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BIM技术应用于深茂铁路潭江特大桥

发布时间:2016年10月25日 11:44 来源:铁路BIM联盟
摘要:

铁路桥梁设计具有地质情况复杂、与线路自适应较差及二维CAD出图量大等特点,使BIM技术在铁路桥梁中的应用、推广很是艰难。以深茂铁路潭江特大桥为工程背景,根据不同结构设计的不同侧重点,采用达索平台多种设计软件分项建立、交互整合全桥BIM模型,将BIM技术因地制宜地应用在铁路桥梁的正向设计中。

铁路桥梁设计具有地质情况复杂、与线路自适应较差及二维CAD出图量大等特点,使BIM技术在铁路桥梁中的应用、推广很是艰难。以深茂铁路潭江特大桥为工程背景,根据不同结构设计的不同侧重点,采用达索平台多种设计软件分项建立、交互整合全桥BIM模型,将BIM技术因地制宜地应用在铁路桥梁的正向设计中。

工程概况     

深茂铁路潭江特大桥左岸位于江门市新会区会城街道南庚村,桥址右岸位于小冈镇龙蟠里村,主梁为(31.85+57+130+256+63.9)m独塔混合梁斜拉桥,全长540.55m。主桥平面位于直线上,线间距4.4m,主桥处纵断面为平坡。

基于桥梁工点设计的特殊性,潭江桥引桥部分为常规简支梁、中小跨度连续梁,采用Catia软件设计,应用知识工程生成桥墩、梁部等主体结构,并在线路变动情况下自适应调整,实现桥梁的自动化正向设计。潭江桥主桥部分则采用(32+57+130+256+64)m独塔混合梁斜拉桥,边跨为混凝土箱梁,中跨采用钢箱梁。主跨256m为潭江通航孔,钢-混结合面设置于10#墩顶处。考虑主桥部分构件繁多且均为非常规构件,以及构件间的空间逻辑关系复杂等特点,选用善于精细化表达的Solidworks软件进行主桥正向设计。

Catia设计引桥    

针对潭江特大桥自身结构特点,搭建参数化的构件模板库,利用知识工程将几何变形、逻辑关系和外部输入条件封装在模板中,引进先进的骨架式建模思想,搭建全桥模型骨架,通过模板实例化现实构件在三维空间的精准定位和自适应变形设计,并利用知识工程的黑盒功能对模板进行封装,有效保护了设计人员的知识产权。三维参数化建模成果见图1。

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Catia设计常规结构引桥成功解决了桥梁对线路适应性差、工作量繁重等设计技术难题。

Solidworks设计主桥    

1、正向设计的参数化建模

Solidworks参数化建模功能,即通过修改预设待变参数值,由骨架式草图驱动整体模型,在极短时间内生成多个比选方案模型,再在BIM模型计算分析的基础上选择出最优方案,大大减少传统设计过程中由于比选方案的改动造成模型整体重建及图纸大量变更所产生的重复性劳动,真正达到解放设计思想的目的。

骨架式草图中参数设置应综合考虑桥梁结构形式、设计特点、施工过程及预设变量等因素。潭江特大桥为独塔混合梁斜拉桥,钢结构构造复杂,钢-混结合段方案不稳定,在设计过程中需要多方案比选,参数化建模保障了潭江特大桥BIM设计的高效性。该模型设置了桥梁净空、桥面横坡、钢梁板厚、拉索方向、施工流程等可变参数组,通过改变草图中的参数驱动三维BIM模型变动,实现了设计方案的快速变更。

2、结构仿真分析

将三维BIM模型导入ANSYS、FEA等大型通用有限元分析软件,省去在计算软件中建模的繁琐工作,并完全考虑加劲肋、过焊孔、拉索锚管开孔等细部构造,真实反应实际情况。

采用BIM三维模型直接对接大型有限元计算软件,完成桥塔锚固区应力分析、混凝土梁段应力分析、钢箱梁细部构造应力及方案优化研究等,体现了应用BIM平台正向设计铁路桥梁的优势。潭江桥钢箱梁模型导入FEA计算应力示意见图2。

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3、碰撞检查

由于三维模型中的构件形状、位置均与施工现场中的真实构件一一对应,可通过BIM三维模型发现项目在施工现场中可能出现的错、漏、碰、缺等设计错误。大规模的自动化碰撞检查可以优化工程设计,减少在实际施工阶段可能存在的错误损失和返工的可能性,达到降低项目成本的目的。

在潭江特大桥中应用软件的碰撞检查功能(见图3),检查钢混结构段中钢板剪力钉冲突及附属结构爬梯嵌入桥塔实体情况。

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4、施工图出图

铁路工程设计通常以交付二维图纸来展示桥梁结构的空间布置及构件大样(见图4)。由BIM模型直接生成的图纸则表现形式更为丰富,三维布置图、预拼装图能精准无误地表示各细部结构的空间位置,二维剖面图及大样图是由三维模型经过计算机程序自动投影、剖切得到,比由人脑加工转换得到的二维图纸更加高效、精准,更便于其他人员再次复核。三维模型关联工程图纸的方式,在改善了出图效能的同时也将工程师的工作重心真正意义地转移到设计上面。

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5、材料信息赋予及工程数量统计

潭江特大桥BIM模型不仅包含几何实体信息,更重要的是承载着材料属性、拼装序号等相关信息,达索平台系列软件的数据继承性可将模型所有信息传递给下游专业,也能作为交付内容提供给施工单位指导施工。潭江特大桥桥面板横梁腹板属性界面包含了几何信息、材料信息、设计人员信息等(见图5)。

在正向设计过程中,工程数量汇总作为串行设计流程的最后一道环节,由于其专业下游性,前面方案选定、结构计算等环节稍有变动都会造成工程数量的改变。

由中铁第四勘察设计院集团有限公司桥梁院自主研发的Solidworks规格计算插件能智能测量构件几何信息,在预定义三维模型构件材料属性的前提下,能一次性计算并存储所有构件规格信息,自动生成工程数量总表,解决了人为算量的劳动力重复性、错误主观性等问题。

6、指导施工工序

桥梁三维BIM模型除了能直观展示各构件空间位置及组装形式,还可以引入时间因子,将BIM模型拓展为4D模型,即按现场实际施工工序模拟桥梁桩基、墩台、梁部及桥面附属等结构的逐步施工过程。在潭江特大桥BIM设计中,应用Solidworks软件的爆炸功能模块清晰直观展示了钢混结合段、钢梁段中各钢板构件的拼装、焊接及混凝土浇筑顺序,在模拟施工方案、优化施工工序方面体现出显著优势。潭江特大桥某钢箱梁节段爆炸状态见图6,动态回溯可演示该梁段的完整拼装流程,且拼装视频能用于指导工人施工操作、安全培训等。

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  BIM设计不是单纯的3D建模,虽然直观空间模型可以表达出二维图纸不善描述的构造细节,也能优化设计细节,通过干涉碰撞检查发现设计中的错、漏、碰、缺。但BIM设计最突出的贡献应为信息交互,比如直接用于仿真设计计算、交付数据用于后期指导施工等,这些特点在潭江特大桥中都得到了成功应用。


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