扩大基础重力式锚碇BIM参数化建模研究

沈锐利， 唐可佳

(西南交通大学 土木工程学院， 四川 成都 610031)

1 引言

BIM技术的发展使信息不再是基于传统二维平面图纸，而是基于四维模型。中国BIM技术的研究和应用从建筑工程拓展到道路、桥梁等工程领域，体现了BIM研究成果的应用效果和价值。参照建筑模型信息化的实现方法和应用路径，桥梁BIM技术同样依托于三维可视化模型，在由设计、施工、运营阶段组成的桥梁全寿命周期管理中进行信息的整合与传递。参数化是BIM模型的一个重要特征，组成模型的BIM参数化构件通过尺寸驱动将数据与模型相互关联，并输出工程信息实现模型与信息的联动关系。锚碇作为悬索桥的重要受力构造，既要平衡主缆拉力，又要与地基形成合理的体系。锚碇的设计受悬索桥上部结构受力和桥址处地质、水文等设计条件影响，同时锚碇及锚固系统的工程量对悬索桥建造经济性产生影响，锚碇的构造形式以及锚固系统的选取和布置可能需要反复修改，为了提高设计效率、快速得到三维可视化的锚碇设计方案，创建参数化的锚碇三维模型有一定的应用价值。通过修改参数变更构造设计，快速进行方案比选；信息化锚碇三维模型的碰撞检查、施工进度模拟还可对施工方案设计进行指导。

为了实现锚碇三维模型参数化，可选择目前在桥梁构件信息化探索中应用广泛的软件平台，如Autodesk、Dassault和Bentley等公司均为实现信息化三维模型在建筑全寿命周期的创建和管理上提供了解决方案以及强大的后台支持。Revit作为在建筑模型信息化应用中相对成熟的BIM核心建模软件，族的概念不仅实现了建筑构件的参数化，而且在探索桥梁BIM参数化模型方面得到应用，如乐清湾大桥项目中基于Revit建立了波形钢腹板的参数化模型。Dynamo作为Revit参数化设计和数据管理的补充及拓展，通过可视化编程创建参数化三维模型，为基于Autodesk平台的三维设计提供了异形结构建模、参数驱动模型、设计方案快速修改等方面的软件支持。Dynamo提供内置节点函数、自定义函数及功能拓展安装包，输入参数并连接预定义节点，实现尺寸驱动建模，同时可视化的编程界面可帮助工程技术人员快速进行建模的程序设计。在Dynamo for Revit功能分区下可以通过内置节点调用Revit的各层级图元，在程序中定义参数约束关系，生成参数化模型，并在Revit体量环境下转换为赋予了工程信息的实体模型。

该文基于Revit创建可进行尺寸驱动的扩大基础重力式锚碇参数化构件族，对锚碇的构造尺寸进行分析，找到组成扩大基础重力式锚碇各部分构造尺寸之间的约束关系，以实现尺寸驱动自动生成和修改三维模型的程序。该文所采用的模型参数化方法，对悬索桥缆索系统、加劲梁、桥塔、索鞍等构造均具有一定的借鉴意义。

2 锚碇参数化模型的建立

2.1 锚碇参数化建模的技术路线

扩大基础重力式锚碇由锚体和扩大基础组成，锚体在构造上可分为锚块、散索鞍支墩、锚室等部分。锚固系统需要将主缆力均匀地传到锚块混凝土中，主要分为型钢锚固系统和预应力锚固系统。扩大基础重力式锚碇的设计包括锚碇总体和细部构造的尺寸拟定、锚固系统的选择、锚面布置以及锚碇整体结构验算。基于Revit的扩大基础重力式锚碇参数化模型创建的技术路线如图1所示，锚碇混凝土构造参数化模型由Revit的公制常规模型创建，锚固系统参数化构件由自适应模型创建，借助可视化编程工具Dynamo完成扩大基础重力式锚碇模型的组建、尺寸驱动和验算。

