CATIA 在桥梁BIM 建模中的应用

何玉明 王磊

(1.四川建筑职业技术学院 成都610399;2.北京市市政工程设计研究总院有限公司 100082)

引言

BIM 即“建筑信息模型”的缩写,广义的BIM 包含建筑的几何、材料、造价、施工工艺、施工进度和运营管理等方面的信息,是业主、设计方、施工方和运营方等相关单位的信息平台,贯穿于建筑的全生命周期。BIM 技术涉及模型的建立和模型的运用两个方面。利用BIM技术最大限度地提高项目的综合效益,需联合运用多个软件,甚至多类软件。依靠一个软件解决所有问题的时代已经一去不复返了[1]。因此建模软件需有样化的接口,便于模型导入其他软件,以提高信息模型在项目的全生命周期中的运用价值。运用信息模型为各专业工程和项目的各实施阶段服务,需基于实际需求开发相应软件,或对现有软件进行二次开发。目前,国内BIM 技术发展并不成熟,大多处于最基础的建模阶段。在土木工程行业中,主流的建模软件 有Revit、Bently、CATIA,以 及ArchiCAD等,国内的清华斯维尔、广联达等软件也有一定的应用,其中Autodesk 公司推出的Revit 三维建模软件,应用最为广泛。Revit 的族库丰富,建模效率高,但限于民用建筑[2]。Bently 在基础设施领域具有优势[3],ArchiCAD 限于建筑专业,通用性较差。针对桥梁工程专业,建模技术并不成熟,本文探讨CATIA 在桥梁工程建模中的应用。

1 CATIA 的特点及工程应用

达索CATIA 软件的建模过程可追溯,模型的逻辑关系清晰,信息管理能力强,其思维契合我国建筑业向工业化、信息化发展的思路[4],该软件目前在水利、桥梁,以及隧道专业有一定的应用[5-10]。CATIA 三维设计软件的结构树使模型逻辑一目了然,并能详细记录建模过程,极大地方便了模型的检查和修改。软件的曲面功能强,可实现参数化、函数化建模,在复杂、异形建筑建模方面独具优势。在知识工程模块,设计人员可通过编写计算机语言实现建模,充分体现了计算机处理繁琐数据的优越性。

李健刚[6,7]等基于CATIA 平台采用“骨架+模板”的方法设计了某斜拉刚构组合体系桥梁,研究表明CATIA 在桥塔扭曲板的设计和图纸表达方面独具优势,繁复和大体量的建筑采用“骨架+模板”建模方式能显著提高建模和修改效率。张磊[8]运用CATIA 建立了某三跨系杆拱桥的三维模型,并对模型进行了后期效果处理和展示。近年,CATIA 软件对工程领域的渗透越来越多,Gehry Technologies 公司基于CATIA 内核开发了建筑类建模软件Digital Project[9],由于价格较高,国内应用相对较少。马少雄等[10]基于CATIA 平台研发了信息化施工管理平台,并应用于某大跨钢管混凝土拱桥。

以上文献研究了CATIA 软件建模效率和模型展示效果,但未说明按照“骨架+模板”的思路建立模型的流程,也未研究复杂模型的信息管理方法。本文研究运用CATIA 建立桥梁三维模型的一般流程和复杂模型信息管理的方法。

2 CATIA 的建模方法

CATIA 软件提供了多个工作台以满足多样化的设计需求,在桥梁建模中联合使用“草图编辑器”、“零件设计”、“创成式外形设计”、“装配设计”和“知识工程”等工作台可建立桥梁三维几何模型。一般的桥梁构件可先用“草图编辑器”创建构件二维轮廓; 而后基于二维轮廓在“零件设计”工作台,利用“凸台”、“多截面实体”等命令创建三维实体并进行实体修饰,如“倒角”、“镜像”和“阵列”等; 最后在“装配设计”工作台以“骨架”为参照,对已建立的各部件进行装配,形成完整的桥梁模型。“创成式外形设计”工作台可完成外形为曲面的构件的建模,“知识工程”工作台可用“参数”、“设计表”,以及“规则”等驱动模型,使模型各部分关联性更强。繁复构件可封装成“模板”,需要时直接调取并“实例化”即可。建模时,可按照图1 所示流程进行设计建模。

图1 CATIA 协同建模流程Fig.1 Collaborative modeling flow chart of CATIA

项目结构划分可采用工程惯用的结构划分方式,根据工程形象或功能逐级划分。模型数据文档命名应坚持有利于文档管理和识别的原则,可根据项目结构图采用字符串命名,每一字段表达特定的含义。为避免软件识读错误,CATIA 外部文档的名称中不宜出现中文,但在模型内部的结构树中,可出现中文,搭建结构树时宜采用对应部件的中文名称命名,以降低使用者的识读难度。当然,设计人员可根据模型特点及个人习惯灵活命名。

“骨架”类似建筑工程中的轴网,是各构件定位组装的参照曲线,一般选取桥梁的中心线和桥墩、塔柱的中心线等具有明显定位功能的曲线作为“骨架”。与Revit 和Bently 中的轴网不同的是,CATIA 中的骨架曲线需用户自行“发布”才能与其他曲线区分,“发布”后骨架曲线在结构树中单独列出,有利于建模时调用。工程中,采用“骨架+模板”的建模思路,能很好地实现多人协同建模的目的。

