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BIM技术案例分享:常泰长江大桥主塔BIM正向设计

发布时间:2021年02月23日 15:08:48 来源:网络 点击量:

【摘要】常泰长江大桥主航道桥主塔采用钻石形空间四肢塔,锚固结构为“钢-核芯混凝土”新型锚固结构,空间关系复杂,常规二维设计难以满足对设计精度和效率要求。环球网校为大家带来“BIM技术案例分享:常泰长江大桥主塔BIM正向设计”。

工程概况

常泰长江大桥主航道桥方案采用双塔公铁两用斜拉桥,主塔两侧各设辅助墩及边墩,主桥孔跨布置为(142+490+1 176+490+142)m,全长2440m。

主塔采用“钢-混凝土”混合空间四肢塔,中下塔柱为混凝土结构;上塔柱为“钢-混凝土”组合结构。锚固结构为“钢-核芯混凝土”新型锚固结构 。

BIM建模方法

常用的BIM建模方法有“自底向上”和“自顶向下”两种。“自底向上”建模是指先做好基本构件(零部件),利用各个基本构件之间的配合关系建立基本结构,再将多个基本结构按设计方案组成总体结构。“自顶向下”建模是指先根据需求和设计意图绘制结构的总体方案,由总体方案的控制数据初定各个构件尺寸进行检算,再根据检算结果调整结构尺寸并对构件进行细化设计。

整体结构模型建立

建模方法

初步设计阶段,需对结构的整体方案进行设计和比选,并进行初步的细部设计。在施工图设计阶段,需对结构进行精细化设计,以达到制造和施工要求。根据主塔设计特点,对于主塔主体结构,采用“自顶向下”的建模方法,即先建立主塔整体结构模型,再对结构进行细化,以整体控制局部。

建立主塔轴线

根据景观和结构受力需求,本桥主塔选用钻石形空间四肢塔。绘制主塔轴线并建立尺寸约束,即对几何图元的尺寸、距离、角度等创建尺寸约束,由尺寸约束自动生成参数,即主塔的控制高程和轴线控制尺寸等参数,通过修改参数可对几何图元进行修改。

放样整体模型

在轴线的控制点处建立控制平面,在控制平面绘制控制截面;放样生成主塔整体模型。整体模型生成后,后期可根据设计需求,通过修改高程、间距、尺寸等参数,对整体模型进行快速调整。

主塔建模过程

截面比选

常泰长江大桥主塔为钻石形空间四肢塔,中上塔柱结合处将四肢合并为一个塔柱,故实现匀顺过渡尤为重要。初步确定正八边形截面和矩形大切角截面方案,分别进行放样。根据放样结果进行景观效果对比,选择正八边形截面。

模型衍生与联动

桥塔整体模型基于方案设计需求和模型的宏观把控,在建模过程中省去了细部构造。在施工图设计阶段,设计工作将进一步深化。

为减小模型文件大小,节省计算空间,同时便于修改,分别衍生混凝土细化模型和钢结构细化模型,作为主塔整体模型下级文件。衍生出的节段模型与整体模型具有一致性,为联动关系,修改上级整体模型,则下级节段模型随之更新。由此实现上级模型整体控制,下级模型深入细化,上、下级模型保持联动,形成联动模型组。

设计过程中,通常需要多人协同设计。以往的二维设计,若整体方案调整,则需要多方协调配合完成调整。在BIM正向设计中,将节段模型分配给各设计人员,只需修改整体模型,下级节段模型则联动更新,既实现了负责人对设计模型的整体把控,又实现了多人协同参与设计工作,避免因沟通不当而导致的设计成果冲突。

模型细化

混凝土塔柱细化本桥塔肢为单室截面,采用几何约束与尺寸约束相结合方式,几何约束即在草图几何图元上应用约束来固定草图的形状或位置,如垂直、共线、平行等,绘制箱室截面,放样生成箱室形状,通过布尔运算细化空心部分。其余细化部分通过放样、倒角、修剪等操作实现。

钢塔柱细化钢结构部分构造复杂,细节较多。为提高设计效率,按吊装节段对上塔柱进行划分,以整体模型衍生模型为控制轮廓;采用几何关系约束原则,作出加劲肋、隔板等板件轮廓,以节段轮廓控制板件尺寸、定位;放样隔板、加劲肋等细部构造实体,建立节段详细模型。

在设计中,当上塔柱截面尺寸发生变化,只需修改整体模型中上塔柱尺寸,其余衍生节段模型自动更新为修改后的尺寸。因加劲肋、隔板等板件草图通过几何关系与节段轮廓约束,板件位置、尺寸自动适应截面的变化,无需进行其他修改。

