三维CATIA设计在不等跨斜拉桥中的应用

杜　晓，任有锋，商岸帆

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安　710065)



三维CATIA设计在不等跨斜拉桥中的应用

杜晓，任有锋，商岸帆

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安710065)

摘要：三维设计是当前工程设计的发展趋势，其中精细化的三维建模是三维设计的基础。文章依托泾河东庄水利枢纽工程下游泾河大桥工程进行模型建立，找到一种基于CATIA平台的适用于大型景观桥梁体型、建模方式。该方法符合实际工程设计习惯，可应用于各类大型景观桥梁工程。关键词：斜拉桥；三维建模；桥梁；CATIA

0前言

三维一体化设计是当前工程设计技术的发展方向，在机械行业应用较为成熟，具有极强的市场竞争力。近期BIM面向结构全周期的模拟技术在工程建设行业得到业界普遍认同。CATIA在产品设计和创新解决方案领域占据领先地位，是协同方案的重要成员，CATIA可以有效模拟工程的建立过程，前期可以方便联接设计、施工、业主进行方案设计，并可以方便地将所建模型进行有限元分析，充分模拟施工过程。

本文依托泾河东庄下游泾河大桥模型，展现了大型桥梁结构在CATIA平台上的有效应用。

1桥梁设计特点

(1) 工程简介

东庄水利枢纽水库库容32.9亿m3，项目对外交通便利。为Ⅰ等大(1)型工程。

下游泾河大桥跨越泾河河谷，河谷右岸陡峭，左岸稍缓。桥位选择主要是服从整体线路布置以及左岸隧道出口位置的要求确定。大桥右岸连接右岸明线道路，左岸连接1号隧道。大桥桥轴线为偏东北方向，与泾河夹角约61°。

桥梁全长153 m，为双跨不等跨斜拉桥，桥梁纵向1.1%的纵坡。桥跨布置形式为：6 m(右岸桥台)+103 m(右岸主跨)+27 m(左岸主跨)+17 m(地锚结构)，见图1。

(2) 设计特点

主要分为：上部结构箱梁、桥台、桥塔、地锚、斜拉索、齿块。每类构件都涉及到相互间的连接，因此十分复杂，主要难点集中在主梁、桥塔、地锚。

图1　泾河东庄下游泾河大桥桥型立面布置图　　　单位：m

图2　三维建模流程图

2三维设计优点

三维设计是新一代数字化、虚拟化、智能化设计平台的基础。它是建立在平面和二维设计的基础上，让设计目标更立体化、更形象化的一种新兴设计方法。由于三维CAD系统有其自身巨大的优越性，随着计算机软硬件系统的发展，性价比的不断上升，这种优越性会越来越明显。

3三维设计应用

3.1流程图

本次桥梁设计循序渐进，严格按照工程设计流程进行设计，保证设计过程科学合理，设计产品精细严谨，详细流程见图2。

3.2三维模型的建立

(1) 构件划分及组装理念

在CATIA软件中，前期可以根据不同部位、不同功能进行构件划分，划分完成后单独设计构件，然后通过其组装功能将不同构件组装为一个整体，通过碰撞干涉试验检查衔接程度。

桥梁设计中的定位方式，采用CATIA现有装配功能定位桥梁各部件的相对位置关系相对繁琐。可采用全桥整体建模并结合视图消隐功能缓冲所占机器内存。前期的模型起到引导支撑的作用，为后续模型的完善提供可以参照的元素。建立完成的全桥三维图，详见图3。

(2) 分部分项建立模型

三维设计不是为单纯设计而设计，其根本用途是为结构表达及施工服务，例如本次设计中的斜拉索锚块锚固面是和斜拉索径向垂直的空间面，这里工程师在以往的设计中很难准确模拟这个剖面，即使能正确模拟尺寸，也很难把控这个垂面的延伸是否切削相应的构件。在这里通过三维模型将每个斜拉索锚块真实模拟并将相应的三维图提取三向二维投影图，清晰直观，避免了未来的施工干扰问题。

桥梁桥塔、地锚，结构复杂，内部箱室多且大小不一，二维图可以简单的表示其箱室构造，但想要全面地展示地锚的尺寸构造必然要加多剖面，给读图带来更多的步骤反而容易混淆。通过三维线条显示可以直观的体现地锚结构的详细布置，一个角度即可直观表达。施工图纸也相应的附上三维模型的成果，对施工过程具有相当的指导意义。相应的二维图纸见图4。

3.3建立模型系统性

地模的建立：桥梁构件建立完成之后就涉及地模的建立，地模的建立是三维建模程序系统性的重要一环，通过对原有二维地形图的加工与上色并将桥梁布置于地模上，一套较为完整的项目模型就形成了。

图3　全桥三维模型视图

图4　地锚结构布置图　　单位：cm

地模的建立是基于地形云点，并经三维构网形成地形面，后经过地形面的实体化形成三维地形实体，不同角度间的切换可以清晰地展现地面的沟坎，从而为路线或结构基础的选取做出直观的定性指导。

通过地形的对比可以看到三维地形模拟简洁、美观。对桥位布置合理与否可以进行定性判断，从而避免因对地形理解错误而产生桥位及桥型布置的更改。可以通过对地模的操作直观地绘制开挖图。

3.4优化处理

三维模型建立后，通过相应的电子设备可以对模型进行多角度调焦、缩放等动作，细致地观察结构构造，通过三维标注示意结构尺寸，直观明了。并且在建模过程中可以对不同的结构构件进行碰撞分析，有效地避免二维图设计过程中的结构构件的“打架”。

3.5三维设计应用前景

桥梁三维设计有着明显的优越性，集可视化、可塑性、真实性、简单性于一体，对工程师接触不同的桥型、掌握不同的结构设计思想并进行有效的技术突破有很大的帮助。未来设计中三维设计必不可少，三维设计结合地模可以直观地给业主单位进行方案汇报，并及时地得到反馈和完善，一体化设计可以使业主、设计、施工三方在短期内达到统一意见，有效避免出现错漏环节。

同时桥梁三维设计应用于综合性的水利工程中，可以有效综合各专业，协商解决技术难点。

4结语

本次设计以泾河东庄水利枢纽工程下游泾河大桥工程为依托，全面完整地进行桥梁模型的建立，并应用于桥梁施工图绘制过程中。相对于以往的设计工作有如下优势：

(1) 三维模型在建立过程中可以实时显示工程量，保证工程师对结构定性设计进行实时控制。

(2) 三维设计，问题能够通过上游部门和下游部门数据互传、数字批示，形成交互式意见和建议，及时将其反馈给设计部门调整设计。

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Application of 3D CATIA in Design of Cable-stayed Bridge with Unequal Span

DU Xiao, REN Youfeng, SHANG An'fan

(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065，China)

Abstract:3D design is the prevailing trend in the current engineering design. The precise 3D modeling is the foundation of 3D design. Relying on the modeling of Jinghe bridge at downstream of Dongzhuang project, in the paper, a modeling mode based on CATIA and applicable to the large-scaled landscape bridge outline is explored. This method is satisfied the engineering design practice and may applicable to design of various landscape bridge works.Key words:cable-stayed bridge; 3D modeling; bridge; CATIA

文章编号：1006—2610(2016)03—0079—03

收稿日期：2016-04-08

作者简介：杜晓(1987- )，男，河北省辛集市人，助理工程师，从事桥梁工程设计工作.

中图分类号：U442.5;TP399

文献标识码：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.03.021