淺談空間復雜曲線形鋼箱式橋梁深化設(shè)計方法

張海寧， 張巖峰

(1.銅川市科技創(chuàng)新與應用中心， 陜西 銅川 727000； 2.中金鋼構(gòu)工程有限公司， 西安 710072)

近年來，隨著“一帶一路”及交通強國戰(zhàn)略的實施，鋼結(jié)構(gòu)橋梁因其自重小、抗震好、安裝快、制造工廠化、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢在城市地鐵及輕軌工程、立交橋、高架橋等眾多橋梁項目中得到了廣泛應用與快速發(fā)展。同時，隨著生態(tài)文明建設(shè)的不斷深入，城市審美對道路交通的線路規(guī)劃布置、橋梁外觀結(jié)構(gòu)線形提出了新的需求，已從簡單的直線形或空間單曲線形演變?yōu)榭臻g多曲線形[1-2]。而空間復雜曲線形橋梁軸線線形是由豎曲線及平曲線擬合而成的空間三維曲線，且橋面橫坡為變坡面，橋段橫隔板沿軸線呈放射性分布。若采用傳統(tǒng)的橋梁結(jié)構(gòu)施工圖，無法實現(xiàn)鋼板的精確排版和下料，也無法保證最終橋梁線形曲面的平滑，且橋梁實際立面投影圖非常不規(guī)則，難以通過傳統(tǒng)方式繪制[3]；同時因橋梁外形曲線的復雜化增加了鋼橋詳圖深化設(shè)計及加工制作的難度。業(yè)內(nèi)對此類橋梁加工制作過程中的分段、組裝等冷加工工藝及焊接工藝研究較多，以期更好地控制橋梁線形及焊接質(zhì)量，但結(jié)合冷熱工藝要求，對精細化、高效化詳圖設(shè)計研究成果報道較少[1-8]。

此外，隨著建筑行業(yè)BIM信息技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外專家學者對橋梁設(shè)計、施工、監(jiān)測等全壽命周期數(shù)字化、信息化進行了大量研究。在橋梁施工階段的研究主要集中在進度管理、成本管理、現(xiàn)場物資管理、可視化施工模擬及技術(shù)交底等方面，就鋼結(jié)構(gòu)曲線橋工廠加工制作的BIM技術(shù)研究較少[9-14]。鋼結(jié)構(gòu)加工制作行業(yè)詳圖深化設(shè)計常規(guī)應用軟件是Tekla Structures，但該軟件在復雜曲線形橋梁放樣時操作繁瑣不便，故業(yè)內(nèi)多采用AutoCAD軟件放樣深化。AutoCAD軟件在簡單直線形及單一曲線形外觀橋梁的詳圖深化過程中能達到理想的簡單快捷放樣效果，但對復雜空間曲線橋曲面展開及橋梁變坡放樣處理仍存在難度，且在橋梁橫隔板與橋段基準線、縱向加勁斜交的情況下，手動繪制隔板工作量極大、極易出現(xiàn)錯誤，校準檢查難度大，空間三維實體建模及橋段三維裝配圖的實現(xiàn)難度大。同時，其他能實現(xiàn)曲面三維建模及曲面展開的軟件又無法完美批量化輸出加工圖紙及生產(chǎn)報表。為此，急需一款能集合以上各項需求的深化設(shè)計軟件或探索一種多軟件聯(lián)合應用的方式以完成復雜空間曲線橋的深化設(shè)計，達到設(shè)計文件深化高效、準確、直觀，校準方便，可指導性強的目的。

1 太原新店街橋梁工程

1.1 工程概況[15]

太原新店街橋梁工程位于太原中心城區(qū)北部，共包括2條道路，分別為新店街及恒山路。其中新店街道路全長6.2 km，道路等級為主干路，高架為雙向6車道。恒山路全長2.45 km，主線道路等級為加強型城市主干路，橋下地面輔道為城市次干路，主線高架及地面輔道均為雙向6車道。本工程設(shè)計速度：恒山路高架道路為60 km/h，新店街道路為50 km/h，恒山路地面輔道為40 km/h，立交匝道為40 km/h(困難段為30 km/h)。

