基于BIM的新型拱座基礎(chǔ)三維參數(shù)化設(shè)計研究

龍波　梁才　羅富元

摘要：作為拱橋重要受力構(gòu)件的拱座基礎(chǔ)，其設(shè)計受結(jié)構(gòu)上部荷載、地質(zhì)條件、經(jīng)濟性等因素制約，設(shè)計難度較大。廣西荔玉高速公路平南三橋北岸拱座基礎(chǔ)為鋼筋混凝土圓形地下連續(xù)墻+注漿卵石層的復(fù)合式新型基礎(chǔ)，文章以此為工程背景，利用BIM技術(shù)的可視化、參數(shù)化設(shè)計等優(yōu)勢，研究基于BIM的新型拱座基礎(chǔ)的三維參數(shù)化設(shè)計方法及特點，以期改變傳統(tǒng)設(shè)計方式對復(fù)雜結(jié)構(gòu)表達不清、效率低等問題，為提高橋梁復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計質(zhì)量和設(shè)計水平提供幫助。

關(guān)鍵詞：拱座;BIM;參數(shù)化設(shè)計

中國分類號：U442文獻標識碼：A

0 引言

隨著我國交通建設(shè)事業(yè)的不斷發(fā)展，復(fù)雜的特大型橋梁工程越來越多，憑借著跨越能力大、造型優(yōu)美、經(jīng)濟的特點，鋼管混凝土拱橋得到越來越廣泛的應(yīng)用。根據(jù)鋼管在結(jié)構(gòu)中參與受力方式的不同，可分為普通鋼管混凝土拱橋與勁性骨架鋼管混凝土拱橋[1]。

作為支承橋跨結(jié)構(gòu)并將上部結(jié)構(gòu)的荷載傳至地基的重要受力構(gòu)件[2]，拱座基礎(chǔ)的設(shè)計受到主體結(jié)構(gòu)的荷載、場地條件、經(jīng)濟性等不同因素制約。

本文以廣西荔玉高速公路平南三橋北岸拱座基礎(chǔ)為工程背景，利用BIM技術(shù)的可視化及參數(shù)化特點，研究基于BIM的新型拱座基礎(chǔ)的三維參數(shù)化設(shè)計方法及特點，以期改變傳統(tǒng)設(shè)計方式對復(fù)雜結(jié)構(gòu)表達不清、效率低等問題，為提高橋梁復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計效率與質(zhì)量提供幫助。

1 項目概況

平南三橋主橋為中承式鋼管混凝土拱橋，其計算跨徑為560 m，凈跨徑為548 m，主橋長575 m。大橋南北兩岸拱座為重力式抗推力結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)（如圖1所示）。其中北岸拱座基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土圓形地下連續(xù)墻+注漿卵石層的復(fù)合式基礎(chǔ)形式（如圖2所示）。

2 基于BIM的拱座基礎(chǔ)設(shè)計方法

2.1 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)特點

鋼管混凝土拱橋主要構(gòu)造是由鋼管混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)成的，由鋼管與混凝土兩種組成材料相互作用，在克服了材料缺點的同時也使得各自的優(yōu)點得到充分的發(fā)揮[1]。鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)主要有以下幾個特點：（1）構(gòu)件承載力高;（2）延性和塑性好;（3）防腐、耐火性能好;（4）制作施工方便、節(jié)省工期;（5）經(jīng)濟效益高。

2.2 鋼管混凝土拱橋拱座基礎(chǔ)的研究現(xiàn)狀

隨著拱橋在實際工程中的推廣和受力特點的不斷深入研究，業(yè)內(nèi)開始重視和研究拱座基礎(chǔ)的局部受力狀況[3]。目前主要有計算和試驗兩種方法對拱座基礎(chǔ)進行受力分析[4]，其中計算的方法是指采用創(chuàng)建有限元分析模型對結(jié)構(gòu)進行數(shù)值模擬分析;試驗的方法是指建立縮尺模型進行模型試驗研究，以了解結(jié)構(gòu)的一般受力特性。

