常泰长江大桥主塔BIM正向设计

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。

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。

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。

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。

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。

参数设定与建模

1.参数设置

利用尺寸约束生成锚固结构的控制参数，由于斜拉索角度在设计过程中随着索力、锚固点、索规格的变化而变化，变动次数多。若直接在模型内修改参数，工作量大且容易出错。通过Inventor软件自带的Excel接口，将生成的控制参数与Excel表格形成联动，以Excel表格控制BIM模型的参数修改，同时将计算文件与参数表格链接，快速实现对大量参数的一次性修改。

2.模型建立

根据相关计算结果，对设计出锚固构造板件及细节进行建模放样，生成的单组锚固结构模型见下图。

3.锚固结构模型重用

本桥每个主塔共78对斜拉索，需建立39组锚固结构模型。逐个建模工作量大，效率低。考虑到钢锚箱结构相同，仅需改变参数即可得到下一组模型。将单组斜拉索锚固结构进行建模，复制后通过修改参数生成下一组编号的锚固结构模型。将所有锚固结构模型组装，得到全塔锚固结构模型。

索导管放样与碰撞检查

本桥 “钢-核芯混凝土”锚固结构中，索导管穿过3道钢板，与钢板相交处均需设置开孔。

在以往的二维设计中，需要对正立面，侧立面和平面三个视图进行放样，才能定位出索导管在空间中的位置。要得到钢板开孔形状、尺寸则需要利用几何公式进行计算，而对于碰撞检查更为困难。

在BIM三维模型中，通过布尔运算直接完成钢板开孔，通过软件自带碰撞检查功能避免空间碰撞。

出图与成果应用

图纸绘制

Inventor软件可直接使用三维模型进行二维图纸绘制，可放置不同的立面、平面视角，也可对模型进行剖切和局部大样图绘制，减少了人工绘图错误。另外，Inventor中图纸与模型联动，模型修改与图纸更新一体化，省去重复修改，提高设计效率。同时对结构进行可视化展示，并通过三维轴测图深化图纸，使工程表达更加直观、详细。目前，Inventor在数量统计方面功能尚未完善，需进一步开发。

局部计算

在设计过程中，通常需要对结构局部构造进行有限元分析。主塔空间结构、钢结构细部构造复杂，常用有限元软件建模方法复杂，效率难以提高。

借助已建立BIM三维模型，导入Hypermesh软件即可直接进行网格划分，完成相关设置，使用常用有限元软件进行计算。BIM-Hypermesh-有限元软件联合计算，计算模型与设计模型一致，模型精准度高，避免重复劳动，提高设计效率。

成果展示

以往的二维设计中，成果展示通常为平面二维图纸。若要三维展示，则需另外建模，工作量大。利用现有BIM三维模型，可对设计成果进行精确展示，包括对整体方案和局部复杂构造的展示。也可将三维模型导入PowerPoint、Word等办公软件，实现设计-汇报一体化，视觉表达更直观。

总结

主塔整体结构模型采用“自顶向下”建模方式，符合常规设计流程和设计习惯。通过整体模型分割、衍生，上下级模型联动，实现上级模型整体控制，下级模型深入细化，形成联动模型组。整体模型修改后，设计变更能自动传递到相关节段,实现整个模型组自动更新。

采用“自底向上”的建模方法建立索塔锚固结构模型，思路简单，单个模型参数少。通过模型重用能快速生成大量同类模型。“自底向上”方法适用于控制参数多、尺寸约束多，且结构定位相对容易，轮廓尺寸与整体关联不大，无需通过整体控制的结构。

通过参数化建模，实现整个设计过程参数化驱动，采用几何约束与尺寸约束项结合的方式建模，便于设计周期内快速准确进行方案调整与模型修改。

建模出图一体化，减少了人工绘图错误。图纸与模型联动，模型修改与图纸更新一体化，省去重复修改，提高设计效率。在数量统计方面功能尚未完善，需进一步开发。

多软件协同工作，实现“BIM+hypermesh+有限元软件”协同计算一体化和“BIM+办公软件”设计-汇报一体化。

BIM正向设计在常泰长江大桥主塔的应用，提出了一种桥塔BIM正向设计思路，为桥塔BIM正向设计提供参考。同时，将BIM成果应用于计算分析和成果汇报中,实现BIM正向设计全过程应用。