建模方法

本桥锚固结构采用新型“钢-核芯混凝土”锚固,外壁为钢结构桥塔,中间为核芯混凝土,斜拉索通过钢锚箱交叉锚固于核芯混凝土上。

本桥单个塔共78对斜拉索,每根斜拉索对应一个锚固结构。锚固结构的尺寸、位置与斜拉索空间角度、斜拉索规格等息息相关,在整个设计周期内随着拉索参数的变化而变化,其中涉及参数多、空间结构复杂。采用BIM进行参数化建模,能有效适应设计过程中的拉索调整和空间碰撞问题。

若采用“自顶向下”的建模方式,所有锚固结构均在一个模型中建立,该模型中需要设置大量参数,对建模和后期修改极为不便 。另外,锚固结构与主塔整体模型关联不大,无需通过“自顶向下”来进行整体控制。为减少单个模型参数设置,提高建模效率,将同一编号的四根斜拉索分为一组,建立单组锚固结构模型,再将单组锚固结构模型组合生成全塔锚固结构模型,即采用“自底向上”方法建模。

参数设定与建模

1.参数设置

利用尺寸约束生成锚固结构的控制参数,由于斜拉索角度在设计过程中随着索力、锚固点、索规格的变化而变化,变动次数多。若直接在模型内修改参数,工作量大且容易出错。通过Inventor软件自带的Excel接口,将生成的控制参数与Excel表格形成联动,以Excel表格控制BIM模型的参数修改,同时将计算文件与参数表格链接,快速实现对大量参数的一次性修改。

2.模型建立

根据相关计算结果,对设计出锚固构造板件及细节进行建模放样,生成单组锚固结构模型。

3.锚固结构模型重用

本桥每个主塔共78对斜拉索,需建立39组锚固结构模型。逐个建模工作量大,效率低。考虑到钢锚箱结构相同,仅需改变参数即可得到下一组模型。将单组斜拉索锚固结构进行建模,复制后通过修改参数生成下一组编号的锚固结构模型。将所有锚固结构模型组装,得到全塔锚固结构模型。

索导管放样与碰撞检查

本桥 “钢-核芯混凝土”锚固结构中,索导管穿过3道钢板,与钢板相交处均需设置开孔。

在以往的二维设计中,需要对正立面,侧立面和平面三个视图进行放样,才能定位出索导管在空间中的位置。要得到钢板开孔形状、尺寸则需要利用几何公式进行计算,而对于碰撞检查更为困难。

在BIM三维模型中,通过布尔运算直接完成钢板开孔,通过软件自带碰撞检查功能避免空间碰撞。

出图与成果应用

图纸绘制

Inventor软件可直接使用三维模型进行二维图纸绘制,可放置不同的立面、平面视角,也可对模型进行剖切和局部大样图绘制,减少了人工绘图错误。另外,Inventor中图纸与模型联动,模型修改与图纸更新一体化,省去重复修改,提高设计效率。同时对结构进行可视化展示,并通过三维轴测图深化图纸,使工程表达更加直观、详细。目前,Inventor在数量统计方面功能尚未完善,需进一步开发。

局部计算

在设计过程中,通常需要对结构局部构造进行有限元分析。主塔空间结构、钢结构细部构造复杂,常用有限元软件建模方法复杂,效率难以提高。

借助已建立BIM三维模型,导入Hypermesh软件即可直接进行网格划分,完成相关设置,使用常用有限元软件进行计算。BIM-Hypermesh-有限元软件联合计算,计算模型与设计模型一致,模型精准度高,避免重复劳动,提高设计效率。

成果展示

以往的二维设计中,成果展示通常为平面二维图纸。若要三维展示,则需另外建模,工作量大。利用现有BIM三维模型,可对设计成果进行精确展示,包括对整体方案和局部复杂构造的展示。也可将三维模型导入PowerPoint、Word等办公软件,实现设计-汇报一体化,视觉表达更直观。

总结

主塔整体结构模型采用“自顶向下”建模方式,符合常规设计流程和设计习惯。通过整体模型分割、衍生,上下级模型联动,实现上级模型整体控制,下级模型深入细化,形成联动模型组。整体模型修改后,设计变更能自动传递到相关节段,实现整个模型组自动更新。

采用“自底向上”的建模方法建立索塔锚固结构模型,思路简单,单个模型参数少。通过模型重用能快速生成大量同类模型。“自底向上”方法适用于控制参数多、尺寸约束多,且结构定位相对容易,轮廓尺寸与整体关联不大,无需通过整体控制的结构。

通过参数化建模,实现整个设计过程参数化驱动,采用几何约束与尺寸约束项结合的方式建模,便于设计周期内快速准确进行方案调整与模型修改。

建模出图一体化,减少了人工绘图错误。图纸与模型联动,模型修改与图纸更新一体化,省去重复修改,提高设计效率。在数量统计方面功能尚未完善,需进一步开发。

多软件协同工作,实现“BIM+hypermesh+有限元软件”协同计算一体化和“BIM+办公软件”设计-汇报一体化。

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分享到: 编辑:高杉

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