基于BIM的新型拱座基础三维参数化设计研究

龙波　梁才　罗富元

摘要：作为拱桥重要受力构件的拱座基础，其设计受结构上部荷载、地质条件、经济性等因素制约，设计难度较大。广西荔玉高速公路平南三桥北岸拱座基础为钢筋混凝土圆形地下连续墙+注浆卵石层的复合式新型基础，文章以此为工程背景，利用BIM技术的可视化、参数化设计等优势，研究基于BIM的新型拱座基础的三维参数化设计方法及特点，以期改变传统设计方式对复杂结构表达不清、效率低等问题，为提高桥梁复杂结构的设计质量和设计水平提供帮助。

关键词：拱座;BIM;参数化设计

中国分类号：U442文献标识码：A

0 引言

随着我国交通建设事业的不断发展，复杂的特大型桥梁工程越来越多，凭借着跨越能力大、造型优美、经济的特点，钢管混凝土拱桥得到越来越广泛的应用。根据钢管在结构中参与受力方式的不同，可分为普通钢管混凝土拱桥与劲性骨架钢管混凝土拱桥[1]。

作为支承桥跨结构并将上部结构的荷载传至地基的重要受力构件[2]，拱座基础的设计受到主体结构的荷载、场地条件、经济性等不同因素制约。

本文以广西荔玉高速公路平南三桥北岸拱座基础为工程背景，利用BIM技术的可视化及参数化特点，研究基于BIM的新型拱座基礎的三维参数化设计方法及特点，以期改变传统设计方式对复杂结构表达不清、效率低等问题，为提高桥梁复杂结构的设计效率与质量提供帮助。

1 项目概况

平南三桥主桥为中承式钢管混凝土拱桥，其计算跨径为560 m，净跨径为548 m，主桥长575 m。大桥南北两岸拱座为重力式抗推力结构基础（如图1所示）。其中北岸拱座基础采用钢筋混凝土圆形地下连续墙+注浆卵石层的复合式基础形式（如图2所示）。

2 基于BIM的拱座基础设计方法

2.1 钢管混凝土结构特点

钢管混凝土拱桥主要构造是由钢管混凝土结构构成的，由钢管与混凝土两种组成材料相互作用，在克服了材料缺点的同时也使得各自的优点得到充分的发挥[1]。钢管混凝土拱桥结构主要有以下几个特点：（1）构件承载力高;（2）延性和塑性好;（3）防腐、耐火性能好;（4）制作施工方便、节省工期;（5）经济效益高。

2.2 钢管混凝土拱桥拱座基础的研究现状

随着拱桥在实际工程中的推广和受力特点的不断深入研究，业内开始重视和研究拱座基础的局部受力状况[3]。目前主要有计算和试验两种方法对拱座基础进行受力分析[4]，其中计算的方法是指采用创建有限元分析模型对结构进行数值模拟分析;试验的方法是指建立缩尺模型进行模型试验研究，以了解结构的一般受力特性。

虽然业内已开展了大量针对钢管混凝土拱桥的理论研究，但还是不能满足其推广的需要[5]。如在钢管混凝土拱桥的计算分析中采用的一些受力特性及假定，并不能完全模拟结构的真实受力情况。随着材料强度的提高与跨径的增大，钢管混凝土拱桥在施工与运营阶段的稳定性问题将会更加突出。

以经验性构造措施保证的钢管混凝土拱桥局部构造，在其服役期内是否会产生不良影响或者出现危害，已引起业内的注意和讨论[6]。作为钢管混凝土拱桥众多复杂构造之一的拱座基础，目前对其受力的分析与研究还较为滞后。

2.3 基于BIM的拱座基础设计流程

在确定拱桥上部结构及拱脚处的受力后，结合桥位处的地形地质等条件初步拟定拱座基础的结构形式和尺寸，再由参数化构件拼装生成拱座基础的三维模型，利用参数化的拱座基础模型进行有限元受力分析验算，根据计算结果进行结构配筋。然后利用三维设计成果进行可视化施工方案及流程的模拟检查，若未符合要求则返回修改相关参数赋值更新模型直到满足要求为止。基于BIM的拱座基础设计流程如图3所示。

3.1 拱座基础参数化建模方法

3.1.1 参数化语言

参数化设计作为BIM设计阶段的核心理念之一，其实质是指通过可变参数的调整可实现结构的快速构建、修改，并进行相关数据统计和计算。PCL（Parametric Component Language）语言为北京跨世纪软件公司针对Bentley平台定义的实体参数化建模语言，以实现参数化结构模型的快速创建，提高异形实体结构的建模效率[7]。三维化实体示意如图4所示。

利用PCL语言进行参数化建模是通过延伸、放样等方法驱动二维形状尺寸创建三维参数化实体，再通过实体之间的交集、差集等计算得到所需要的复杂参数化构件或者组件[8]。因此，参数化构件主要由二维形状尺寸、高度、定位等参数控制，同时，为了保证构件的相互关系，就必须建立起严谨的参数逻辑对应关系。

3.1.2 新型拱座基础参数化建模思路

在设计阶段根据WBS分解原则建立树形的模型分解结构，根据新型拱座基础的结构构成特点，可将其模型结构进行分解（如图5所示）。

3.2 新型拱座基础构造的参数化设计

3.2.1 拱座参数化构件

根据异形结构参数化建模的思路，首先参考以往的设计经验，定义钢管混凝土拱桥拱座的二维参数化轮廓（如图6所示）。然后根据拱座构造的特点用“化整为零”的方法进行实体划分，将异形结构拆解为常见的规则结构形式。最后根据各部分构造的相互关系依据严谨的空间逻辑关系拼装成完整的参数化拱座三维模型（如图7所示）。

