交互式3DCAD技术在斜拉桥建设中的应用

孙旭阳

（保定交通建设监理咨询有限公司，河北保定 071000）

交互式3DCAD技术在斜拉桥建设中的应用

孙旭阳

（保定交通建设监理咨询有限公司，河北保定 071000）

为了确定面向对象的3DCAD技术在桥梁建设中的作用和局限性，基于交互式3D CAD技术对一座斜拉桥中跨主梁施工过程中的构件碰撞、构件卸载空间和起重机运行进行空间分析。结果表明，交互式3DCAD能对基于不同材料的二维图纸进行集成，准确、高效地识别结构碰撞问题，同时3DCAD的交互性允许工程师根据不同施工计划和方案有效地分析构件卸载和起重机运行空间。

桥梁；斜拉桥；3DCAD；桥梁施工

斜拉桥主梁施工方法大体可分为顶推法、平转法、支架法和悬臂法。悬臂拼装法是先在塔柱区浇筑或安装一段放置起吊设备的起始梁段，然后用适宜的起吊设备从塔柱两侧依次对称拼装梁体节段。由于悬臂拼装法能很好地适应各种地形条件，成为斜拉桥施工最常用的方法。斜拉桥由多种构件组成，吊机运行空间受到各构件的约束，各工序之间也存在复杂的关系，如何提高施工效率成为有待解决的关键问题。而现在大多数施工企业仍采用传统2D技术，难以清晰地表达施工过程的动态变化。随着计算机技术的飞速发展，三维计算机辅助设计（3DCAD）技术赋予了桥梁施工新的内涵。

文献［2］开发了一种将3DCAD技术与线性规划相关联的方法；为了提高施工的安全性，文献［3］结合3DCAD技术，提出了一种自动估计建筑施工时所需三维工作空间的方法；文献［4］为了帮助施工人员更好地了解施工作业的详细程度，进行了塔式起重机的3D施工模拟；文献［5］通过三维计算机图形模型与实际施工现场图像的对比，研究了运用虚拟3DCAD对象模拟实际结构构件的方法。这些研究大多集中在房屋建筑工程中。桥梁工程如斜拉桥由于其复杂的结构，需进行深入的空间约束分析。该文将面向对象的系统仿真技术与3DCAD技术相结合，研究大型桥梁施工全过程的可视化仿真与优化问题。

1　面向对象的交互式3DCAD技术

3DCAD技术将三维CAD模型与施工历时整合，以三维模型的形式反映桥梁施工活动的进行，并利用强大的计算能力和高效的图形处理能力，通过空间和时间两方面仿真桥梁的施工过程。在设计过程中，和传统CAD建模不同，3DCAD能有效解决任意时刻的施工过程可视化问题，因而能帮助设计人员深刻理解施工过程中的问题，并能更好地利用专家经验和设计人员的主观分析改善施工质量。

3DCAD仿真系统主要包含三维模型可视化子系统（包括建筑物、地形等）、进度仿真子系统、数据共享子系统和3D演示子系统四部分，还有一个扩展模块即设计结果可视化（包括图像、图表、文档输出和显示）。在设计过程中，3DCAD仿真系统充分利用CAD平台，结合专家系统辅助设计人员实现施工进度计划。首先根据设计内容和要求确定所要解决的问题，在CAD中建立桥梁三维模型，再根据施工进度仿真的要求，利用VBA获取桥梁模型几何形状参数和其他属性，并赋予ID存入数据库，以便与进度仿真结果相连接。三维地形模型采用TIN模型建立，再与三维建筑物模型进行匹配，进而得到施工场景。同时利用VC++开发的施工进度仿真子系统对施工工序历时进行模拟，将仿真结果导入数据库中，由数据共享数据库将仿真结果与桥梁3D模型进行整合，使之带有时间属性，动态调用数据库，则可生成施工动态效果。通过对3D成果的分析、反馈，得到最优施工方案，包括优化后的机械设备数量、施工历时、最短路径和均衡后的施工资源强度等。

通过3D演示，可以掌握施工工序和它们之间错综复杂的关系。如果发现问题，则必须进行必要的反馈分析，从而使施工进度更加合理。以3D模型作为交互的基础，可以对不同施工方案和工序先后顺序的优劣进行有效估计和比较，由此对施工方案作出相应调整。

2　案例分析

下面以某斜拉桥为背景，研究交互式3DCAD系统在桥梁施工中的应用。

2.1工程概况

该桥全长442m，跨径为（57.5+327+57.5）m，主梁采用钢纵横梁体系与砼桥面板组合的形式，纵横梁之间采用高强螺栓连接，纵横梁与砼桥面板之间采用剪力钉连接。主跨由28个节段组成，采用悬臂拼装法施工。由于条件限制，节段的各构件均由起重机吊运到预定位置，在施工现场完成拼装。通用型履带起重机超过100t的自重导致其无法在该桥施工中应用，故专门设计一种自重较轻的桅杆起重机（如图1所示）。起重机轨道铺设在桥面板侧面而不是中部，以保证有足够的空间放置和移动节段组件。

