复杂钢结构航道斜拉桥主塔BI M正向设计探索

江军，汪东明，陈飞宇，刘廷杰

(1.华设设计集团股份有限公司，南京 210005；2.昆山市交通工程发展中心，江苏 昆山 215300)

1 引言

航道桥梁在规划、设计、施工过程中，不仅需要降低其对通航、泄洪的影响，而且需要根据当地的自然和人文景观打造特色地标，因而航道桥整体的景观设计要求较高。 采用空间曲线异形造型的方案对设计而言难度较大， 且二维图纸本身无法完整准确地表达设计意图，往往会导致错漏碰缺等现象及多专业方案变更， 对设计开展进度和后续加工造成较大影响[1-3]，如何解决上述问题显得尤为重要。

基于BIM 技术打通设计中景观、结构与附属等各专业间和专业内的孤立状态， 替换各专业之间依旧采用人工沟通和纸质传递资料等低效率的模式，BIM 正向设计是将设计理念和思路直接呈现在三维空间中，使各专业相互协作，结合验算结果进行相应调整优化，确定最佳的设计参数，最后生成具体的二维图。 通过各专业的协同工作减少后期变更次数，提高各专业的沟通效率，促进桥梁工程全寿命周期的信息传递，节约项目成本。 采用BIM 正向设计的优势在于将项目全部构件、部件模块实现参数化设计，方案优化、自动出图及安全性验算无缝关联和同步优化，实现智能化、自动化设计。

2 复杂钢结构航道桥梁设计难点

航道桥梁与常规的公路钢结构桥梁存在着一定的差异，公路钢结构桥设计追求标准化设计、标准化施工，而航道桥更多是从美学角度出发，打造地标性建筑，故而其构件的标准化程度相对较低。 航道桥梁的主要特点有以下几方面。

1）造型独特，传统二维图纸难以表达空间位置关系。 航道桥梁对美学的要求较高，造型往往独特优美，且多以渐变型曲面为主。 主塔的造型相对于传统桥梁，表现出了足够的张力，弯曲度大的塔节段，平面要素难以指导施工，各构件之间的相对关系表达不充分，设计难度加大。

2）塔与拉索连接处的相对位置会发生改变，设计质量难以控制。 拉索与主塔腹板等位置的关系随着锚固点位置的升高， 其与斜拉索的预留管与腹板间横向加强板件的空间关系会发生变化， 而传统手段无法及时发现预留管与板件的相对关系，对设计成果质量难以控制。

3）钢混结合处加强件多，构造复杂，设计优化切入点难以发觉。 主塔与主梁之间往往以固结的方式连接，设计时需要考虑钢箱梁的位置，特别是当主塔处于不对称状态时，左右塔柱节点的加强件位置、大小均有所不同，构造复杂，设计人员对其没有直观的了解，较难找到潜在的优化切入点，影响设计质量。

4）空间曲面多，工程量统计难度大。 当主塔弯曲度较大时，节段各板件的最终状态多以曲面的形式展现，而传统的工程算量多针对规则的几何外形或平面形状， 对于空间弯曲的板件，较难做到精确计量，对于各板件的统计难度较大，工程量往往统计不准或不及时， 而工程量的统计不仅会影响到主塔节段的划分，还会影响到工程造价。

3 BI M设计要点

针对上述复杂钢结构航道桥梁的设计难点，利用BIM 技术，结合桥梁的设计要素，提出了以下BIM 设计要点：（1）采用“骨架+ 模板”的自上而下的设计思路，探索完善项目骨架制度；（2）构建最小模板单元，多个小模板组成适合的大模板，提高模板利用率；（3）制作板件展开模板，提高曲面展开效率，快速表达设计意图；（4） 优化出图模板， 提前优化出图视角；（5）构建参数驱动性，提高项目的可操作性。

4 工程概况

本项目依托工程为申张线青阳港航道整治工程震川桥。申张线航道是国家高等级航道，也是江苏省干线航道，苏南地区重要的通江航道，规划等级为三级。 主桥采用90 m+140 m非对称独塔斜拉桥， 震川桥BIM 模型如图1 所示。

图1 震川桥BI M模型

5 主塔BI M正向设计

5.1 骨架设计

桥梁设计的思路充分体现在桥梁总体骨架创建过程中，优先确定各关键点的连接方式和位置关系，再确定塔、梁、索的标准断面或样式，确定桥梁总体布置情况。 桥梁总体骨架主要由点、线、面等简单元素构成，事先确定好各构件之间的相对位置关系，各构件则参考骨架元素进行建模，最后直接组合成为整体模型。

