. 利用CATIA模型中的碰撞功能對(duì)所需要進(jìn)行碰撞分析的構(gòu)件進(jìn)行檢查，如果發(fā)現(xiàn)空間位置沖突，及時(shí)修改橋梁的三維模型，便可減少在橋梁施工階段可能存在的錯(cuò)誤和返工的可能性. 如圖6樁基中的聲測管與承臺(tái)中鋼筋位置發(fā)生沖突，設(shè)計(jì)人員應(yīng)修改承臺(tái)與樁基的模型或者在設(shè)計(jì)說明中提出解決問題的方案.

3.3 CATIA模型的二維平面出圖

依據(jù)傳統(tǒng)的CAD軟件出圖方式，每座橋梁基本組成部分的三視圖和剖面圖都需要設(shè)計(jì)人員手動(dòng)繪制. 而且在方案修改期間，一個(gè)尺寸的改變就需要對(duì)所有視圖的尺寸進(jìn)行修改. 這就加大了設(shè)計(jì)人員的工作量以及工作效率低下. 選取橋梁所需要進(jìn)行出圖的構(gòu)件(見圖7)以及利用CATIA軟件中的Drawing模塊，在開始的界面選取所需要的視圖(如圖8)，之后對(duì)二維平面圖進(jìn)行標(biāo)注以及圖框的添加，圖9為橋梁預(yù)制構(gòu)件的二維平面圖和局部大樣放大圖. 利用Drawing模塊得出工程圖是與三維模型相關(guān)聯(lián)的，只要三維模型的尺寸發(fā)生更改，工程圖就會(huì)隨之改變.

3.4 CATIA模型的對(duì)橋梁施工的指導(dǎo)

測量員在施工現(xiàn)場事先通過對(duì)拱肋軸線的放樣，測量出控制拱肋軸線的關(guān)鍵坐標(biāo)點(diǎn)，將實(shí)測坐標(biāo)點(diǎn)導(dǎo)入CATIA軟件中形成模擬拱軸線，之后將實(shí)測坐標(biāo)點(diǎn)和模擬拱軸線與CATIA軟件中理論的坐標(biāo)點(diǎn)和拱軸線進(jìn)行對(duì)比，如果發(fā)現(xiàn)實(shí)測坐標(biāo)點(diǎn)和模擬拱軸線的線型與理論拱軸線的偏差過大，應(yīng)該立即檢查與調(diào)整實(shí)測坐標(biāo)點(diǎn). 利用實(shí)測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)對(duì)比的方法能夠?qū)?shí)際的拱肋線形做出更加精確以及直觀的分析.

4 結(jié)論

本文通過案例說明了如何利用CATIA軟件在BIM技術(shù)中的設(shè)計(jì)階段使用 “骨架+模板”的方法來建立橋梁的三維模型，即以橋梁基本部分組成的關(guān)鍵的點(diǎn)、線和面為骨架，結(jié)合構(gòu)成橋梁基本組成部分的參數(shù)化構(gòu)件的模板，實(shí)現(xiàn)快速有效地建立橋梁三維模型. 設(shè)計(jì)人員能夠應(yīng)用橋梁三維模型，對(duì)橋梁建筑材料的工程量進(jìn)行精確計(jì)算，利用CATIA中碰撞檢查功能對(duì)構(gòu)件與構(gòu)件的空間位置進(jìn)行檢查，結(jié)合Drawing功能進(jìn)行符合項(xiàng)目相應(yīng)深度的二維平面的出圖. 綜上所述，CATIA軟件能夠滿足在橋梁設(shè)計(jì)階段的快速建模、工程算量、碰撞檢查和二維平面出圖等功能，能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)人員提高工作效率，減少返工. 至于CATIA如何更好更高效地為橋梁設(shè)計(jì)服務(wù)，則需結(jié)合自動(dòng)化對(duì)象編程(V5 Automation)和開放的基于構(gòu)件的應(yīng)用編程接口(CAA)對(duì)CATIA進(jìn)行二次開發(fā)[6]，使其成為橋梁設(shè)計(jì)師專業(yè)化軟件.

[1] 王智明, 楊旭, 平海濤. 知識(shí)工程及專家系統(tǒng)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社, 2006:4-5

[2] 黃俊炫, 張磊, 葉藝. 基于CATIA的大型橋梁三維建模方法[J]. 土木建筑工程信息技術(shù), 2013(4): 51-55

[3] 謝龍漢, 單巖, 周超明. CATIA V5零件設(shè)計(jì)/CATIA產(chǎn)品設(shè)計(jì)系列叢書[M]. 北京：清華大學(xué)出版社, 2005:3-10

[4] 楊富華, 鄒惠芬, 唐吳. 建筑信息模型(BIM)與傳統(tǒng)CAD的比較分析 [A]∥第十屆沈陽科學(xué)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集：信息科學(xué)與工程技術(shù)分冊(cè)[C]. 2013

[5] 祝元志. 數(shù)字技術(shù)再掀建筑產(chǎn)業(yè)革命?——BIM 在建筑行業(yè)的應(yīng)用和前景與挑戰(zhàn)[J]. 建筑, 2010(3): 10-22

[6] 胡挺, 吳立軍. CATIA 二次開發(fā)技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社, 2006:18-27

[責(zé)任編輯：佟啟巾]

Application of BIM Technology in Bridge Design Based on CATIA

Li Xing1, Wang Yijuan2, Wang Jian1

(School of Civil and Traffic Engineering，Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044)

Based on the application of BIM technology in bridge design, the first problem is to select a software which can meet the precision of the bridge skeleton line and the local component. Because CATIA software has a strong curve, surface and space structure design capabilities, so more and more people use it to build three-dimensional modeling in bridge design. According to the corresponding specific requirements of bridge project, the CATIA software of Dassault from the France is selected as BIM technology operating platform. Based on the basic components of the butterfly arch bridge：the foundation, arch rib, bridge deck, cable and bearing, and the local parameterization component of bridge, the 3D modeling of the bridge is established. At the same time, according to the characteristics of digitalization, information and being simulated of the three-dimensional model, the construction stage of bridge engineering project is analysed and guided in order to improve the working efficiency of the bridge designers and the quality of the bridge project.

CATIA; BIM; 3D modeling; bridge

2016-08-29

建設(shè)部研究開發(fā)項(xiàng)目“城市高架橋規(guī)劃建設(shè)體系研究”(2015- R2- 039)

李 興(1992—)，男，碩士研究生，研究方向： 橋梁與隧道工程.

1004-6011(2016)04-0013-05

U441+.2

A