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常泰长江大桥主塔BIM正向设计


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在特大跨桥梁现有的BIM应用中,建模方法复杂,建模过程与设计过程分离,大多属于“施工图翻模”。从初步设计阶段到施工图设计阶段,结构总体和细节改动多,修改工作量巨大,对三维模型修改的便利性提出高要求。

常泰长江大桥主航道桥主塔采用钻石形空间四肢塔,锚固结构为“钢-核芯混凝土”新型锚固结构,空间关系复杂,常规二维设计难以满足对设计精度和效率要求。


结合常泰长江大桥主航道桥工程,基于Inventor 软件进行斜拉桥主塔正向设计过程建模方法研究。其中,重点开展建模方法、参数化建模、模型联动控制、模型重复利用等研究工作,涵盖初步设计到施工图设计全周期,实现设计-建模-出图一体化。



 工程概况


常泰长江大桥主航道桥方案采用双塔公铁两用斜拉桥,主塔两侧各设辅助墩及边墩,主桥孔跨布置为(142+490+1 176+490+142)m,全长2440m。

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常泰长江大桥主跨立面布置



主塔采用“钢-混凝土”混合空间四肢塔,中下塔柱为混凝土结构;上塔柱为“钢-混凝土”组合结构。锚固结构为“钢-核芯混凝土”新型锚固结构 。


BIM建模方法


常用的BIM建模方法有“自底向上”和“自顶向下”两种。“自底向上”建模是指先做好基本构件(零部件),利用各个基本构件之间的配合关系建立基本结构,再将多个基本结构按设计方案组成总体结构。“自顶向下”建模是指先根据需求和设计意图绘制结构的总体方案,由总体方案的控制数据初定各个构件尺寸进行检算,再根据检算结果调整结构尺寸并对构件进行细化设计。




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整体结构模型建立


建模方法

初步设计阶段,需对结构的整体方案进行设计和比选,并进行初步的细部设计。在施工图设计阶段,需对结构进行精细化设计,以达到制造和施工要求。根据主塔设计特点,对于主塔主体结构,采用“自顶向下”的建模方法,即先建立主塔整体结构模型,再对结构进行细化,以整体控制局部。


建立主塔轴线根据景观和结构受力需求,本桥主塔选用钻石形空间四肢塔。绘制主塔轴线并建立尺寸约束,即对几何图元的尺寸、距离、角度等创建尺寸约束,由尺寸约束自动生成参数,即主塔的控制高程和轴线控制尺寸等参数,通过修改参数可对几何图元进行修改。
放样整体模型在轴线的控制点处建立控制平面,在控制平面绘制控制截面;放样生成主塔整体模型。整体模型生成后,后期可根据设计需求,通过修改高程、间距、尺寸等参数,对整体模型进行快速调整。


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主塔建模过程


截面比选常泰长江大桥主塔为钻石形空间四肢塔,中上塔柱结合处将四肢合并为一个塔柱,故实现匀顺过渡尤为重要。初步确定正八边形截面和矩形大切角截面方案,分别进行放样。根据放样结果进行景观效果对比,选择正八边形截面。

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幕墙细化示意图


模型衍生与联动桥塔整体模型基于方案设计需求和模型的宏观把控,在建模过程中省去了细部构造。在施工图设计阶段,设计工作将进一步深化。
为减小模型文件大小,节省计算空间,同时便于修改,分别衍生混凝土细化模型和钢结构细化模型,作为主塔整体模型下级文件。衍生出的节段模型与整体模型具有一致性,为联动关系,修改上级整体模型,则下级节段模型随之更新。由此实现上级模型整体控制,下级模型深入细化,上、下级模型保持联动,形成联动模型组。




设计过程中,通常需要多人协同设计。以往的二维设计,若整体方案调整,则需要多方协调配合完成调整。在BIM正向设计中,将节段模型分配给各设计人员,只需修改整体模型,下级节段模型则联动更新,既实现了负责人对设计模型的整体把控,又实现了多人协同参与设计工作,避免因沟通不当而导致的设计成果冲突。


模型细化混凝土塔柱细化本桥塔肢为单室截面,采用几何约束与尺寸约束相结合方式,几何约束即在草图几何图元上应用约束来固定草图的形状或位置,如垂直、共线、平行等,绘制箱室截面,放样生成箱室形状,通过布尔运算细化空心部分。其余细化部分通过放样、倒角、修剪等操作实现。
钢塔柱细化钢结构部分构造复杂,细节较多。为提高设计效率,按吊装节段对上塔柱进行划分,以整体模型衍生模型为控制轮廓;采用几何关系约束原则,作出加劲肋、隔板等板件轮廓,以节段轮廓控制板件尺寸、定位;放样隔板、加劲肋等细部构造实体,建立节段详细模型。



襄阳东站整合模型


在设计中,当上塔柱截面尺寸发生变化,只需修改整体模型中上塔柱尺寸,其余衍生节段模型自动更新为修改后的尺寸。因加劲肋、隔板等板件草图通过几何关系与节段轮廓约束,板件位置、尺寸自动适应截面的变化,无需进行其他修改。


建模方法本桥锚固结构采用新型“钢-核芯混凝土”锚固,外壁为钢结构桥塔,中间为核芯混凝土,斜拉索通过钢锚箱交叉锚固于核芯混凝土上。
本桥单个塔共78对斜拉索,每根斜拉索对应一个锚固结构。锚固结构的尺寸、位置与斜拉索空间角度、斜拉索规格等息息相关,在整个设计周期内随着拉索参数的变化而变化,其中涉及参数多、空间结构复杂。采用BIM进行参数化建模,能有效适应设计过程中的拉索调整和空间碰撞问题。
若采用“自顶向下”的建模方式,所有锚固结构均在一个模型中建立,该模型中需要设置大量参数,对建模和后期修改极为不便 。另外,锚固结构与主塔整体模型关联不大,无需通过“自顶向下”来进行整体控制。为减少单个模型参数设置,提高建模效率,将同一编号的四根斜拉索分为一组,建立单组锚固结构模型,再将单组锚固结构模型组合生成全塔锚固结构模型,即采用“自底向上”方法建模。


常泰长江大桥主塔BIM正向设计 2021-2-25 本文被阅读 317 次
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