浅谈空间复杂曲线形钢箱式桥梁深化设计方法

张海宁， 张岩峰

(1.铜川市科技创新与应用中心， 陕西 铜川 727000； 2.中金钢构工程有限公司， 西安 710072)

近年来，随着“一带一路”及交通强国战略的实施，钢结构桥梁因其自重小、抗震好、安装快、制造工厂化、节能环保等优势在城市地铁及轻轨工程、立交桥、高架桥等众多桥梁项目中得到了广泛应用与快速发展。同时，随着生态文明建设的不断深入，城市审美对道路交通的线路规划布置、桥梁外观结构线形提出了新的需求，已从简单的直线形或空间单曲线形演变为空间多曲线形[1-2]。而空间复杂曲线形桥梁轴线线形是由竖曲线及平曲线拟合而成的空间三维曲线，且桥面横坡为变坡面，桥段横隔板沿轴线呈放射性分布。若采用传统的桥梁结构施工图，无法实现钢板的精确排版和下料，也无法保证最终桥梁线形曲面的平滑，且桥梁实际立面投影图非常不规则，难以通过传统方式绘制[3]；同时因桥梁外形曲线的复杂化增加了钢桥详图深化设计及加工制作的难度。业内对此类桥梁加工制作过程中的分段、组装等冷加工工艺及焊接工艺研究较多，以期更好地控制桥梁线形及焊接质量，但结合冷热工艺要求，对精细化、高效化详图设计研究成果报道较少[1-8]。

此外，随着建筑行业BIM信息技术的发展，国内外专家学者对桥梁设计、施工、监测等全寿命周期数字化、信息化进行了大量研究。在桥梁施工阶段的研究主要集中在进度管理、成本管理、现场物资管理、可视化施工模拟及技术交底等方面，就钢结构曲线桥工厂加工制作的BIM技术研究较少[9-14]。钢结构加工制作行业详图深化设计常规应用软件是Tekla Structures，但该软件在复杂曲线形桥梁放样时操作繁琐不便，故业内多采用AutoCAD软件放样深化。AutoCAD软件在简单直线形及单一曲线形外观桥梁的详图深化过程中能达到理想的简单快捷放样效果，但对复杂空间曲线桥曲面展开及桥梁变坡放样处理仍存在难度，且在桥梁横隔板与桥段基准线、纵向加劲斜交的情况下，手动绘制隔板工作量极大、极易出现错误，校准检查难度大，空间三维实体建模及桥段三维装配图的实现难度大。同时，其他能实现曲面三维建模及曲面展开的软件又无法完美批量化输出加工图纸及生产报表。为此，急需一款能集合以上各项需求的深化设计软件或探索一种多软件联合应用的方式以完成复杂空间曲线桥的深化设计，达到设计文件深化高效、准确、直观，校准方便，可指导性强的目的。

1 太原新店街桥梁工程

1.1 工程概况[15]

太原新店街桥梁工程位于太原中心城区北部，共包括2条道路，分别为新店街及恒山路。其中新店街道路全长6.2 km，道路等级为主干路，高架为双向6车道。恒山路全长2.45 km，主线道路等级为加强型城市主干路，桥下地面辅道为城市次干路，主线高架及地面辅道均为双向6车道。本工程设计速度：恒山路高架道路为60 km/h，新店街道路为50 km/h，恒山路地面辅道为40 km/h，立交匝道为40 km/h(困难段为30 km/h)。

恒山路主线干道HU15联桥是本工程结构线形最为复杂，深化设计及加工制作难度最大的钢箱梁桥段。该桥段为1联2跨连续曲线钢箱梁桥(钢材采用Q345qd)，跨度组合为29 m+35.81 m=64.81 m，采用变截面单箱3室斜腹板截面(受横隔板走向影响，隔板位置截面宽度变化大，但总桥宽不受影响)，桥宽23.5 m，桥高2 m。桥梁中心线平面曲线在A值为167.332 m的缓和曲线和半径为280.000 m的圆曲线上，竖曲线坡度为3.5%，按二次抛物线设置预拱度(最大预拱度值为24.6 mm)，桥面横坡为单坡2%～3%，存在局部变坡，桥梁横隔板与道路中心线斜交，桥梁顶板、底板及腹板沿桥长方向存在多处变厚位置，桥段整体线形结构复杂，施工详图设计难度大，恒山路HU15桥段设计平面投影整体线形结构示意如图1(a)所示，HU15立面预拱度示意如图1(b)所示，HU15横断面示意如图1(c)所示。

