基于bim技術(shù)的復(fù)雜景觀橋三維正當(dāng)式設(shè)計(jì)

基于bim技術(shù)的復(fù)雜景觀橋三維正當(dāng)式設(shè)計(jì)

0項(xiàng)目設(shè)計(jì)及參數(shù)化建模作為城市景觀和區(qū)域文化的重要載體，城市橋梁的審美需求越來越受到重視。建筑信息模型(buildinginformationmodeling,BIM)是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集成了建筑工程項(xiàng)目從規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營直至最終拆除的全壽命周期數(shù)據(jù)，是對(duì)工程項(xiàng)目設(shè)施實(shí)體與功能特性的數(shù)字化表達(dá)以湖南株洲蓮花橋工程為依托，利用BIM技術(shù)以及參數(shù)化設(shè)計(jì)方法對(duì)復(fù)雜景觀橋梁設(shè)計(jì)展開研究，基于Rhinoceros軟件建立全橋參數(shù)化BIM模型，從橋梁方案比選至施工圖設(shè)計(jì)階段全過程輔助正向設(shè)計(jì)。并且實(shí)現(xiàn)BIM模型與有限元分析軟件之間的數(shù)據(jù)對(duì)接，著重分析異形索塔的受力特性。為BIM技術(shù)在橋梁工程設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用提供了一個(gè)有效的技術(shù)路線。1玫瑰花橋圖4蓮花橋位于湖南株洲云龍示范區(qū)龍母河生態(tài)新城。云龍示范區(qū)接壤長株潭城市群的生態(tài)綠心，作為“兩型”社會(huì)建設(shè)綜合配套改革試驗(yàn)五大示范區(qū)之一，將著力打造“生態(tài)城、文化城、旅游城”，是一座集成文旅休閑、國際教育、康體度假和田園觀光為一體的生態(tài)宜居城市。蓮花橋位于片區(qū)縱向通道蓮花路，上跨云湖，采用獨(dú)塔雙索面斜拉橋方案，跨徑布置為30+70+70+30=200m，主塔高65.88m，橋?qū)?8m，主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土單箱多室結(jié)構(gòu)。橋塔為蓮花造型混凝土索塔，通過簡潔、現(xiàn)代、圓潤的橋塔造型勾勒出蓮花“出水芙蓉”般的優(yōu)美姿態(tài)，如圖1。隨著方案的進(jìn)一步深化，蓮花橋以其獨(dú)有的異形索塔斜拉彎橋結(jié)構(gòu)，給橋梁構(gòu)造設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)受力分析都帶來了極大的挑戰(zhàn)，參數(shù)化BIM模型的建立及應(yīng)用顯得尤為必要。2pm模型2.1基于參數(shù)化設(shè)計(jì)的bim建模本項(xiàng)目基于Rhinoceros軟件建模，BIM模型為全參數(shù)化模型，采用正向設(shè)計(jì)思路建立。首先對(duì)預(yù)建模型進(jìn)行解構(gòu)，劃分為相對(duì)獨(dú)立的模塊。然后參數(shù)化各個(gè)模塊以及連接單元的關(guān)鍵參數(shù)，在后期調(diào)整過程中可直接修改預(yù)設(shè)參數(shù)實(shí)現(xiàn)整個(gè)BIM模型的批量調(diào)整，建模過程直觀高效，如圖2本項(xiàng)目的建模難點(diǎn)在于:(1)關(guān)鍵參數(shù)的選取，關(guān)鍵參數(shù)直接影響模型建立以及后期調(diào)整修改的效率，是參數(shù)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ);(2)拉索塔端錨固點(diǎn)的定位，既要保證拉索及索塔的整體景觀效果，又要避免齒塊產(chǎn)生不合理的結(jié)構(gòu)形式，同時(shí)為拉索預(yù)留足夠的張拉空間。全橋參數(shù)化BIM模型如圖3。2.2bim模型應(yīng)用減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤、提高生產(chǎn)效率和加強(qiáng)質(zhì)量控制是BIM技術(shù)在工程設(shè)計(jì)階段應(yīng)用的主要價(jià)值體現(xiàn)。