基于CATIA的大型桥梁三维建模方法

黄俊炫 张 磊 叶 艺

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海 200092)

1 引言

三维设计技术是当前计算机辅助设计技术的发展趋势，在机械、建筑、化工、石油等设计行业已得到比较成功应用，并成为市场竞争的重要工具。近年来BIM/PLM所提倡的面向建筑全生命周期的集成建模技术［1］在工程建设行业得到广泛认可，笔者所在设计院市也在积极开展基于CATIA的三维设计探索和应用工作。

CATIA是达索系统的先锋品牌，领先世界产品设计与创新解决方案领域［2］。作为PLM协同解决方案的一个重要组成部分，CATIA可以帮助用户采用三维技术来设计未来的产品，并支持从项目前期、设计、分析、模拟、组装到维护在内的全生命周期设计流程。与其他三维设计软件相比，CATIA的主要优点是:(1)CATIA整体功能强大，可创建任意实体，曲面造型独树一帜;(2)CATIA提供参数化设计功能，可实现参数和模型的关联更新。

本文根据长江大桥工程实例的建模实践，重点阐述了适用于大型桥梁结构特点和CATIA软件的“骨架+模板”的三维建模方法。

2 长江大桥工程简介

如图1所示，上海长江大桥起于隧道长兴岛登陆点，沿地面横穿长兴岛，由长兴岛东北部跨越长江口北港水域至崇明岛陈家镇，与崇启通道工程相接，全长 16．63 km，其中道路 6．66 km，桥梁9．97 km。主航道桥的设计方案为斜拉桥，按双向6车道设计，主塔造型形如“人”字，平直的桥面从腰际穿插而过，被称为“长江门户第一桥”。

该工程实例的三维建模重点是总跨度1 430 m的主航道桥，采用五跨连续全飘浮体系，跨径布置为92 m+258 m+730 m+258 m+92 m，属于双塔双索面分离钢箱梁斜拉桥，由基础、主塔、桥墩、主梁、斜拉索等五大结构组成。其中基础采用Φ3 000(上段)～2 500 mm(下段)变截面钻孔灌注桩，承台采用圆端形钢筋混凝土结构;主塔采用人字形独柱钢筋混凝土索塔，塔高216．322 m，索塔锚固采用钢锚箱方案;辅助墩、边墩采用双柱空心薄壁墩;主梁采用分离式流线形扁平钢箱梁(见图2)，主梁节段标准长度15 m，宽51．5 m，高4 m，分离钢箱梁之间由箱形钢横梁连接，索梁连接锚固采用锚箱式结构。斜拉索在梁上标准索距15．0 m，塔上标准索距2．5 m。

3 大型桥梁结构特点

大型桥梁常用的桥型有梁桥、拱桥、斜拉桥和悬索桥等。每种桥型包括的主要构件具有一定的共性，但也有所不同区别。主要构件可抽象为七大类:主梁、支撑、基础、连接构件、连接节点、桥面系、附属设备等。其中每种构件的形状、采用的材料均是多样的，形式较复杂的主要是主梁、支撑、连接节点三类。

以长江大桥为例，大型桥梁可以看成由一组结构构件、附属设备及环境条件组成的三维系统。各构件及设备均具有材料组成、各部分的相对位置、几何形状等基本属性，同时具有与不同分析要求相对应的力学特征，如用于整体结构分析的截面特性、用于局部分析的板件厚度、材料特性等。此外各构件和设备之间应有明确的相对位置、连接形式等。环境条件包括地形、地质、水文、净空要求等信息。

可见与汽车以及机械制造等行业不同，大型桥梁有其自身的专业特点。大型桥梁以结构专业为主，大部分构件为结构构件，且绝大部分不是标准构件，与材料组成有很大关系，需要反映工程力学特性，形状还要保留足够的灵活性。主要表现有以下三方面。