雖然業(yè)內(nèi)已開展了大量針對鋼管混凝土拱橋的理論研究，但還是不能滿足其推廣的需要[5]。如在鋼管混凝土拱橋的計算分析中采用的一些受力特性及假定，并不能完全模擬結(jié)構(gòu)的真實受力情況。隨著材料強度的提高與跨徑的增大，鋼管混凝土拱橋在施工與運營階段的穩(wěn)定性問題將會更加突出。

以經(jīng)驗性構(gòu)造措施保證的鋼管混凝土拱橋局部構(gòu)造，在其服役期內(nèi)是否會產(chǎn)生不良影響或者出現(xiàn)危害，已引起業(yè)內(nèi)的注意和討論[6]。作為鋼管混凝土拱橋眾多復(fù)雜構(gòu)造之一的拱座基礎(chǔ)，目前對其受力的分析與研究還較為滯后。

2.3 基于BIM的拱座基礎(chǔ)設(shè)計流程

在確定拱橋上部結(jié)構(gòu)及拱腳處的受力后，結(jié)合橋位處的地形地質(zhì)等條件初步擬定拱座基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式和尺寸，再由參數(shù)化構(gòu)件拼裝生成拱座基礎(chǔ)的三維模型，利用參數(shù)化的拱座基礎(chǔ)模型進行有限元受力分析驗算，根據(jù)計算結(jié)果進行結(jié)構(gòu)配筋。然后利用三維設(shè)計成果進行可視化施工方案及流程的模擬檢查，若未符合要求則返回修改相關(guān)參數(shù)賦值更新模型直到滿足要求為止。基于BIM的拱座基礎(chǔ)設(shè)計流程如圖3所示。

3.1 拱座基礎(chǔ)參數(shù)化建模方法

3.1.1 參數(shù)化語言

參數(shù)化設(shè)計作為BIM設(shè)計階段的核心理念之一，其實質(zhì)是指通過可變參數(shù)的調(diào)整可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的快速構(gòu)建、修改，并進行相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計和計算。PCL（Parametric Component Language）語言為北京跨世紀軟件公司針對Bentley平臺定義的實體參數(shù)化建模語言，以實現(xiàn)參數(shù)化結(jié)構(gòu)模型的快速創(chuàng)建，提高異形實體結(jié)構(gòu)的建模效率[7]。三維化實體示意如圖4所示。

利用PCL語言進行參數(shù)化建模是通過延伸、放樣等方法驅(qū)動二維形狀尺寸創(chuàng)建三維參數(shù)化實體，再通過實體之間的交集、差集等計算得到所需要的復(fù)雜參數(shù)化構(gòu)件或者組件[8]。因此，參數(shù)化構(gòu)件主要由二維形狀尺寸、高度、定位等參數(shù)控制，同時，為了保證構(gòu)件的相互關(guān)系，就必須建立起嚴謹?shù)膮?shù)邏輯對應(yīng)關(guān)系。

3.1.2 新型拱座基礎(chǔ)參數(shù)化建模思路

在設(shè)計階段根據(jù)WBS分解原則建立樹形的模型分解結(jié)構(gòu)，根據(jù)新型拱座基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)構(gòu)成特點，可將其模型結(jié)構(gòu)進行分解（如圖5所示）。

3.2 新型拱座基礎(chǔ)構(gòu)造的參數(shù)化設(shè)計

3.2.1 拱座參數(shù)化構(gòu)件

根據(jù)異形結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模的思路，首先參考以往的設(shè)計經(jīng)驗，定義鋼管混凝土拱橋拱座的二維參數(shù)化輪廓（如圖6所示）。然后根據(jù)拱座構(gòu)造的特點用“化整為零”的方法進行實體劃分，將異形結(jié)構(gòu)拆解為常見的規(guī)則結(jié)構(gòu)形式。最后根據(jù)各部分構(gòu)造的相互關(guān)系依據(jù)嚴謹?shù)目臻g邏輯關(guān)系拼裝成完整的參數(shù)化拱座三維模型（如圖7所示）。

