基于CATIA的BIM技术在桥梁设计中的应用

李 兴，王毅娟，王 健

(1.北京建筑大学 土木与交通工程学院，北京 100044；2.北京建筑大学 土木与交通工程学院 北京节能减排关键技术协同创新中心，北京 100044)

基于CATIA的BIM技术在桥梁设计中的应用

李 兴1，王毅娟2，王 健1

(1.北京建筑大学 土木与交通工程学院，北京 100044；2.北京建筑大学 土木与交通工程学院 北京节能减排关键技术协同创新中心，北京 100044)

基于BIM技术在桥梁设计中应用，其首要问题就是选取一款能够满足桥梁骨架线平滑程度和局部构件精度的三维建模软件. 因为CATIA软件自身拥有强大的曲线、曲面和空间结构设计能力，所以被越来越多的人用于桥梁设计阶段的三维建模. 依据相应桥梁工程项目中特定要求选取法国达索公司的CATIA软件作为BIM技术的操作平台，以蝴蝶型拱桥的基本组成部分：基础、拱肋、桥面系、拉索以及支座构建桥梁三维模型的骨架，结合桥梁局部参数化的构件进行三维模型的建立. 同时，根据三维模型的数字化、信息化和可模拟化等特点，对桥梁工程项目在其施工阶段进行分析与指导. 从而提高桥梁设计师的工作效率和桥梁工程的质量.

CATIA； BIM； 三维建模； 桥梁

随着BIM技术在全世界的迅速兴起，越来越多的CAD/CAM/CAE软件被人们应用于建筑工程项目的设计阶段. 例如：达索的CATIA、欧特克的Revit以及GRAPHISOFT的ArchiCAD等软件. CATIA软件是一款BIM的核心建模软件，而且是实现一个BIM项目中人员、工具、方法和资源集成的基础. 根据桥梁工程项目中的造型复杂、预制构件的精度要求高、骨架线的平滑程度高等要求，CATIA被越来越多的人应用于桥梁的三维建模上. CATIA软件具有以下几个功能和特点：

1)设计者可以根据高程信息、地质调查资料以及纵横断面形成地质模型；

2)具有强大的曲线、曲面和空间结构设计能力，完全能够满足弯桥道路中心线的平滑程度以及复杂空间构件的精细度；

3)能够实现局部构件的参数化建模，在三维建模的后期实现快速修改模型；

4)利用知识工程模块，使构件的参数与参数相关联，实现任意参数的变动带动整体模型的同步更新；

5)能够与有限元软件Abaqus无缝对接，使桥梁结构受力分析更加方便快捷.

如果以上这些特点能被桥梁的结构工程师所掌握，那么在桥梁的三维建模以及结构受力分析上将大大提高工作效率，减少返工. 本文下面以某蝴蝶拱桥为例，详细阐述如何利用CATIA中点、线和面因素来构建蝴蝶拱桥的骨架以及结合知识工程模块中UDF(User Defined Feature)的参数化模板来进行建模[1].

1 工程概况

本蝴蝶拱桥的计算跨径为38 m. 拱肋轴线所在的平面与拱座中心所在的铅直平面呈35°，拱轴线为二次抛物线，其抛物线方程为Y=-0.026 315 789 5x2+9.5 m，矢跨比为1/4. 拱肋钢管采用外径为600 mm，壁厚为14 mm的钢管. 加劲梁为边主梁构造，采用14 mm厚的Q345qC钢板焊接而成，加劲梁截面的高度为400 mm，宽度为750～864.9 mm. 两个拱肋钢管之间以及拱肋与加劲梁之间采用工字型的横梁连接. 横梁的高度为600 mm，宽度为4 021.7～5 449.5 mm，顶板和底板均采用16 mm的Q345qC钢板，腹板采用20 mm的Q345qC钢板. 在横梁顶板与底板的高度处，拱肋内部采用16 mm的Q345qC钢板进行加劲. 边主梁之间采用顶板和底板均为12 mm的Q345qC钢板以及腹板为10 mm的Q345qC钢板焊接而成的工字梁连接. 工字梁上面铺筑厚度为100 mm的钢筋混凝土预制板. 拱肋的拉索采用环氧树脂防护钢绞线，每根拉索由一束钢绞线构成. 基础为四桩承台基础，承台尺寸为5.6 m×5 m×2 m，桩基础是直径为1 m的钢筋混凝土灌注桩. 桥梁立面如图1所示.