图1　起重机3D模型

2.2结构构件碰撞检查

3DCAD最重要的作用之一是结构构件的碰撞检查。随着桥梁工程规模和复杂性的增大，传统的二维图纸很难对工程的完整状态进行精确描述，各构件之间可能存在的冲突问题也很难被发现，从而影响桥梁的施工。相较于二维模型，3DCAD能立体地看设计，在实际施工开始前就能发现构件碰撞问题并予以消除，确保施工的顺利进行。

该桥仅上部结构就有200多页二维图纸，根据不同位置、材料、视角和详细程度等分为多种类型：根据构件位置，可分为边跨、中跨、上部和下部等；根据所使用的材料，可分为钢构件、钢筋和砼；根据视角，可分为平面图、侧面图和横断面图等；同时结合一些复杂部位的详图就可以表示特定的结构对象。为了方便施工人员更好地了解将要建造的结构，应将多功能信息结合起来形成三维的概念，然而即使对于一个经验丰富的工程师，要将分布在大量不同二维图纸上的所有相关信息结合起来并考虑所有可能出现的状况，都是一项艰巨的不可能完成的任务。

图2（a）表示锚拉板与砼桥面板主钢筋之间的冲突，它是建筑工程师在集成的三维模型的帮助下检测到的。如前所述，与这个特别的位置相关的传统二维图纸被分为两个单独的类别，即钢锚拉板、砼桥面板主钢筋。因为它们没有划定在同一个页面，施工人员很难发现这个碰撞问题。但使用集成的3DCAD系统后，这两种不同材料被放置在一个相同的区域（3DCAD系统只有一种包含信息的3D实体单元来表示最终建造的结构）。由于3D实体单元包括所有信息，对于锚拉板和钢筋之间的碰撞问题，甚至非专业人员也可以很容易地发现。另外，可以从任意视角读取三维实体，满足传统的二维图形格式的需要。

图2　构件碰撞检查结果

图2（b）表示另一个典型的存在碰撞问题的位置，即一根边梁顶部的剪力钉与砼桥面板主钢筋冲突。在二维信息形式中，剪力钉被显示在纵横梁的图纸中，而钢筋被显示在现浇钢筋砼桥面板中，二维状态下很难检测到这一问题。但当这些不同种类信息集成到三维模型中时，碰撞问题就可能很容易地被发现。在现阶段的研究中，存在碰撞问题的区域还不能被自动检测出来，它依赖于对三维模型的人为监控。在不久的将来，面向对象的方法将进一步提高系统自动识别所有存在碰撞问题区域的能力。

2.3构件卸载空间分析

进行主梁节段安装时，起重机轨道铺设在桥面板左侧，当拖车将构件运送至施工现场时，起重机可以将其吊运到右侧的空间。这看起来是可行的，但工程师需进一步确定构件放置空间的充分性，以避免在实际施工时出现问题。

主梁施工的主要构件包括边梁、横梁、纵梁和预制砼板。预制砼板在施工现场附近的工厂制作，钢构件则在200km外的工厂制作。在实际施工开始前，建筑工程师计划在一个工作日内安装2根边梁，并完成所有的螺栓连接和扭矩检查。由于边梁安装任务的时间安排很紧，工程师想对安装全过程有一个很好的把握，包括边梁运送及放置空间规划。图3（a）是运用3DCAD系统分析后的结果，确保了在桥面板右侧有足够的空间放置边梁。

图3　构件卸载空间分析结果

对横梁也进行同样的空间分析，结果如图3（b）所示。据估计，一个工作日内可以安装3根横梁和3根纵梁并完成螺栓连接和扭矩检查。如同边梁安装，工程师也希望对横梁安装有一个立体的认识。3根横梁被同时运送至工地，尽管看似没有足够的空间放置，但工程师通过三维模型分析，选择错位放置的方式将其安置在桥面板右侧。以同样方式，对预制砼板进行图形检查，与其他构件不同，砼板是从拖车上直接吊起安装的，结果如图3（c）所示。

不同的施工方案，横梁和纵梁安装顺序不同，那么构件卸载所需空间也就不同。为了更加高效、精确地完成施工任务，需针对不同施工方案进行空间分析。最初的想法是各构件分别单独安装，这主要是为了最大限度地减少起重机吊臂所承受的最大荷载。但构件单独安装无法形成一个稳定、安全的工作环境，潜在的安全风险也会对施工效率产生负面影响。因此，工程师决定首先将1根横梁与1根纵梁连接起来形成一T形构件，然后吊起并安装以形成更加稳定和安全的工作环境，图3（d）为其空间分析结果。这种先形成T形构件的方案比各构件独立安装更加高效，因为起重机只需移动3次T形构件，而独立安装需运行6次。