恒山路主線干道HU15聯(lián)橋是本工程結(jié)構(gòu)線形最為復雜，深化設(shè)計及加工制作難度最大的鋼箱梁橋段。該橋段為1聯(lián)2跨連續(xù)曲線鋼箱梁橋(鋼材采用Q345qd)，跨度組合為29 m+35.81 m=64.81 m，采用變截面單箱3室斜腹板截面(受橫隔板走向影響，隔板位置截面寬度變化大，但總橋?qū)挷皇苡绊?，橋?qū)?3.5 m，橋高2 m。橋梁中心線平面曲線在A值為167.332 m的緩和曲線和半徑為280.000 m的圓曲線上，豎曲線坡度為3.5%，按二次拋物線設(shè)置預拱度(最大預拱度值為24.6 mm)，橋面橫坡為單坡2%～3%，存在局部變坡，橋梁橫隔板與道路中心線斜交，橋梁頂板、底板及腹板沿橋長方向存在多處變厚位置，橋段整體線形結(jié)構(gòu)復雜，施工詳圖設(shè)計難度大，恒山路HU15橋段設(shè)計平面投影整體線形結(jié)構(gòu)示意如圖1(a)所示，HU15立面預拱度示意如圖1(b)所示，HU15橫斷面示意如圖1(c)所示。

1.2 HU15聯(lián)橋深化設(shè)計重難點分析

HU15橋為空間雙曲線變坡鋼箱梁橋，為滿足橋面形狀及橋梁鋼性需求，橋梁橫隔板布置走向與橋梁道路中心線斜交，且橋梁頂板采用閉口U形縱向加勁肋，這一舉措極大增加了該橋段深化放樣及加工制造難度。

1) 依據(jù)橋梁設(shè)計要求，橋梁橫坡應垂直于橋梁道路中心線(沿中心線徑向方向)，橋梁預拱度應按照橋梁道路中心線設(shè)置，但HU15橋橫隔板與橋梁道路中心線斜交(常規(guī)沿中心線徑向方向)，且受到橋梁豎曲線(預拱度)及橫坡變坡的影響，橋梁橫隔板與橋梁頂板、底板的相交線不能在AutoCAD中按照橫坡簡單放樣，即橫隔板外形輪廓尺寸不能精確確定。

2) HU15橋梁頂板、底板、腹板考慮平曲線及豎曲線的情況下，其板面實際均為空間扭曲面，這導致零件下料尺寸不易得到，應進行曲面展開處理后才能得到實際下料尺寸。目前，人工手動展開曲面較為繁瑣復雜，Tekla Structures軟件可實現(xiàn)曲面展開功能，但其曲面展開需先進行三角形生成器(19號節(jié)點)手動選點生成曲面，再進行展開(21號節(jié)點)，而AutoCAD軟件則無法達到此目的。

(a) 平面投影整體線形結(jié)構(gòu)

單位：mm

3) 由于橋梁橫隔板與縱向加勁肋斜交，交點孔洞邊緣切割不與板面垂直，致使平面放樣難以精準確定切割邊緣，易造成橋梁板單元裝配制作難度。

4) 橋梁橫隔板的U肋孔及I肋孔等孔洞較多，以往橋梁深化均在AutoCAD軟件中手動繪制，但HU15橋梁共有40排且每排均有差異的橫隔板，若手動AutoCAD放樣畫圖，工作量較大，深化慢，較容易產(chǎn)生人為誤差及失誤，校準難。

5) 采用AutoCAD放樣深化時，零構(gòu)件重量計算繁瑣，且往往不能較準確地獲得零構(gòu)件重量，不能為竣工結(jié)算及橋梁節(jié)段起重吊裝提供準確信息。