2.2 基于Revit的锚碇构件族

(1) 锚体和基础

图1 技术路线图

在对中国大跨度悬索桥扩大基础重力式锚碇资料汇总的基础上，分别对锚碇构造的散索鞍支墩、前锚室、锚块及扩大基础部分进行Revit参数化族库的创建，以分析锚碇三维模型创建所需确定的构造尺寸。锚碇混凝土构造各参数化族创建过程如下：首先将构造的立面轮廓参数化，在Revit中的实现方法为通过参照平面、参照线关联尺寸，完成轮廓绘制后进行拉伸、放样等实体操作和连接、剪切等布尔运算，并测试几何尺寸修改能正确驱动构造轮廓以及整体三维实体模型的变化。图2为扩大基础重力式锚碇混凝土构造族的立面轮廓参数标注示意图。

图2 锚碇构造参数化族(单位：cm)

(2) 锚固系统

锚固系统构件族通过放置自适应点控制各构件作为嵌套族载入扩大基础重力式锚碇模型时的几何形状。对预应力锚固系统建立了单/双索股锚固单元参数化构件族，包括索股连接构造和预应力锚固构造。沿索股发散方向布置的预应力锚固系统，单个锚固单元由5个自适应点控制，分别位于索股锚固基准面、前后锚面以及预应力锚固槽口底面，自适应点的位置改变锚固单元三维模型沿索股发散方向的长度尺寸和预应力槽口定位尺寸等参数。预应力锚固系统的参数化构件族和参数面板如图3所示，单索股连接构造由2根拉杆及单索股连接器构成，双索股连接构造由4根拉杆及双索股连接器构成。

图3 预应力锚固系统参数化族

3 锚碇参数化模型的组建及应用

3.1 尺寸约束关系的实现和锚碇模型的组建

在已创建Revit锚碇参数化构件族的基础上，利用计算式设计语言DesignScript在Code Block中调用节点的方法，进一步实现参数约束和构造组装。程序实现思路为：选取构件族类型(Family Type)，获取各个构件族的所有族参数，通过参数名获取参数值；将锚碇各部分构造的尺寸约束关系写入Code Block，通过赋值操作将计算出的几何尺寸值赋予用参数名称识别的参数，驱动参数化构件族的形状改变，以组建满足约束关系的参数化锚碇三维模型。

Dynamo自定义节点实现了从表格指定位置读取锚碇构件族参数名和对应参数值的功能，其优势体现在减少了调用节点的数量，自定义输入及输出端口名称提高了程序可读性。参数化的三维模型与表格文件连接，通过在表格中修改参数值实现尺寸驱动。表1～4为自动生成锚碇三维模型所需输入的全部参数，分为选择型参数和数值型几何参数，选择型参数包括散索鞍支墩空腔个数和基础台阶数，根据选择型参数值对所输入的数值型几何参数进行读取。

表1 选择型参数表

表2 锚块及基础构造参数表

表3 锚室构造参数表

表4 散索鞍支墩构造参数表

注：除支墩顶倾角、支墩顺桥向倾角单位为“°”外，其余参数单位均为：m。

3.2 关键尺寸的提取和锚碇整体验算

尺寸驱动的扩大基础重力式锚碇参数化模型需要由锚碇设计条件检验锚碇构造是否满足规范要求，从模型中获取锚碇重心、基底截面特性、锚碇混凝土方量等几何信息，输入锚碇设计条件如单根主缆力、主缆入射角、基底摩擦系数、填土总重以及材料特性，将模型自动提取的几何信息和输入的设计条件信息代入程序内部锚碇整体验算式，按规范要求进行锚碇整体抗滑移、抗倾覆稳定性验算以及基底承载力验算，将锚碇整体验算结果输出至表格。

3.3 预应力锚固系统设计

基于参数化锚固系统构件族的预应力锚固系统设计思路如图4所示。建立以IP点为原点、前锚面法向量为x轴、横桥向为z轴的锚固系统设计局部坐标系，输入前锚面处锚固单元竖向及横向布置间距以生成锚固拉索中心线与前锚面的理论交点P1；输入散索鞍鞍槽内单根索股宽度、高度、隔板厚度以及索股在锚块内的锚固长度，计算出索股锚固单元在后锚面上的布置间距并生成锚固拉索与后锚面的理论交点P4；输入前锚面至索股锚固基准面的距离，生成索股锚固单元与锚固基准面的理论交点P0，获取锚固单元与主缆中心线的夹角αx、αy和αz；输入锚固槽口底面中点至锚面的距离，在锚固系统设计局部坐标系下生成前、后锚面处槽口底面中点P2和P3点；平移局部坐标系至每根索股的P2点，旋转坐标系至x轴与索股发散方向平行，输入锚固槽口边长以及槽口侧壁与锚面的夹角等参数生成预应力锚固槽口，计算槽口底面各角点至锚面的垂直距离以及槽口底面中点在锚面的投影与P1点或P4点的距离等槽口定位尺寸，最终将预应力锚固系统设计信息输出至表格。