3.2.2 复合基础参数化构件

新型拱座的复合基础主要由圆形地下连续墙及拱座底板构成，其中地下连续墙又可细分为混凝土帽梁、混凝土墙身及内衬结构（如图8所示）。

3.2.3 新型拱座基础三维模型拼装

基于化整为零的思路，分别创建结构各子部位的参数化构件，然后通过各子部位构件的拼装形成完整的参数化拱座基础模型。为了实现完整的参数化拱座基础模型创建，首先需要对各子部位构件的参数进行整理和合并，并对主控尺寸参数进行赋值;然后采用表达式对主控、被动的尺寸相互约束关系进行描述;最后通过表达式对不同构件的空间位置关系进行定位约束，拼装完成互相约束的参数化新型拱座基础三维模型（如图9所示）。

3.3 基于BIM模型的拱座基础智能配筋设计

作为属于大体积混凝土结构的拱座基础，其配筋设计对于其受力作用以及增强混凝土的抗裂性能都是十分关键的。传统利用手工对大体积混凝土，尤其是不规则的结构进行配筋设计，不仅耗费大量的时间，而且容易造成钢筋布置不合理，增加施工难度等问题。基于拱座基础的三维BIM模型，对拱座基础进行智能配筋设计，建立起精细化的钢筋模型，则可有效降低钢筋布置不合理等问题的产生，同时配筋设计的效率将得到提高。

ReStation软件为华东勘测设计研究院基于Bentley平台开发的参数化三维智能配筋设计软件[8]。ReStation软件对于大体积及复杂的异形混凝土结构具有便捷、智能和参数化等优势，使得设计人员摆脱低层次的重复性劳动，让提高设计效率成为可能。因此，本文选用ReStation软件对新型拱座基础进行三维智能配筋设计研究。

以荔玉高速公路平南三桥北岸拱座基础为例，由拱座基础三维参数化BIM模型，利用ReStation软件对拱座基础进行大体积混凝土智能配筋，具体过程如下：

（1）根据设计成果对主控参数进行赋值，得到荔玉高速平南三桥北岸拱座基础三维实体模型。

（2）根据各部分构造分别进行智能配筋设计。①根据拱座三维模型创建大体积混凝土配筋体;②基于配筋体进行智能配筋设计。

（3）根据配筋设计成果进行钢筋编号、材料表输出及剖切图纸。

3.4 基于BIM的拱座基础有限元数值模拟

以平南三桥北岸拱座基础为例，基于BIM的三维模型的数值模拟过程如图10所示，即首先采用工具对BIM模型导出的三维实体进行约束施加、网格的划分等预处理[8]，最后再利用有限元分析软件进行求解计算。

在数值求解时，采用SOLID185单元模拟混凝土及土体，同时混凝土和土体之间采用面-面接触单元连接。实体分析采用整体有限元计算中的最大弯矩工况（Mmax=53 192 kN·M，N=2.90×105 kN）进行计算，分析地下连续墙与底板分离时的结构及场地受力情况。主要场地参数如表1所示。

由图11的应力云图结果可知：（1）拱座基础底板支撑卵石层上，地连墙嵌固于岩层内，因此分别考察下卧卵石层和下卧基岩的竖向应力，由结果可以看出卵石层最大竖向应力为-0.67 MPa，卵石层承载能力满足要求。对于基岩，不计应力集中效应的影响，基岩最大竖向应力为-1.1 MPa，基岩承载能力满足要求。（2）地下连续墙最不利受力区域位于结构的嵌岩部位，不计应力集中效应的影响，地连墙最大压应力为-9.5～-7.9 MPa，最大拉应力为1.0～1.6 MPa，结构强度满足要求。（3）底板的最不利受力区域位于交界墩作用处及拱座底面交界处，不计应力集中效应的影响，底板最大压应力为-2.9～-2.3 MPa，最大拉应力为1.1～1.3 MPa，结构强度满足要求。

4 结语

本文以钢筋混凝土圆形地下连续墙+注浆卵石层的新型拱座基础为研究对象，通过基于BIM拱座基础的设计方法和流程、参数化设计等，实现了基于BIM的新型拱座基础的三维参数化模型创建及应用，相对比于传统的设计方法，基于BIM的参数化优势可减少设计的反复修改，提高设计的效率与质量，并实现方案的快速对比。同时，通过利用ReStation軟件实现对大体积异形混凝土结构的快速智能化三维配筋设计，效率较传统方式有大幅度的提高。基于BIM的新型拱座基础三维参数化设计的成功应用，为钢管混凝土拱桥及其他复杂的特大型桥梁进行基于BIM的三维设计提供了可借鉴的经验，对提高复杂桥梁结构的设计效率、质量有较大的帮助。

参考文献：

[1]演 星.大跨度钢管混凝土拱桥拱座结构受力分析[D].西安：西安科技大学，2012.

[2]邵旭东.桥梁工程[M].北京：人民交通出版社，2007.

[3]齐明芹.钢管混凝土拱桥拱座受力研究[D].西安：长安大学，2012.

[4]张 洲.中承式钢管混凝土劲性骨架拱桥结构特性分析[D].成都：西南交通大学，2005.

[5]赵中岩.蝶形钢管混凝土拱桥的拱座局部受力分析[D].成都：西南交通大学，2011.

[6]刘彦明.基于Bentley平台的铁路桥梁构件参数化建模研究[J].铁路技术创新，2016（3）：36-40.

[7]闾泽洋.基于Restation的海上风电机组基础钢筋3D可视化应用[J].风能，2015（5）：70-73.

[8]唐可佳.基于BIM的扩大基础重力式锚碇参数化设计研究[D].成都：西南交通大学，2018.