筆者主要論述參數(shù)化BIM模型在復(fù)雜景觀橋梁的方案設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化，設(shè)計(jì)合理性檢查，工程量統(tǒng)計(jì)以及輔助出圖等方面的應(yīng)用。全橋BIM模型具體設(shè)計(jì)參數(shù)均取自于蓮花橋工程實(shí)例。2.2.1更有吸引力的建筑方案在景觀橋梁的方案創(chuàng)作時(shí)，3D設(shè)計(jì)更有助于激發(fā)新的創(chuàng)造力，提出更有吸引力的建筑方案。同時(shí)橋梁設(shè)計(jì)方案往往需經(jīng)過幾輪評(píng)審方能穩(wěn)定，在此過程中，參數(shù)化BIM模型不僅能呈現(xiàn)可視化作品作為決策依據(jù)，更將前期方案設(shè)計(jì)與后續(xù)施工圖設(shè)計(jì)有機(jī)聯(lián)動(dòng)，提高設(shè)計(jì)效率。2.2.2設(shè)置關(guān)鍵參數(shù)蓮花橋索塔造型復(fù)雜，截面尺寸較小，塔內(nèi)鋼束、齒塊等構(gòu)件繁多復(fù)雜，需建立精細(xì)化BIM模型來優(yōu)化并確定拉索塔端錨固點(diǎn)位置、齒塊形式、鋼束位置等(圖4)。在模型程序中設(shè)置以下關(guān)鍵參數(shù):拉索錨固點(diǎn)位置參數(shù)，齒塊尺寸參數(shù)，張拉空間尺寸參數(shù)，拉索直徑參數(shù)。通過調(diào)整關(guān)鍵參數(shù)，使斜拉索滿足其空間定位原則。避免出現(xiàn)碰撞及結(jié)構(gòu)不合理的構(gòu)件形式。同時(shí)確保拉索的索塔出岔點(diǎn)與索塔立面曲線走向同步，保證橋梁整齊有序的景觀效果。2.2.3體系式：對(duì)空間的影響蓮花橋?yàn)楠?dú)塔斜拉橋，橋位處于道路圓曲線，斜拉索為非對(duì)稱體系，其對(duì)凈空的影響難以通過平面圖紙計(jì)算得到。通過BIM模型可以直觀查看拉索對(duì)凈空的影響(圖5)，設(shè)計(jì)時(shí)調(diào)整拉索梁端錨固點(diǎn)橫橋向位置參數(shù)以滿足拉索對(duì)凈空的需求。2.2.4施工中可能出現(xiàn)的沖突通過碰撞檢測對(duì)各構(gòu)件進(jìn)行形狀及位置的檢查，提前發(fā)現(xiàn)并解決施工中會(huì)遇到的種種沖突問題。本橋索塔內(nèi)構(gòu)件繁多復(fù)雜，批量建立鋼束及張拉空間等模型來觀察塔內(nèi)各構(gòu)件的位置情況(圖6)，調(diào)整各個(gè)構(gòu)件的相對(duì)位置避免構(gòu)件之間的碰撞。2.2.5空間放炮本項(xiàng)目拉索兩端齒塊形狀及尺寸各不相同，需編寫程序批量提取錨塊特征點(diǎn)空間坐標(biāo)來指導(dǎo)施工，極大提高設(shè)計(jì)效率并避免產(chǎn)生數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。2.2.6維異形構(gòu)件表達(dá)利用BIM模型可以更好地實(shí)現(xiàn)空間異形構(gòu)件的二維圖紙表達(dá)。從BIM模型中提取三維圖式，通過三維大樣圖+參數(shù)的形式將空間異形構(gòu)件表達(dá)在二維圖紙上。橋塔截面圖紙可直接從橋塔模型中批量截取(圖7)，極大的減少了繪圖工作量，截面參數(shù)尺寸也均由程序批量計(jì)算輸出，無需手動(dòng)計(jì)算。2.2.7實(shí)時(shí)的改變量統(tǒng)計(jì)在三維模型建成以及相關(guān)信息錄入后，可直接生成精確的工程量統(tǒng)計(jì)表，并且隨著方案的調(diào)整自動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的更改。本橋設(shè)計(jì)時(shí)索塔體積，環(huán)形鋼絞線長度，拉索長度，齒塊體積等空間異形構(gòu)件的工程量均可由BIM模型自動(dòng)生成，在設(shè)計(jì)校核中發(fā)揮重要作用。2.2.8為數(shù)值元分析提供模型基礎(chǔ)將BIM模型直接導(dǎo)入至空間有限元分析軟件，對(duì)局部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析計(jì)算，避免重復(fù)建模，提高模型的幾何精度。3塔力學(xué)的理論分析3.1總體模型建立待參數(shù)化BIM模型穩(wěn)定之后，將異形索塔的幾何模型導(dǎo)入至空間有限元分析軟件MIDAS-FEA中進(jìn)行力學(xué)性能分析。