3.4 工程实例应用

万州驸马长江大桥为主跨1 050 m的双塔单跨钢箱加劲梁悬索桥，矢跨比为1/10。北岸锚碇为重力式锚碇，锚碇平面尺寸为79 m×48 m，高度为52 m，锚体采用三角框架空腹式结构形式，支墩为空心双室薄壁墩结构。基础形式为扩大基础，以中风化灰岩为持力层，基础底面设一级平台，锚碇后趾设两级台阶。主缆锚固系统采用平行钢丝拉索形式的预应力锚固系统，单根主缆在北岸锚碇有20个单索股锚固单元和46个双索股锚固单元。对应单/双索股锚固单元，分别采用PES(C)5-139规格和PES(C)5-283规格的平行钢丝拉索，拉索布置方向沿索股发散方向。

基于参数化的锚碇三维模型和设计图纸，快速创建驸马长江大桥北岸锚碇构造。输入锚碇设计条件如最不利荷载组合下北岸锚碇两根主缆最大缆力为416 786 kN，混凝土重度为25 kN/m3，单根主缆力为(416 786/2) kN，主缆入射度为24.325°，填土总重力为0 kN，基础底面与地基之间的摩擦系数为0.5。计算得到结构安全度指标如下：锚碇整体抗滑动稳定安全系数与抗倾覆稳定安全系数均大于2.0，运营阶段基底最大地基应力小于地基容许承载力。通过锚碇整体验算，输出锚碇各部分构造以及锚碇总体的混凝土方量统计表，如表5所示。

图4 预应力锚固系统设计技术路线图

表5 锚碇混凝土用量统计及验算结果自动输出

由预应力锚固系统设计技术路线，输入前锚面预应力锚固单元布置间距、散索长度等参数，在扩大基础重力式锚碇模型中批量生成预应力锚固系统构造三维模型，调用自适应构件族。由预应力锚固槽口至前后锚面垂直距离、侧壁倾角等参数，计算锚固系统参考点坐标、拉索与主缆中心线夹角以及锚固槽口定位尺寸等信息，根据需要输出的参数个数进行列表转置等操作并连接到内置节点Excel.WriteToFile，自动输出至表格。由批量生成的预应力锚固系统构件输出中心列索股的锚固系统要素，如表6、7所示，包括预应力锚固拉索要素和锚固槽口要素。与原图纸信息比较，锚碇及锚固系统模型提供了三维可视化展示功能，尺寸信息可以直接在模型中获取，也可以自动输出至表格，三维模型与设计信息的结合直观体现了模型的应用价值；参数化的三维模型由尺寸驱动，扩大基础重力式锚碇模型的参数个数及类型满足快速创建驸马长江大桥北岸重力式锚碇的需要，模型与输入的尺寸参数值一一对应，在锚碇设计过程中可调整参数得到不同锚碇模型，通过输出锚碇整体验算结果和比较锚碇混凝土用量对锚碇方案设计进行调整。

4 结语

基于Autodesk平台的核心建模软件Revit建立了扩大基础重力式锚碇构件族，借助可视化编程工具Dynamo能有效完成锚碇构造和预应力锚固系统的参数化，以悬索桥重要结构锚碇为例，总结了参数化建模经验，探讨了尺寸驱动模型自动生成的实现和应用方法。以万州驸马长江大桥北岸锚碇为例说明了参数化锚碇模型的创建和应用，可为基于Revit的悬索桥构件族建立提供一定的参考，同时为桥梁BIM正向参数化设计提供思路。

表6 万州驸马大桥北岸锚碇预应力锚固拉索要素表

表7 万州驸马大桥北岸锚碇预应力锚固拉索前锚面槽口要素