5.2 横隔板设计

横隔板是钢塔柱中重复出现最多的构件。 钢塔横隔板的建立与钢箱梁横隔板有所区别， 钢塔横隔板是以骨架线和轮廓面为基础，与塔柱在同一层级，单独作为产品与塔柱形成最终的产品。

横隔板包含了隔板、加劲、管线孔、人孔等构造，将这些零件作为一个整体定义成模板，直接将其批量实例化。 各类隔板之间的主要差别体现在隔板尺寸和厚度、加劲尺寸和厚度及定位上。 图2 为横隔板模板及其在钢塔柱中实例化的结果。

图2 钢塔柱变化段隔板实例化模型

5.3 节段设计

钢塔柱节段之间相似性较高， 采用参数化和模板实例化功能可有效提高设计效率。 为简化钢塔柱建模流程，钢塔柱正向设计分为变化段和标准段设计两大部分， 每部分制定对应节段模板，模板内包含节段模型和相应的图纸，通过实例化可快速得到钢塔柱每一个节段模型和图纸。

钢塔柱的建模仍采用骨架线和轮廓面的设计模式， 即将钢塔柱截面角点用线元素连接，形成定位截面尺寸的骨架线，并建立骨架线之间的轮廓面，确定钢塔柱外轮廓。 在共用骨架线基础上进行钢塔柱的工作分解， 使得各设计人员可以并行工作，进一步提高工作效率，缩短工作周期，基于骨架线的主塔节段模型如图3 所示。

图3 主塔节段模型

5.4 拉索设计

梁上拉索骨架线的作用是确定锚箱的空间位置， 锚箱模型也是根据梁上拉索线而来的。 拉索在轴向拉力和重力作用下，空中线形为悬链线，拉索在塔梁处的夹角与理论直线状态存在偏差，因此，需要经过修正得到真实的梁上和塔上拉索夹角，然后得到最终状态的梁上拉索线。 图4 为拉索模型及拉索线设计表。

图4 拉索模型及拉索线设计表

梁上锚点和拉索线在方案设计或初步设计时不需要准确坐标，由于坐标数据在设计表格文档中，后期可以通过更改表中数据快速更新锚点在模型中的位置。

5.5 钢混结合处设计

钢混结合段构造复杂、构件繁多，若采用二维平面设计，位置关系不明确，易出现构件遗漏、冲突等问题，且结合段箱室较多，箱室空间大小需要纳入设计范围，而采用BIM 三维设计能较好地解决上述问题。

首先，采用草图功能建立底部承压板，进行钢混结合段的总体尺寸定位；其次，在承压板上建立钢塔塔壁及加劲构造；然后，在承压板上划分箱室，每个箱室的承压板开孔，并建立箱室腹板、加劲板、人孔等具体构造；完成箱室后，定位钢束位置， 采用实例化功能快速建立钢束模型， 并完成相关锚箱构造； 最后， 通过三维巡检功能和碰撞检查功能对模型进行校核，可更直观的检查“错、漏、碰、缺”等问题，完成钢混结合段模型设计，如图5 所示。

图5 钢混结合段模型

5.6 成果出图

基于BIM 三维模型建立与标准模板相关联的二维平、立、剖面图形，二维图纸能够随三维模型的改动而动态更新，全参数化的协同三维模型， 使得二维图纸能够随三维模型的参数同步变化，同类型的图纸能够批量化生成。 将模型与图纸打包在一个模板里面，在实例化模型的同时，图纸也进行了实例化，可实现快速批量化出图，图纸模板定义如图6 所示。

图6 图纸模板定义

在传统的设计模式下， 统计工程数量表是一项烦琐的工作，工程量统计的精准度会直接影响项目造价的估算，特别是曲面异形结构容易出现错算、漏算。 采用BIM 三维设计，可自动、快速统计每一块板件的准确工程量，提高工作效率，减少人为失误。

6 结语

BIM 技术作为工程设计行业精细化设计的重要抓手，对设计质量和设计效率的提升具有重要价值， 但现阶段复杂钢结构航道斜拉桥的BIM 正向设计仍处于探索阶段。 本文基于BIM 技术的特点，结合桥梁设计的基本特点，探讨了复杂钢结构航道斜拉桥主塔正向BIM 的设计要点，并完成了依托工程的BIM 设计。可为今后类似桥梁的BIM 设计及各专业协同工作提供参考与借鉴。