6) HU15橋廠內(nèi)接板量大，頂?shù)装寮案拱褰恿虾缚p填充量約占總焊縫的11%，如何布置接料焊縫及規(guī)劃其焊接順序、焊接工藝參數(shù)，從而減小焊接變形及焊接殘余應力。

7) 橫隔板受橋梁曲線及布置走向影響，其規(guī)格種類多，且相鄰隔板形貌尺寸視覺差異小，易造成工人組裝錯誤，導致橋面鼓包或加大焊接量。因此，隔板排版下料及堆放編碼標識至關(guān)重要。

2 HU15聯(lián)橋詳圖深化設(shè)計方法

所述深化設(shè)計方法本文綜合利用了Excel數(shù)據(jù)計算方便、AutoCAD線條信息提取及平面放樣快捷簡單、SolidWorks三維建模高效、Kytool加工圖紙輸出高效準確等優(yōu)點，提出了復雜曲線形鋼箱梁橋高效詳圖深化設(shè)計方法的整體流程，如圖2所示。

2.1 基于Excel、AutoCAD軟件復雜曲線形橋梁放樣[1,8]

三維曲線鋼箱梁原始設(shè)計圖多采用水平投影所得，其標注尺寸小于橋梁加工所需實際尺寸。橋梁施工放樣需在原始設(shè)計圖基礎(chǔ)上考慮平曲線、豎曲線、超高坡、單側(cè)橫坡、橫坡變坡、寬度及高度變化、橋面預拱、焊接收縮等因素的影響。復雜曲線形橋梁放樣整體思路如圖3所示。

圖2 復雜曲線形鋼箱梁橋高效詳圖深化設(shè)計方法流程

圖3 復雜曲線形橋梁放樣計算整體思路

1) 設(shè)計原始二維平面投影結(jié)構(gòu)圖數(shù)據(jù)提取

(1) 調(diào)用橋梁二維平面投影結(jié)構(gòu)圖原始AutoCAD圖紙，直接在AutoCAD中對其進行優(yōu)化處理。首先刪除多余標注值，并檢查邊腹板是否垂直，確保原始圖紙中鋼箱梁橫隔板與腹板、道路中心線等的交點清晰明確，然后繪制橋梁分段位置點，并按板厚修正處理所有點位，最后采用CAD樣條曲線命令完善原始圖紙線條，確保所需交點存在且完整；(2) 為滿足后期橋梁胎架制作中胎架橫梁及縱梁應布置在橫隔板與腹板位置線處的要求，利用AutoCAD工具-數(shù)據(jù)提取功能，直接快速提取橫隔板與腹板及道路中心線的交點坐標參數(shù)，并形成Excel數(shù)據(jù)表格。在數(shù)據(jù)提取過程中，也可根據(jù)橋梁線形精度要求，有規(guī)律的在每2排橫隔板之間按隔板走向多采集幾排交點坐標。

2) 橋梁實際線形三維空間參數(shù)計算

由于本項目HU15橋梁道路中線線形為圓曲線+緩和曲線，且緩和曲線段橋梁橫坡存在變化，因此在各點坐標計算過程中，應考慮緩和曲線及圓曲線徑向半徑對縱坡及橫坡的影響，此處計算是整個橋梁線形控制的關(guān)鍵，直接影響到橋梁放樣線形及胎架制作線形。其過程如下：(1) 根據(jù)橋梁設(shè)計橫坡、縱坡、預拱度及加工分段要求，采用Excel軟件計算各特殊交點坐標變化值(事先按照拋物線計算出各交點預拱度)；(2) 累計疊加橫縱坐標值，獲得整橋橋面正投影實際橫隔板與腹板、道路中心線的交點實際坐標值(此坐標為制圖坐標，區(qū)別于現(xiàn)場安裝施工坐標)。若將各點按照橋長方向依次連接便可獲得橋梁實際道路中心線及腹板安裝定位線，若按照橫隔板走向依次連接則可獲得鋼箱梁橫隔板安裝定位線。

