基于CATIA的桥梁BIM正向设计应用

张恒

【摘 要】随着科学技术的发展，BIM技术已经成为工程建设中不可或缺的部分。BIM技术可以应用于桥梁工程的全生命周期中，对于构造复杂的景观桥桥梁结构，采用传统的基于AutoCAD软件的设计方法，往往不能高效地完成图纸制作、空间复核、结构调整等设计工作。本例介绍了基于CATIA软件进行桥梁BIM正向设计的工程实例。

【关键词】BIM技术;CATIA软件;正向设计

中图分类号： U412.3;U452.2 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）25-0010-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.25.004

0 引言

（1）BIM技术和应用简述

与传统项目周期和流程相比，BIM技术在工程设计、施工、管理、运营、维护的全生命周期中体现的延续性和高效性，使其越来越受到建设方的青睐。当前，BIM技术已经广泛应用于市政工程、道路工程、管线工程、桥梁工程等项目的全生命周期中;在复杂桥梁工程设计领域，BIM技术也已经开始崭露头角。

（2）项目背景

本项目为跨越某城市调蓄湖区的景观桥梁，主桥为跨径55+112+60m的斜拱塔斜拉桥，桥宽52m。主梁采用双主梁结构，边支点及主跨跨中梁高为3.0m，中支点梁高为6.5m;单侧主梁横断面为单箱四室;双主梁间净距10.5m。

桥梁索塔为倾斜钢拱塔，东侧塔高70m，与铅垂面倾角16°，西侧塔高55m，与铅垂面倾角20°;索塔截面为六边形断面，折线外腹板通过折线点塑造拱塔外立面线型;外腹板延伸作为装饰结构附着面，拉索在拱塔内锚固采用锚梁结构。

1 基于CATIA软件的桥梁结构正向设计

1.1 基础AutoCAD的传统设计流程简述

当前，桥梁设计工作中最普及的设计软件仍以AutoDesk公司的设计绘图软件AutoCAD为主，传统的利用AutoCAD进行三维空间结构设计的主要流程为：

1.1.1 利用AutoCAD建立结构模型

（1）根据设计要求，绘制结构轴线;

（2）通过“以直代曲”的思路，进行截面放样后，通过截面扫掠和拟合功能绘制结构外形，或利用Autolisp编写程序进行参数化图形绘制;

（3）在模型中逐个绘制结构内部隔板、锚固隔板等细部构造。

1.1.2 传统设计方法的主要痛点

（1）采用传统的“以直代曲”方法，除了建模效率低以外，也会带来微小的尺寸误差，该误差将随着迭代次数的增加而放大，最终导致多次迭代后产生工程上无法允许的错误;

（2）建立的模型不易修改，设计过程中一旦因内外部条件的变化导致结构外形变化，修改难度很大，基本需要重新建模。

（3）受软件本身功能的限制，空间曲面拟合功能无法实现，对部分异形空间曲面无法准确建立模型。

1.2 基于CATIA软件的结构模型的建立

1.2.1 CATIA软件简介

CATIA是法国达索公司的产品，作为PLM协同解决方案的一个重要组成部分，它可以通过建模帮助制造厂商设计他們未来的产品，并支持从项目前阶段、具体的设计、分析、模拟、组装到维护在内的全部工业设计流程。

CATIA在工程领域的主要应用点为：

（1）三维可视化，生成三维景观效果图;（2）多人协同设计，三维打印模型;（3）生成二维图纸，材料数量表;（4）复杂构造可视化，提前发现碰撞问题;（5）直接导出三维模型进行有限元计算;（6）施工模拟动画，应用于施工方案设计等。