3.2.2 復(fù)合基礎(chǔ)參數(shù)化構(gòu)件

新型拱座的復(fù)合基礎(chǔ)主要由圓形地下連續(xù)墻及拱座底板構(gòu)成，其中地下連續(xù)墻又可細分為混凝土帽梁、混凝土墻身及內(nèi)襯結(jié)構(gòu)（如圖8所示）。

3.2.3 新型拱座基礎(chǔ)三維模型拼裝

基于化整為零的思路，分別創(chuàng)建結(jié)構(gòu)各子部位的參數(shù)化構(gòu)件，然后通過各子部位構(gòu)件的拼裝形成完整的參數(shù)化拱座基礎(chǔ)模型。為了實現(xiàn)完整的參數(shù)化拱座基礎(chǔ)模型創(chuàng)建，首先需要對各子部位構(gòu)件的參數(shù)進行整理和合并，并對主控尺寸參數(shù)進行賦值;然后采用表達式對主控、被動的尺寸相互約束關(guān)系進行描述;最后通過表達式對不同構(gòu)件的空間位置關(guān)系進行定位約束，拼裝完成互相約束的參數(shù)化新型拱座基礎(chǔ)三維模型（如圖9所示）。

3.3 基于BIM模型的拱座基礎(chǔ)智能配筋設(shè)計

作為屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)的拱座基礎(chǔ)，其配筋設(shè)計對于其受力作用以及增強混凝土的抗裂性能都是十分關(guān)鍵的。傳統(tǒng)利用手工對大體積混凝土，尤其是不規(guī)則的結(jié)構(gòu)進行配筋設(shè)計，不僅耗費大量的時間，而且容易造成鋼筋布置不合理，增加施工難度等問題?；诠白A(chǔ)的三維BIM模型，對拱座基礎(chǔ)進行智能配筋設(shè)計，建立起精細化的鋼筋模型，則可有效降低鋼筋布置不合理等問題的產(chǎn)生，同時配筋設(shè)計的效率將得到提高。

ReStation軟件為華東勘測設(shè)計研究院基于Bentley平臺開發(fā)的參數(shù)化三維智能配筋設(shè)計軟件[8]。ReStation軟件對于大體積及復(fù)雜的異形混凝土結(jié)構(gòu)具有便捷、智能和參數(shù)化等優(yōu)勢，使得設(shè)計人員擺脫低層次的重復(fù)性勞動，讓提高設(shè)計效率成為可能。因此，本文選用ReStation軟件對新型拱座基礎(chǔ)進行三維智能配筋設(shè)計研究。

以荔玉高速公路平南三橋北岸拱座基礎(chǔ)為例，由拱座基礎(chǔ)三維參數(shù)化BIM模型，利用ReStation軟件對拱座基礎(chǔ)進行大體積混凝土智能配筋，具體過程如下：

（1）根據(jù)設(shè)計成果對主控參數(shù)進行賦值，得到荔玉高速平南三橋北岸拱座基礎(chǔ)三維實體模型。

（2）根據(jù)各部分構(gòu)造分別進行智能配筋設(shè)計。①根據(jù)拱座三維模型創(chuàng)建大體積混凝土配筋體;②基于配筋體進行智能配筋設(shè)計。

（3）根據(jù)配筋設(shè)計成果進行鋼筋編號、材料表輸出及剖切圖紙。

3.4 基于BIM的拱座基礎(chǔ)有限元數(shù)值模擬

以平南三橋北岸拱座基礎(chǔ)為例，基于BIM的三維模型的數(shù)值模擬過程如圖10所示，即首先采用工具對BIM模型導(dǎo)出的三維實體進行約束施加、網(wǎng)格的劃分等預(yù)處理[8]，最后再利用有限元分析軟件進行求解計算。