2.4起重机运行空间包络分析

起重机在工程建设中用于吊运各种建筑构件及临时结构，包括边梁、横梁、纵梁、预制砼板、工作平台、人笼等，其使用效率严重影响工程进度。对起重机移动一个构件的整个运动路径进行空间分析（包括确定所有可能的三维位置），需进行相当庞大的计算，这是不适宜也是不必要的。因此，采用一种简化方法，即三点检测法：一是将构件吊运至放置位置，二是将构件移动至安装位置，三是放置位置与安装位置的中间点。严格来说第三点并不是一个点而是一个过程。例如吊运1根横梁时，首先确定起吊位置和安装位置、横梁上方是否有足够的空间放置起重机吊臂（如图4所示），然后检查放置位置与安装位置之间是否有足够的空间移动吊臂。

图4　起重机运行空间分析

即使采用三点检测法，要对每一个构件进行吊运安装空间分析也很艰巨，需要一种更高效的方法。如图5（a）所示，基于起重机吊臂能到达的所有位置建立其工作包络线，起重机基座平面与吊臂能到达的所有最远位置组成一个半球面，工作包络线意味着起重机吊臂可以在该半球面内的任意位置移动。更实用和高效的方法就是确定起吊位置、安装位置及二者的中间点包含在起重机运行包络线内。

图5　吊运不同构件起重机的运行包络线

表1为起重机分别吊运边梁、横梁和纵梁的最大半径和旋转角度，旋转角度的基线如图6所示。

表1　不同构件起重机吊臂最大承载能力

图6　吊臂旋转基线

从表1可以看出：构件重量越大，吊臂运行半径越小。图5（b）～（d）为考虑不同构件后修正的起重机运行包络图，工程师可以选择对应的包络图，并采用前面提到的三点检测法确保起重机工作时不存在空间约束。运用起重机包络线和三点检测相结合的空间分析方法可快速判断起重机能否自由工作，从而提高起重机的使用效率，加快施工进度。

3　结语

面向对象的交互式3DCAD系统可使用户清楚地了解施工状况，从碰撞检查到构件卸载空间分析再到起重机运行包络线分析，工程师可以对一系列的施工方案进行讨论，在开工建设之前或建设过程中出现的问题和想法都能结合现有的资源和条件及时地在虚拟的三维模型中进行分析验证。

该文运用交互式3DCAD技术对一座斜拉桥中跨主梁施工过程中的构件碰撞、构件卸载空间和起重机运行进行空间分析，分析了面向对象的3D CAD技术在桥梁建设中的作用和局限性。面向对象的交互式3DCAD能对基于不同材料的二维图纸进行集成，从而准确、高效地识别结构碰撞问题。3DCAD的交互性允许工程师根据不同施工计划和方案有效地分析构件卸载和起重机运行空间。交互式3DCAD系统是一个能从空间角度对施工条件进行快速检测的工具。

［1］ 张正峰，付金强，吴康新，等.基于4DCAD的大型桥梁施工进度系统仿真研究［J］.中国工程科学，2006，8（1）.

［2］ Staub-FrenchS，RussellA，TranN.Linearscheduling and3Dvisualization［J］.JournalofComputinginCivil Engineering，2008，22（3）.

［3］ AkinciB，FischerM，KunzJ.Automatedgenerationof workspacesrequiredbyconstructionactivities［J］. JournalofConstructionEngineeringandManagement，2002，128（4）.

［4］ Al-HusseinM，NiazmMA，YuH，etal.Integrating3D visualizationandsimulationfortowercraneoperations onconstructionsites［J］.AutomationinConstruction，2006，15（5）.

［5］ BehzadanAH，KamatVR.Georeferencedregistration ofconstructiongraphicsinmobileoutdooraugmented reality［J］.JournalofComputinginCivilEngineering，2007，21（4）.

［6］ 钟登华，宋洋.基于GIS的水利水电工程三维可视化图形仿真方法与应用［J］.工程图学学报，2004，25（1）.

［7］ 钟登华，李景茹，刘奎建.全过程动态仿真技术及其在大型工程施工管理中的应用［J］.天津大学学报，2003，36（3）.

［8］ 张建平，王洪钧.建筑施工4D++模型与4D项目管理系统的研究［J］.土木工程学报，2003，36（3）.

［9］ 肖剑.赤石斜拉桥双曲线索塔施工技术［J］.公路与汽运，2015（2）.

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2016-01-10