3) 放樣繪制橋梁實際線形

在橋梁實際線形三維空間參數(shù)計算準確的基礎(chǔ)上，可直接繪制橋梁頂?shù)装寮案拱?、隔板交線及邊緣線，具體過程為：(1) 采用AutoCAD軟件三維多段線命令直接輸入上文所述計算所得的橋梁實際線形參數(shù)坐標，獲得橋梁實際橋面投影線形(包括道路中線線及腹板位置線)；(2) 按橫隔板位置方向連接各點，便可得到橋梁橫隔板實際位置線；(3) HU15橋梁頂?shù)酌嫫叫校覙蚋吖潭? m，將上述放樣線整體沿Z軸線復制向上平移2 m，便可得到橋梁頂?shù)酌嫠懈拱寮皺M隔板線形(刪除底板多余腹板線及邊緣線)，也可采用Z軸坐標值增大后直接輸入AutoCAD軟件獲得。

值得注意的是HU15橋中腹板為直腹板，與頂?shù)装褰痪€一致，但其邊腹板為斜腹板，與橋梁頂?shù)装褰痪€有所偏差，在整個放樣計算過程中應將原始二維圖紙中邊腹板與頂?shù)装宓慕唤泳€全部計算放樣。

至此，橋梁線形及橫隔板、腹板位置定位放樣完成，空間連接并封閉頂?shù)装逋晃恢锰帣M隔板位置線或腹板位置線，可得到橫隔板及腹板空間線框曲面。HU15橋?qū)嶋H線型放樣如圖4所示。

圖4 HU15橋?qū)嶋H線形放樣

2.2 基于SolidWorks軟件復雜曲線形橋梁三維建模[1-2，5]

1) 復雜曲線形橋梁高效建模方法流程

由于SolidWorks較AutoCAD有更為簡單直觀的三維建模環(huán)境，且能完成曲面展平，故采用SolidWorks軟件完成復雜曲線橋梁建模工作，整體思路為采用自上而下的建模，具體過程如下：

(1) 橋?qū)嶋H線形放樣(.dwg)文件直接導入，生成(.PART)文件。

(2) 采用曲面生成命令，按照放樣曲線直接放樣頂板、底板、腹板及整排橫隔板曲面。

(3) 按照橋梁分段及變厚要求，將頂?shù)装寮案拱?、橫隔板等曲面進行分割處理(也可先形成實體后分割處理)。

(4) 采用曲面加厚命令，實現(xiàn)橋梁頂?shù)装寮案拱?、橫隔板大樣曲面到實體的轉(zhuǎn)換。

(5) 采用掃描切割命令完成橫隔板所有U肋孔、I肋孔、T肋孔及其他焊接工藝孔的1次整體切除。

(6) 采用掃描拉伸命令完成U肋孔、I肋孔、T肋等縱向加勁肋1次整體生成。

(7) 檢查文件屬性標簽及實體材料屬性等，按規(guī)律命名所有實體，為后期深化圖紙批量輸出做好準備，保存所有實體。

至此，橋梁按照分段情況已完成頂?shù)装寮案拱?、橫隔板的大樣放樣，剩余橫隔板筋板及橋墩筋板、人孔等未完成，本部分工作在單個實體或單個橋梁分段內(nèi)完成。

(8) 按實體命名及橋梁分段位置，組裝各分段橋梁(每一個分段作為一個裝配體)，在裝配體內(nèi)部完成橫隔板剩余筋板及橋墩筋板、底板人孔等處理。

至此，完成所有三維建模工作。

2) 高效建模方法優(yōu)缺點分析

(1) 盡管SolidWorks軟件可通過直接輸入曲線數(shù)據(jù)的方式導入橋梁實際放樣線形，但后期繪制處理橫隔板位置線較繁瑣。為此，采用上文所述獲得的復雜曲線形橋梁(HU15)實際線形放樣的(.dwg)文件(包含橫隔板位置線及腹板位置線、橋梁分段位置線等信息)直接導入SolidWorks軟件內(nèi)，以獲得橋梁建模放樣基本信息。