2 CATIA建模流程

2.1 建模原则的制定

桥梁三维模型的建造工作量巨大，需要多个设计人员来协同工作. 因此，在建立模型之前应制定本桥梁建模的原则. 本文认为建立全桥模型的原则为：尽量保持桥梁骨架线之间的相互关联，但是每个局部构件之间尽量相互独立，避免后期改动局部构件影响全桥的尺寸变化. 局部构件尽可能的实现参数化，并提高实例化文档的重复利用率.

以右手笛卡尔坐标系为基本坐标系.X、Y、Z轴分别为桥梁横桥向、顺桥向和垂直高度方向. 全桥的长度单位为mm. (注：如果桥梁总长为10 km以上，其长度就超过了CATIA默认的表达范围[2]，设计人员应该把全桥尺寸按适当的比例缩小再进行建模. )

2.2 桥梁骨架的构建

根据CATIA软件在产品中新建或者插入产品或零部件时，即在产品与产品或零部件中建立了一个instance关联[3]，该关联能够获取产品或零部件的存放路径与名称，直接调用该产品或零部件. 根据蝴蝶型拱桥的基本组成部分和instance关联的特性，将蝴蝶拱桥模型分为如图2所示的总产品以及子产品. 之后在每个子产品下面创建相对应的零部件，建立蝴蝶型拱桥局部构件. 在蝴蝶拱桥骨架(HDXGQ-GJ)产品中建立完成蝴蝶型拱桥的道路中心线、拱肋的启拱点、拱座中心平面等构成桥梁骨架的关键点、线、面等因素，通过CATIA中的发布功能，将关键的点、线、面发布. 使其他产品按照已发布的点、线、面来构建全桥模型. 利用此种方法进行桥梁骨架的搭建，设计者能够方便快捷地查找桥梁的某一部件，同时可以使用隐藏功能，将不需要展示的构件移放到隐藏空间. 桥梁基本组成部分通过发布的点、线、面相关联，修改桥梁骨架的点、线、面便可以使桥梁构件的位置发生改变.

2.3 参数化构件的建立

通过知识工程模块中的UDF(User Defined Feature)建立蝴蝶型拱桥的参数化构件，选取蝴蝶型拱桥模型中关键的点、线、面做为定位信息. 依据确定的定位信息来建立参数化模型的模板. 参数化模型的建立时需要注意：尽量把构件的形状和尺寸约束联合起来考虑，通过尺寸的约束实现对几何形状的精确控制. 这样设计者可以在后期对模型进行快速的修改. 同时，对于一些造型复杂的空间构件，可以通过高阶以及复杂方程式来控制其边线，使设计者的思想百分之百精确地表达在模型上. 例如本模型中对承台与桩基的尺寸以及承台与桩基中的钢筋的直径、根数和钢筋的间距进行参数化设置. 利用方程式约束参数与参数之间的关系，实现了通过修改桩基与承台中的自定义变量，从而达到满足结构要求的尺寸. 承台与桩基的参数化如图3. 最后，通过实例化文档依据定位信息将参数化构件插入到全桥模型中相对应的位置. 承台与桩基的定位信息以及插入如图4.

3 CATIA模型的应用

目前，BIM技术的可视化、协调性、模拟性、优化性以及可出图性五大特性[4]，都是基于其建造三维模型的平台来实现的. 利用CATIA桥梁三维模型中的信息，在桥梁设计阶段可以进行碰撞检查，优化工程设计，减少在桥梁施工阶段可能存在的错误以及返工的可能性. 最后，设计人员可以通过优化之后的桥梁三维模型进行二维图纸的出图以及各种材料精确用量的统计[5]. 如果像构件与构件空间位置的冲突、以及构件尺寸不精确等问题可以在设计期间就得以解决，那么，在桥梁施工的环节中可以大大地节约施工成本、减少返工、加快施工进度以及提高桥梁施工质量.

3.1 CATIA模型精确计算工程量

通过CAITA中测量功能，在桥梁三维模型上直接量取桩基钢筋中任意一根钢筋的尺寸，用提取的钢筋尺寸来指导施工队伍进行钢筋的采购、下料和加工，从而达到钢筋用量的准确性，减少不必要的材料浪费和减轻设计人员手动计算钢筋用量的劳动负担. 通过CATIA桥梁三维模型中提取的钢筋精确长度与CAD中计算得出的钢筋长度对比发现，在螺旋箍筋N3长度计算中，在CAD图纸中使用式(1)的计算公式计算得出的长度与从CATIA桥梁三维模型中提取出来的精确长度具有一定的差别，对比数据见表1.

L=N×SQRT(h×h+(3.14×D)×(3.14*D))

(1)

式中：D为螺旋箍筋的直径；N为螺旋箍筋的环数；h为螺旋箍筋的间距.