索塔模型采用四面體自由網(wǎng)格劃分，索塔環(huán)向預(yù)應(yīng)力及橫梁預(yù)應(yīng)力鋼束采用空間桿單元，總體計(jì)算模型見圖8。索力作為均布面力施加在鋼墊板所接觸的矩形區(qū)域，作用方向?yàn)樾崩鞣较?，索塔承臺(tái)底面固接。3.2索塔受力分析在全橋桿系模型中，索塔與橫梁連接處，上索塔合并與分叉處以及曲率突變處均以剛性連接簡化處理，導(dǎo)致計(jì)算應(yīng)力水平出現(xiàn)失真圖9～圖11分別為索塔的豎向、橫橋向以及順橋向應(yīng)力云圖。可以看出:1)索塔與橫梁連接處，上索塔合并與分叉處以及拉索錨固區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)十分復(fù)雜，需從空間有限元模型中提取精確的應(yīng)力水平，用以指導(dǎo)索塔的設(shè)計(jì)與施工。2)索塔整體受力以受壓為主，應(yīng)力水平均滿足規(guī)范要求。上塔柱由于自重、溫度等因素產(chǎn)生輕微的豎向及橫橋向拉應(yīng)力(<1MPa);下塔柱均勻受壓，以豎向壓應(yīng)力為主;錨固區(qū)由于環(huán)向預(yù)應(yīng)力的施加，具有較高的壓應(yīng)力安全儲(chǔ)備;橫梁表現(xiàn)出典型的預(yù)應(yīng)力梁的受力特性，橫橋向?yàn)橹饕軌悍较颍瑝簯?yīng)力在8～13MPa，豎向及縱橋向應(yīng)力水平較低。3)由于拉索為空間體系，環(huán)向預(yù)應(yīng)力對(duì)拉索作用的抵抗效應(yīng)更加明顯，錨固區(qū)及上塔柱合并處縱橫向均未出現(xiàn)拉應(yīng)力。拉索錨固點(diǎn)處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大壓應(yīng)力約為7MPa。4)橫梁與索塔連接處由于預(yù)應(yīng)力鋼束錨固作用，產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力?；诒緲虻膹潣蚪Y(jié)構(gòu)，拉索在橫橋向及縱橋向產(chǎn)生較大的不平衡拉力，導(dǎo)致索塔左右兩側(cè)的應(yīng)力水平出現(xiàn)一定的差異性，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用更不利的一側(cè)控制設(shè)計(jì)。4bim技術(shù)應(yīng)用結(jié)合湖南株洲蓮花橋工程，利用BIM技術(shù)以及參數(shù)化設(shè)計(jì)方法對(duì)復(fù)雜景觀橋梁設(shè)計(jì)展開研究，并且實(shí)現(xiàn)BIM模型與有限元分析軟件之間的數(shù)據(jù)對(duì)接，對(duì)異形結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行力學(xué)性能分析。該技術(shù)路線的要點(diǎn)及優(yōu)勢如下:1)突破性地將參數(shù)化設(shè)計(jì)思路植入橋梁三維BIM模型中，使設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)具有關(guān)聯(lián)性，通過改變關(guān)鍵參數(shù)對(duì)橋梁總體模型進(jìn)行更改和優(yōu)化。BIM技術(shù)貫穿于橋梁工程設(shè)計(jì)的全過程，顯著提升了BIM模型的信息利用率。2)BIM技術(shù)以及參數(shù)化設(shè)計(jì)方法在橋梁工程設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用使得橋梁設(shè)計(jì)逐步從二維設(shè)計(jì)向三維正向設(shè)計(jì)發(fā)展，為造型復(fù)雜的景觀橋梁建筑方案落地提供了可靠的技術(shù)保障。3)在橋梁設(shè)計(jì)中運(yùn)用BIM技術(shù)可實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段的可視化展示，有效控制設(shè)計(jì)誤差，提高設(shè)計(jì)效率及質(zhì)量控制。4)實(shí)現(xiàn)BIM模型與有限元分析軟件之間的數(shù)據(jù)對(duì)接，對(duì)異形