1)复杂性:现代桥梁工程通常在某种意义上也是景观工程，使得桥梁往往成为某区域的地标性建筑物之一。这样就对桥梁的外观要求比较高，导致在不同桥梁工程中即使同一类桥梁也有很大差别。

2)一致性:在桥梁工程设计中，受到不同工程设计条件、景观要求等约束限制，要做到跨工程间的模型重复利用很困难。同时为了便于设计和施工，在具体工程中又必须采用统一的设计原理或规律，自上而下进行结构分解和设计。因此在一个特定桥梁工程中，通常有数量庞大的、彼此各不相同又有一定变化规律的分部分项设计单元。

3)可变性:大型桥梁结构中分部分项设计单元的形式和尺寸变化很大，不适合做成零件进行装配;同时这些单元又具有相同设计变化规则，可以定制成一定类型的模板进行实例化。因此往往更需要关注的是如何提高彼此各不相同、又有一定设计规律的分部分项的设计效率。

4 大型桥梁建模方法

4．1 基本原则

1)世界坐标系:采用右手笛卡尔坐标系。为了便于建模和保持坐标一致性，把XY平面原点设在跨中对称中心，把Y轴与主梁中心线对齐，把Z轴原点定在标高0平面上。

2)建模单位:主桥统一为毫米。考虑到长江大桥全桥长度10 km以上，超过CATIA的默认表达范围，为此主桥以外内容建议在另一项目中建模，并缩小1 000倍按米为单位进行建模。后续使用时注意拼合比例即可。

3)建模命名:长江大桥项目中的所有产品/部件/零件均以“CJDQ_”开头。采用长江大桥的中文拼音首写字母，便于设计小组成员记忆。

4)对称性:考虑到主桥具有对称性的特点，采用对称方法可以减少近大半工作量。

5)建模方法:骨架驱动+文档模板。骨架为定位需要的点、线、面基本元素，不宜过分复杂。模板为有设计规律的分部分项结构构件，需进行参数化控制。

4．2 骨架驱动——定位方法

在CATIA软件中，有一个很重要的概念叫做装配，大致上就是对零件的组装，并依靠最后的装配来检验零件设计的正确性。CATIA装配模块按照机械行业习惯很好地实现了这个功能，即通过各种约束可以把各个构件精准方便的定位(见图3)。

由于行业不同，桥梁设计中的定位方式与机械行业不太一样，采用CATIA现有装配功能来定位桥梁各部件的相对位置关系就显得比较麻烦。通过探索可采用CATIA骨架驱动的方法来避免桥梁构建相互组装的步骤，即事先把关键位置关系用简单的元素(如点、线、面等，见图4)来确定，各个部件则参考这些元素进行建模，最后直接组合成为整个结构。这些关键的简单元素可以统称为骨架，它起到了枢纽的作用，既体现了构件之间的相对位置关系，也为各个构件的建模提供了共同的参考。

例如道路中心线可以作为主梁结构建模的骨架，通过确定道路中心线位置，主梁的位置也就确定了;给定了桥墩的顶底标高和其纵横位置，那么桥墩布置的位置也就确定了。这样桥梁各个构件的设计人员可以相对独立地进行设计建模，而不必要再考虑其他构件的位置，在进行构件总体组合时，也容易查出错漏碰缺，即使出现问题只需修改相应构件。

如图5所示，长江大桥的工程实例就是采用骨架驱动的定位方法来组合形成三维模型。骨架驱动的好处就是可以不用机械装配模式来进行组合，事先就可以确定好各自构件的相对位置关系。这种思路也吻合了桥梁设计的一般思路过程，先确定好桥梁的总体布置，实质上就是明确主要结构之间的相对位置，再对各部分进行设计。此外还可以结合骨架驱动方法进行项目工作分解，使得设计人员可以并行工作(见图4)。