1.2 HU15联桥深化设计重难点分析

HU15桥为空间双曲线变坡钢箱梁桥，为满足桥面形状及桥梁钢性需求，桥梁横隔板布置走向与桥梁道路中心线斜交，且桥梁顶板采用闭口U形纵向加劲肋，这一举措极大增加了该桥段深化放样及加工制造难度。

1) 依据桥梁设计要求，桥梁横坡应垂直于桥梁道路中心线(沿中心线径向方向)，桥梁预拱度应按照桥梁道路中心线设置，但HU15桥横隔板与桥梁道路中心线斜交(常规沿中心线径向方向)，且受到桥梁竖曲线(预拱度)及横坡变坡的影响，桥梁横隔板与桥梁顶板、底板的相交线不能在AutoCAD中按照横坡简单放样，即横隔板外形轮廓尺寸不能精确确定。

2) HU15桥梁顶板、底板、腹板考虑平曲线及竖曲线的情况下，其板面实际均为空间扭曲面，这导致零件下料尺寸不易得到，应进行曲面展开处理后才能得到实际下料尺寸。目前，人工手动展开曲面较为繁琐复杂，Tekla Structures软件可实现曲面展开功能，但其曲面展开需先进行三角形生成器(19号节点)手动选点生成曲面，再进行展开(21号节点)，而AutoCAD软件则无法达到此目的。

(a) 平面投影整体线形结构

单位：mm

3) 由于桥梁横隔板与纵向加劲肋斜交，交点孔洞边缘切割不与板面垂直，致使平面放样难以精准确定切割边缘，易造成桥梁板单元装配制作难度。

4) 桥梁横隔板的U肋孔及I肋孔等孔洞较多，以往桥梁深化均在AutoCAD软件中手动绘制，但HU15桥梁共有40排且每排均有差异的横隔板，若手动AutoCAD放样画图，工作量较大，深化慢，较容易产生人为误差及失误，校准难。

5) 采用AutoCAD放样深化时，零构件重量计算繁琐，且往往不能较准确地获得零构件重量，不能为竣工结算及桥梁节段起重吊装提供准确信息。

6) HU15桥厂内接板量大，顶底板及腹板接料焊缝填充量约占总焊缝的11%，如何布置接料焊缝及规划其焊接顺序、焊接工艺参数，从而减小焊接变形及焊接残余应力。

7) 横隔板受桥梁曲线及布置走向影响，其规格种类多，且相邻隔板形貌尺寸视觉差异小，易造成工人组装错误，导致桥面鼓包或加大焊接量。因此，隔板排版下料及堆放编码标识至关重要。

2 HU15联桥详图深化设计方法

所述深化设计方法本文综合利用了Excel数据计算方便、AutoCAD线条信息提取及平面放样快捷简单、SolidWorks三维建模高效、Kytool加工图纸输出高效准确等优点，提出了复杂曲线形钢箱梁桥高效详图深化设计方法的整体流程，如图2所示。

2.1 基于Excel、AutoCAD软件复杂曲线形桥梁放样[1,8]

三维曲线钢箱梁原始设计图多采用水平投影所得，其标注尺寸小于桥梁加工所需实际尺寸。桥梁施工放样需在原始设计图基础上考虑平曲线、竖曲线、超高坡、单侧横坡、横坡变坡、宽度及高度变化、桥面预拱、焊接收缩等因素的影响。复杂曲线形桥梁放样整体思路如图3所示。