1.2.2 CATIA在本桥设计中的应用

在本项目中，利用CATIA软件对混凝土主梁、斜拉索、拱塔进行了建模，并对钢结构拱塔、装饰结构进行了精细化设计。

（1）变高连续梁参数化设计

箱梁外轮廓以及内箱室实现参数化：截面尺寸用参数表达，可根据设计需要进行编辑。

（2）变截面拱塔外形设计

通过拱脚截面的参数化定义以及引导线与脊线的定义，扫掠出拱塔外形。

（3）变截面拱塔内部板件设计

通过Catia精细化设计拱塔的纵肋，普通横隔板，锚固隔板，拱脚过渡隔板。

（4）装配成桥梁整体

通过Catia装配模块将各个零部件装配成整体。

2 基于CATIA模型的正向设计应用

2.1 锚固隔板与普通隔板碰撞检查分析

在特殊结构设计中，往往容易出现常规结构不常遇到的问题。例如本例中的锚固隔板被普通隔板切断后长度不够、锚固隔板进塔边缘与普通隔板间距过小、锚固隔板腹板交线边缘与普通隔板间距过小等问题。

本工程拱塔在采用CATIA建模后，可以直观地进行碰撞检查;更重要的是，可以直接通过参数的修改，快速修改模型。

2.2 CATIA模型与AutoCAD软件的交互

当前的设计工作中，设计产品的提交依然以纸质的二维图纸为主，所以模型到设计产品的转换对于设计人员也是需要着重考虑的问题之一。

CATIA提供全面的与AutoCAD交互转换功能，可以实现由CATIA模型直接导出二维、三维图纸的操作，使设计人员可以直观、方便的进行图纸绘制和加工工作。

2.3 CATIA模型与有限元计算软件的交互

传统的设计工作中，设计制图与结构计算的工作是分开的，这带来了大量的工作量重复;本例中，设计人员利用CATIA便捷的结构分组功能，对设计模型进行简化后，实现了由CATIA模型到ABAQUS有限元计算软件的模型转换，并进行了拱塔结构的有限元实体分析，大大减少了结构计算建模的时间，提高了设计工作效率。

2.4 板件工程量统计

由于使用CATIA建模对结构尺寸的参数化要求，当设计参数确定时，相应板件的工程量也可以方便的导出，方便设计人员进行工程量统计。

2.5 装饰结构的正向设计

主塔及主梁外的装饰结构设计是本桥景观效果实现的关键，由于装饰结构的特殊性，如何实现装饰结构合理性和景观效果的统一是设计考虑的关键因素。

本例中，设计人员选用CATIA提供的空间截面的控制性拟合功能，结合钢结构制作厂家的工艺要求，实现了空间曲面的合理拼接，为装饰结构能实现最终的效果提供了重要保证。

3 结语

本项目利用CATIA三维设计软件，对较复杂的空间结构进行设计建模，并用于设计细节的校核、设计图纸绘制、工程量的统计、局部计算分析的探索，解决了一些利用传统技术手段较为繁琐、可视化程度较差的技术问题，为类似结构的设计工作提供了新的思路，对传统的AutoCAD设计方法进行了补充和完善。主要总结为以下几点：

（1）对较为复杂的空间结构建模，利用CATIA软件比AutoCAD具有精度高、全参数化设计、可视化程度高的优势。

（2）利用CATIA软件可与传统的Autocad建模方法互为补充，利用CATIA建立的三维模型生成的二维、三维图纸，经完善后可以作为设计图纸交付;且与模型实现联动更新，减少因设计修改带来的大量图纸修改工作量。

（3）模型文件可以直接导入有限元计算软件中进行实体有限元分析，可作为局部定性计算的参考依据。

（4）为今后类似桥梁BIM模型积累了经验，提供了参考。

【参考文献】

[1]黄俊炫，张磊，叶艺.基于CATIA的大型桥梁三维建模方法.土木建筑工程信息技术，2012（04）：51-55.

[2]任凯博.CATIA的BIM技术在桥梁设计中的应用.交通世界，2018.（6）：132-133.

[3]王吉文，夏枫.BIM技术在桥梁设计中的应用研究[J].城市道桥与防洪，2017，（10）：78-80.