表1 钢筋长度对比表

注：表中的钢筋长度为计算长度，不考虑搭接长度.

对于一些异型结构工程量的计算，如图5中具有空间造型的钢桥塔. 其钢构件的不规则形状以及在空间上呈现弯扭的状态给设计人员计算其工程量带来很大的麻烦. 但是，利用CATIA的测量功能，直接选取需要计算工程量的部位，就可以得出钢构件的表面积和体积. 因此减轻了设计人员的劳动负担，加快工作进度.

3.2 CATIA模型的碰撞检查

利用传统的二维平面设计模式很难发现桥梁构件在空间位置上是否发生冲突，尤其是各种类型的钢筋. 利用CATIA模型中的碰撞功能对所需要进行碰撞分析的构件进行检查，如果发现空间位置冲突，及时修改桥梁的三维模型，便可减少在桥梁施工阶段可能存在的错误和返工的可能性. 如图6桩基中的声测管与承台中钢筋位置发生冲突，设计人员应修改承台与桩基的模型或者在设计说明中提出解决问题的方案.

3.3 CATIA模型的二维平面出图

依据传统的CAD软件出图方式，每座桥梁基本组成部分的三视图和剖面图都需要设计人员手动绘制. 而且在方案修改期间，一个尺寸的改变就需要对所有视图的尺寸进行修改. 这就加大了设计人员的工作量以及工作效率低下. 选取桥梁所需要进行出图的构件(见图7)以及利用CATIA软件中的Drawing模块，在开始的界面选取所需要的视图(如图8)，之后对二维平面图进行标注以及图框的添加，图9为桥梁预制构件的二维平面图和局部大样放大图. 利用Drawing模块得出工程图是与三维模型相关联的，只要三维模型的尺寸发生更改，工程图就会随之改变.

3.4 CATIA模型的对桥梁施工的指导

测量员在施工现场事先通过对拱肋轴线的放样，测量出控制拱肋轴线的关键坐标点，将实测坐标点导入CATIA软件中形成模拟拱轴线，之后将实测坐标点和模拟拱轴线与CATIA软件中理论的坐标点和拱轴线进行对比，如果发现实测坐标点和模拟拱轴线的线型与理论拱轴线的偏差过大，应该立即检查与调整实测坐标点. 利用实测数据与理论数据对比的方法能够对实际的拱肋线形做出更加精确以及直观的分析.

4 结论

本文通过案例说明了如何利用CATIA软件在BIM技术中的设计阶段使用 “骨架+模板”的方法来建立桥梁的三维模型，即以桥梁基本部分组成的关键的点、线和面为骨架，结合构成桥梁基本组成部分的参数化构件的模板，实现快速有效地建立桥梁三维模型. 设计人员能够应用桥梁三维模型，对桥梁建筑材料的工程量进行精确计算，利用CATIA中碰撞检查功能对构件与构件的空间位置进行检查，结合Drawing功能进行符合项目相应深度的二维平面的出图. 综上所述，CATIA软件能够满足在桥梁设计阶段的快速建模、工程算量、碰撞检查和二维平面出图等功能，能够为设计人员提高工作效率，减少返工. 至于CATIA如何更好更高效地为桥梁设计服务，则需结合自动化对象编程(V5 Automation)和开放的基于构件的应用编程接口(CAA)对CATIA进行二次开发[6]，使其成为桥梁设计师专业化软件.

[1] 王智明, 杨旭, 平海涛. 知识工程及专家系统[M]. 北京：化学工业出版社, 2006:4-5

[2] 黄俊炫, 张磊, 叶艺. 基于CATIA的大型桥梁三维建模方法[J]. 土木建筑工程信息技术, 2013(4): 51-55

[3] 谢龙汉, 单岩, 周超明. CATIA V5零件设计/CATIA产品设计系列丛书[M]. 北京：清华大学出版社, 2005:3-10

[4] 杨富华, 邹惠芬, 唐吴. 建筑信息模型(BIM)与传统CAD的比较分析 [A]∥第十届沈阳科学学术年会论文集：信息科学与工程技术分册[C]. 2013

[5] 祝元志. 数字技术再掀建筑产业革命?——BIM 在建筑行业的应用和前景与挑战[J]. 建筑, 2010(3): 10-22

[6] 胡挺, 吴立军. CATIA 二次开发技术基础[M]. 北京：电子工业出版社, 2006:18-27

[责任编辑：佟启巾]

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

建设部研究开发项目“城市高架桥规划建设体系研究”(2015- R2- 039)

李 兴(1992—)，男，硕士研究生，研究方向： 桥梁与隧道工程.

1004-6011(2016)04-0013-05

U441+.2

A