图2 复杂曲线形钢箱梁桥高效详图深化设计方法流程

图3 复杂曲线形桥梁放样计算整体思路

1) 设计原始二维平面投影结构图数据提取

(1) 调用桥梁二维平面投影结构图原始AutoCAD图纸，直接在AutoCAD中对其进行优化处理。首先删除多余标注值，并检查边腹板是否垂直，确保原始图纸中钢箱梁横隔板与腹板、道路中心线等的交点清晰明确，然后绘制桥梁分段位置点，并按板厚修正处理所有点位，最后采用CAD样条曲线命令完善原始图纸线条，确保所需交点存在且完整；(2) 为满足后期桥梁胎架制作中胎架横梁及纵梁应布置在横隔板与腹板位置线处的要求，利用AutoCAD工具-数据提取功能，直接快速提取横隔板与腹板及道路中心线的交点坐标参数，并形成Excel数据表格。在数据提取过程中，也可根据桥梁线形精度要求，有规律的在每2排横隔板之间按隔板走向多采集几排交点坐标。

2) 桥梁实际线形三维空间参数计算

由于本项目HU15桥梁道路中线线形为圆曲线+缓和曲线，且缓和曲线段桥梁横坡存在变化，因此在各点坐标计算过程中，应考虑缓和曲线及圆曲线径向半径对纵坡及横坡的影响，此处计算是整个桥梁线形控制的关键，直接影响到桥梁放样线形及胎架制作线形。其过程如下：(1) 根据桥梁设计横坡、纵坡、预拱度及加工分段要求，采用Excel软件计算各特殊交点坐标变化值(事先按照抛物线计算出各交点预拱度)；(2) 累计叠加横纵坐标值，获得整桥桥面正投影实际横隔板与腹板、道路中心线的交点实际坐标值(此坐标为制图坐标，区别于现场安装施工坐标)。若将各点按照桥长方向依次连接便可获得桥梁实际道路中心线及腹板安装定位线，若按照横隔板走向依次连接则可获得钢箱梁横隔板安装定位线。

3) 放样绘制桥梁实际线形

在桥梁实际线形三维空间参数计算准确的基础上，可直接绘制桥梁顶底板及腹板、隔板交线及边缘线，具体过程为：(1) 采用AutoCAD软件三维多段线命令直接输入上文所述计算所得的桥梁实际线形参数坐标，获得桥梁实际桥面投影线形(包括道路中线线及腹板位置线)；(2) 按横隔板位置方向连接各点，便可得到桥梁横隔板实际位置线；(3) HU15桥梁顶底面平行，且桥高固定为2 m，将上述放样线整体沿Z轴线复制向上平移2 m，便可得到桥梁顶底面所有腹板及横隔板线形(删除底板多余腹板线及边缘线)，也可采用Z轴坐标值增大后直接输入AutoCAD软件获得。

值得注意的是HU15桥中腹板为直腹板，与顶底板交线一致，但其边腹板为斜腹板，与桥梁顶底板交线有所偏差，在整个放样计算过程中应将原始二维图纸中边腹板与顶底板的交接线全部计算放样。

至此，桥梁线形及横隔板、腹板位置定位放样完成，空间连接并封闭顶底板同一位置处横隔板位置线或腹板位置线，可得到横隔板及腹板空间线框曲面。HU15桥实际线型放样如图4所示。

图4 HU15桥实际线形放样

2.2 基于SolidWorks软件复杂曲线形桥梁三维建模[1-2，5]

1) 复杂曲线形桥梁高效建模方法流程

由于SolidWorks较AutoCAD有更为简单直观的三维建模环境，且能完成曲面展平，故采用SolidWorks软件完成复杂曲线桥梁建模工作，整体思路为采用自上而下的建模，具体过程如下：