(2) 采用單排橫隔板整體放樣曲面后(或曲面加厚形成實體后)，按照腹板曲面位置統(tǒng)一分割形成單個橫隔板的思路，可減少橫隔板放樣次數(shù)，加快建模深化速度。

(3) 采用掃描切割整體切除橫隔板U肋、I肋、T肋以及其他焊接工藝孔的思路，實現(xiàn)1次整體切除多個橫隔板的效果，加快建模深化速度。

(4) 采用模塊化放樣切割實現(xiàn)建模，可避免單個零構(gòu)件檢查審核，加快后期模型審核速度。

(5) 本文詳圖深化建模思路盡管能快速建模，但若曲線橋(如HU15)橫隔板斜交于道路中心線，將導致橫隔板與腹板及縱向加勁肋的連接，在板厚方向的邊緣切割面及工藝孔切割面存在一定斜度。此時，批量自動輸出的橫隔板零件加工圖紙邊緣線增加，干擾切割下料，且切割面斜度在數(shù)控下料過程中無法切割成型，工程技術(shù)人員需依據(jù)切割及焊接工藝要求手動修正調(diào)整加工圖紙。

本文深化建模思路的具體應用，受深化人員計算放樣數(shù)據(jù)的準確性及對軟件熟悉度的影響。

2.3 基于Kytool軟件復雜曲線形橋梁圖紙批量化處理

SolidWorks軟件不同于Tekla軟件可實現(xiàn)零構(gòu)件自動系統(tǒng)編號刷號及快速出圖功能，需借助Kytool插件既可獨立使用，又可嵌入到SolidWorks中以插件的方式使用，彌補了SolidWorks軟件不可實現(xiàn)零構(gòu)件批量自動編號、刷號及快速輸出加工圖紙的功能缺憾，為SolidWorks用戶提供了豐富實用的功能，其界面功能如圖5所示。

圖5 HU15部分建模示意

3 結(jié)束語

本文提出的高效詳圖深化設(shè)計方法，重點為前期橋梁線形放樣處理，關(guān)鍵在于高效三維建模過程，主要結(jié)論如下：

1) 線形放樣處理應充分考慮橋梁腹板和中心線處緩和曲線及圓曲線半徑對放樣坐標計算的影響，同時還應考慮橫隔板與橋梁中心線法線的關(guān)系、橋梁坡度變化及預拱度變化等，放樣過程中空間關(guān)鍵點位坐標提取計算及實際線形繪制的準確性直接影響三維建模效率及施工質(zhì)量。

2) 高效三維建模主要體現(xiàn)在橋梁實體生成及孔洞切除、橋段分割的快捷高效上，工程建模人員應對工廠制作及現(xiàn)場安裝工藝熟知，在三維模型中做好橋段端口及隔板過焊孔等工藝處理，避免造成零構(gòu)件數(shù)控下料后手工切除而造成質(zhì)量隱患及人工耗費。

3) 隨著計算機模擬技術(shù)及建筑BIM技術(shù)的發(fā)展和普及，作為鋼結(jié)構(gòu)制造及安裝企業(yè)應重視BIM三維建模深化設(shè)計，及其在現(xiàn)場制造、安裝模擬與管理中的應用和研究，特別是結(jié)構(gòu)復雜且大跨度的鋼結(jié)構(gòu)焊接、拼裝及合攏模擬應作為未來大型一流鋼結(jié)構(gòu)制作安裝企業(yè)的一項基本工作內(nèi)容。同時，為做好橋梁焊接質(zhì)量跟蹤與管理，減少技術(shù)人員在焊縫分類編號、長度及填充量計算等方面的繁瑣工作量，建議軟件開發(fā)公司或團隊針對此項功能進行二次開發(fā)與完善，為工程技術(shù)人員及焊接質(zhì)量的跟蹤與管理提供便利。