图5 长江大桥的主桥三维模型

总之骨架的应用已成为现阶段CATIA最方便且最实际的桥梁定位方法。桥梁工程因为地质条件、地形、跨径、桥宽、桥型等因素，不可能有两座完全一样的桥，两座非常近似的桥也很难找。因此做一个带参数的骨架模型还不如每个工程做一个单独的骨架模型，不必强求跨工程的重复利用。其实建立骨架还是比较方便的，除了利用CATIA直接创建外，还可以从AutoCAD导入桥梁竖曲线、拉索中心线、塔柱中心线、辅助墩边墩中心线等骨架元素。

4．3 文档模板——构件方法

在长江大桥工程实例建模中，文档模板方法也得到了的广泛应用，可以有效提高一个桥梁工程中大量有设计规律的构件单元(如拉索、钢锚箱、主梁节段等)的建模效率。

(1)拉索文档模板

利用CATIA知识工程［3］的文档模板工具可以把Part、Product发布成文档模板。如图6所示，把单根拉索制作为带参数的文档模板，并以中心线作为外部输入条件，通过参数设计表逐根实例化可以得到半桥的所有拉索模型。参数设计表共有46组拉索参数，每组参数对应一根拉索。

(2)钢锚箱文档模板

与拉索文档模板类似，钢锚箱模板也发布了一系列构造参数，并附带参数设计表用于实例化生成单个塔柱的所有钢锚箱(见图7)。其参数设计表共有22组钢锚箱参数，选择参数编号即对应一个锚箱的整套参数组合。

(3)主梁节段文档模板

钢箱梁由于实际是按节段划分，需要逐个节段进行建模。由于每个节段各不相同、又大致结构类似。采用CATIA文档模板的方法进行主梁建模，就是将一个标准节段作为模具，其它类似的节段通过模板实例化生成新的节段，并在此基础上适当进行修改即可。

如图8所示，主梁节段的输入条件为道路中心线上对应节段划分的起点和终点，输出内容为钢箱梁的主体结构(包括纵向和横向结构)。

不同大型桥梁工程的主梁截面和构造差别很大，几乎没有两个项目主梁是一样的，而主梁包含的设计内容又很多且复杂，因此要做一个主梁模板应用各种工程项目中是不可行的。但是同一个项目里，主梁节段是符合一定的设计规律，可以通过文档模板方法来提高多个节段的设计效率，其他大桥结构中复杂的关键节点也可使用该方法。

5 小结

通过长江大桥工程实例的建模实践，我们对CATIA软件有了更加深刻的认识，并总结提炼出了适用于大型桥梁结构特点的“骨架+模板”的三维建模方法。即以桥梁总体布置骨架为主导，以构件设计模板为核心，结合参数化功能，实现大型桥梁结构的有效建模。

这种“骨架+模板”方法，除了可应用于与长江大桥相类似的斜拉桥工程，也可推广应用于其他类型的大型桥梁如悬索桥、拱桥、连续梁桥等。具体做法是在骨架定位的基础上，把在一个桥梁工程项目中有设计规律的各个单元做成带参数的文档模板(可以是塔柱、承台、立柱、桥台、桩基等混凝土构件，也可以是主塔钢锚箱、主桥钢箱梁、主梁钢锚梁、主桥拉索、钢防撞栏杆等钢结构构件)。

［1］张建平，余芳强，李丁．面向建筑全生命周期的集成BIM建模技术研究［J］．土木建筑工程信息技术，2012，4(1):6-14．

［2］达索系统集团官方网站，http://www．3ds．com/cn/products/CATIA/

［3］顾晓华，仲梁维．基于知识工程的参数化设计［J］．设计与研究，2001，30(4):17-18．

［4］李德超，张瑞芝．BIM技术在数字城市三维建模中的应用研究［J］．土木建筑工程信息技术，2012，4(1):47-51．

［5］姚守俨．施工企业BIM建模过程的思考［J］．土木建筑工程信息技术，2012，4(3):100-105．