(1) 桥实际线形放样(.dwg)文件直接导入，生成(.PART)文件。

(2) 采用曲面生成命令，按照放样曲线直接放样顶板、底板、腹板及整排横隔板曲面。

(3) 按照桥梁分段及变厚要求，将顶底板及腹板、横隔板等曲面进行分割处理(也可先形成实体后分割处理)。

(4) 采用曲面加厚命令，实现桥梁顶底板及腹板、横隔板大样曲面到实体的转换。

(5) 采用扫描切割命令完成横隔板所有U肋孔、I肋孔、T肋孔及其他焊接工艺孔的1次整体切除。

(6) 采用扫描拉伸命令完成U肋孔、I肋孔、T肋等纵向加劲肋1次整体生成。

(7) 检查文件属性标签及实体材料属性等，按规律命名所有实体，为后期深化图纸批量输出做好准备，保存所有实体。

至此，桥梁按照分段情况已完成顶底板及腹板、横隔板的大样放样，剩余横隔板筋板及桥墩筋板、人孔等未完成，本部分工作在单个实体或单个桥梁分段内完成。

(8) 按实体命名及桥梁分段位置，组装各分段桥梁(每一个分段作为一个装配体)，在装配体内部完成横隔板剩余筋板及桥墩筋板、底板人孔等处理。

至此，完成所有三维建模工作。

2) 高效建模方法优缺点分析

(1) 尽管SolidWorks软件可通过直接输入曲线数据的方式导入桥梁实际放样线形，但后期绘制处理横隔板位置线较繁琐。为此，采用上文所述获得的复杂曲线形桥梁(HU15)实际线形放样的(.dwg)文件(包含横隔板位置线及腹板位置线、桥梁分段位置线等信息)直接导入SolidWorks软件内，以获得桥梁建模放样基本信息。

(2) 采用单排横隔板整体放样曲面后(或曲面加厚形成实体后)，按照腹板曲面位置统一分割形成单个横隔板的思路，可减少横隔板放样次数，加快建模深化速度。

(3) 采用扫描切割整体切除横隔板U肋、I肋、T肋以及其他焊接工艺孔的思路，实现1次整体切除多个横隔板的效果，加快建模深化速度。

(4) 采用模块化放样切割实现建模，可避免单个零构件检查审核，加快后期模型审核速度。

(5) 本文详图深化建模思路尽管能快速建模，但若曲线桥(如HU15)横隔板斜交于道路中心线，将导致横隔板与腹板及纵向加劲肋的连接，在板厚方向的边缘切割面及工艺孔切割面存在一定斜度。此时，批量自动输出的横隔板零件加工图纸边缘线增加，干扰切割下料，且切割面斜度在数控下料过程中无法切割成型，工程技术人员需依据切割及焊接工艺要求手动修正调整加工图纸。

本文深化建模思路的具体应用，受深化人员计算放样数据的准确性及对软件熟悉度的影响。

2.3 基于Kytool软件复杂曲线形桥梁图纸批量化处理

SolidWorks软件不同于Tekla软件可实现零构件自动系统编号刷号及快速出图功能，需借助Kytool插件既可独立使用，又可嵌入到SolidWorks中以插件的方式使用，弥补了SolidWorks软件不可实现零构件批量自动编号、刷号及快速输出加工图纸的功能缺憾，为SolidWorks用户提供了丰富实用的功能，其界面功能如图5所示。

图5 HU15部分建模示意

3 结束语

本文提出的高效详图深化设计方法，重点为前期桥梁线形放样处理，关键在于高效三维建模过程，主要结论如下：

1) 线形放样处理应充分考虑桥梁腹板和中心线处缓和曲线及圆曲线半径对放样坐标计算的影响，同时还应考虑横隔板与桥梁中心线法线的关系、桥梁坡度变化及预拱度变化等，放样过程中空间关键点位坐标提取计算及实际线形绘制的准确性直接影响三维建模效率及施工质量。

2) 高效三维建模主要体现在桥梁实体生成及孔洞切除、桥段分割的快捷高效上，工程建模人员应对工厂制作及现场安装工艺熟知，在三维模型中做好桥段端口及隔板过焊孔等工艺处理，避免造成零构件数控下料后手工切除而造成质量隐患及人工耗费。

3) 随着计算机模拟技术及建筑BIM技术的发展和普及，作为钢结构制造及安装企业应重视BIM三维建模深化设计，及其在现场制造、安装模拟与管理中的应用和研究，特别是结构复杂且大跨度的钢结构焊接、拼装及合拢模拟应作为未来大型一流钢结构制作安装企业的一项基本工作内容。同时，为做好桥梁焊接质量跟踪与管理，减少技术人员在焊缝分类编号、长度及填充量计算等方面的繁琐工作量，建议软件开发公司或团队针对此项功能进行二次开发与完善，为工程技术人员及焊接质量的跟踪与管理提供便利。