3 工程案例

3.1 工程概况

佛山东平水道特大桥[11]为A 型独塔双索面斜拉桥,桥长475m,桥宽46.5m,索塔高146.8m,跨孔分布如图2 所示。主跨及小里程边跨为钢箱梁,辅助跨及大里程边跨为混凝土箱梁,桥梁采用塔梁墩固结体系。

图2 桥梁立面简图(单位： m)Fig.2 Bridge elevation diagram(unit： m)

3.2 项目结构划分及数据文件命名

根据桥梁设计方案,考虑各部分结构的差异性及建模的便利性,将该桥划分为桥墩系(包括基础)、桥面系、索塔、斜拉索四部分,其中,桥面系细分为混凝土箱梁段、钢箱梁段及钢-混结合段三部分。根据项目划分情况,建立相应数据文件。桥面中心线为全桥骨架曲线,单独建立文件存储。现以索塔为例,说明项目划分及数据文件命名规则,索塔为A 型混凝土塔柱,桥面以下为实体双肢塔柱,桥面以上塔柱的下段为空心双肢塔柱,而后渐变为单肢空心塔柱,塔顶有装饰性曲面塔冠,其构造复杂。将索塔分为下塔柱、中塔柱、上塔柱、塔颈和塔冠五部分,分别对应5 个Part 文档,将5 个文档装配即可得到索塔的三维信息模型,索塔结构划分及建模思路如图3 所示。

图3 索塔结构划分及建模思路Fig.3 Structural division and modeling ideas of the tower

总装配文件名为DPQ0000,骨架曲线文件名为DPQ0000 -SK,索塔子装配文件名为DPQ2000-3D,索塔的下属部件用DPQ -ST -序号-3D命名,如下塔柱为DPQ -ST -01 -3D。索塔子骨架曲线用DPQ-20000 -ST-SK 命名。模型中的结构树用部件对应的中文名称命名,以便于识读。数据文件与模型结构树的名称如图4 所示,图中设计表为驱动模型参数的表格。

图4 数据文件与模型结构树Fig.4 Data file and model structure tree

3.3 骨架曲线

选取桥梁中心线作为全桥总装配的骨架曲线,各子装配文件在文档内部绘制子骨架曲线,如索塔内部以索塔中心线为子骨架曲线,以保持骨架曲线的简洁性。

3.4 实体建模

1.基本实体模型建立

基本实体模型基于草图轮廓生成,因此建模的基础是在草图工作台绘制实体的轮廓,草图的支持面可选择三维空间中已绘制的面,也可以提取已有实体的表面,推荐使用前者,以避免建模时交叉引用导致出错。在“零件设计”工作台,可在已绘制的轮廓基础上用“凸台”、“多截面实体”等实体拉伸出实体模型,并完成“倒角”、“开孔”等实体修饰,同时可用“阵列”、“镜像”等命令快速复制模型。模型基础尺寸用参数驱动,推导尺寸用函数驱动,以保持模型内部的逻辑关系,便于后期修改调整。对于构造相同、尺寸不同的构件,用设计表驱动构件的参数,可快速变换构件尺寸。部分构件建模时所使用的命令如图5所示。

2.模板

模板即被封装且可被调取多次使用的模型块,其功能和使用方法类似Auto CAD 中的“图块”。将多次使用的构件定义成模板,而后,根据需要将其实例化在骨架曲线正确的位置上,这种建模方式即“骨架+模板”建模方法。CATIA 中“知识工程”工作台提供了“超级副本”、“文档模板”和“用户特征”三种定义模板的方式[6]。例如,横隔板是钢箱梁中重复出现的构件,用“超级副本”将横隔板定义成模板,建立钢箱梁模型时根据需要直接将其实例化即可,图6 为钢箱梁模板及其在钢箱梁中实例化的结果。

图5 模型中部分构件的建模方式Fig.5 Modeling method of some components in the model

图6 横隔板模板及实例化Fig.6 The template of diaphragm plate and its application

3.模型装配

在CATIA 中零部件为Part,装配体为Product,总装配体下可有多个并列的子装配体,子装配体下可有多个零部件。在“装配设计”工作台完成模型装配,只要确保各零部件处于正确位置,即可得到三维模型。在装配前,各个部件可由不同的设计师在不同的计算机上独立设计,因此设计任务可由多人协同完成。图7 展示了装配完成的桥梁三维模型,其中索塔由5 个Part 装配而成,依据总体骨架曲线将各部件定位,即可实现与其他部件的组拼。塔索、拉索和钢箱梁等单独、并行建模,组拼装配后,整体效果良好,如图7 所示。

图7 桥梁模型的装配效果Fig.7 Assembly results of the bridge model

4 结论

1.CATIA 软件在复杂不规则桥梁的协同建模、信息管理和工程图纸表达等方面优势显著。

2.采用“骨架+模板”建模方式能实现多人协同设计,CATIA 软件的机械制造思维可为建筑工业化、信息化之路提供指引。

CATIA 软件涉入土木工程领域的时间相对较晚,软件在桥梁建模方面专业化不足,缺少建筑图元,材料属性定义麻烦。