在數(shù)值求解時，采用SOLID185單元模擬混凝土及土體，同時混凝土和土體之間采用面-面接觸單元連接。實體分析采用整體有限元計算中的最大彎矩工況（Mmax=53 192 kN·M，N=2.90×105 kN）進行計算，分析地下連續(xù)墻與底板分離時的結(jié)構(gòu)及場地受力情況。主要場地參數(shù)如表1所示。

由圖11的應(yīng)力云圖結(jié)果可知：（1）拱座基礎(chǔ)底板支撐卵石層上，地連墻嵌固于巖層內(nèi)，因此分別考察下臥卵石層和下臥基巖的豎向應(yīng)力，由結(jié)果可以看出卵石層最大豎向應(yīng)力為-0.67 MPa，卵石層承載能力滿足要求。對于基巖，不計應(yīng)力集中效應(yīng)的影響，基巖最大豎向應(yīng)力為-1.1 MPa，基巖承載能力滿足要求。（2）地下連續(xù)墻最不利受力區(qū)域位于結(jié)構(gòu)的嵌巖部位，不計應(yīng)力集中效應(yīng)的影響，地連墻最大壓應(yīng)力為-9.5～-7.9 MPa，最大拉應(yīng)力為1.0～1.6 MPa，結(jié)構(gòu)強度滿足要求。（3）底板的最不利受力區(qū)域位于交界墩作用處及拱座底面交界處，不計應(yīng)力集中效應(yīng)的影響，底板最大壓應(yīng)力為-2.9～-2.3 MPa，最大拉應(yīng)力為1.1～1.3 MPa，結(jié)構(gòu)強度滿足要求。

4 結(jié)語

本文以鋼筋混凝土圓形地下連續(xù)墻+注漿卵石層的新型拱座基礎(chǔ)為研究對象，通過基于BIM拱座基礎(chǔ)的設(shè)計方法和流程、參數(shù)化設(shè)計等，實現(xiàn)了基于BIM的新型拱座基礎(chǔ)的三維參數(shù)化模型創(chuàng)建及應(yīng)用，相對比于傳統(tǒng)的設(shè)計方法，基于BIM的參數(shù)化優(yōu)勢可減少設(shè)計的反復(fù)修改，提高設(shè)計的效率與質(zhì)量，并實現(xiàn)方案的快速對比。同時，通過利用ReStation軟件實現(xiàn)對大體積異形混凝土結(jié)構(gòu)的快速智能化三維配筋設(shè)計，效率較傳統(tǒng)方式有大幅度的提高?；贐IM的新型拱座基礎(chǔ)三維參數(shù)化設(shè)計的成功應(yīng)用，為鋼管混凝土拱橋及其他復(fù)雜的特大型橋梁進行基于BIM的三維設(shè)計提供了可借鑒的經(jīng)驗，對提高復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計效率、質(zhì)量有較大的幫助。

參考文獻：

[1]演 星.大跨度鋼管混凝土拱橋拱座結(jié)構(gòu)受力分析[D].西安：西安科技大學(xué)，2012.

[2]邵旭東.橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2007.

[3]齊明芹.鋼管混凝土拱橋拱座受力研究[D].西安：長安大學(xué)，2012.

[4]張 洲.中承式鋼管混凝土勁性骨架拱橋結(jié)構(gòu)特性分析[D].成都：西南交通大學(xué)，2005.

[5]趙中巖.蝶形鋼管混凝土拱橋的拱座局部受力分析[D].成都：西南交通大學(xué)，2011.

[6]劉彥明.基于Bentley平臺的鐵路橋梁構(gòu)件參數(shù)化建模研究[J].鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2016（3）：36-40.

[7]閭澤洋.基于Restation的海上風(fēng)電機組基礎(chǔ)鋼筋3D可視化應(yīng)用[J].風(fēng)能，2015（5）：70-73.

[8]唐可佳.基于BIM的擴大基礎(chǔ)重力式錨碇參數(shù)化設(shè)計研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2018.