跨海斜拉桥关键技术的调研报告（跨海特大斜拉桥索塔BIM技术应用及有限元分析）

曹海双 朱晓亮 徐昕中交路桥建设有限公司 上海鲁班工程顾问有限公司

摘 要：宁波舟山港主通道项目DSSG03标主通航孔桥为跨海特大钢构斜拉桥结构，本文依托此项目进行索塔BIM技术应用及有限元分析。索塔的空间曲线建模采用Revit与Dynamo结合的技术路线来实现。通过精确的模型进行索塔结构及施工措施的计算及管理，核对主材工程量并校核碰撞点，并辅助项目质量、安全、进度管理。同时将BIM模型导入至有限元分析软件进行计算，保证了施工极端工况下结构的安全性。

关键词：跨海大桥;BIM;空间曲线建模;有限元分析;

BIM(Building Information Modeling，即:建筑信息模型)是利用数字模型对项目进行设计、施工、运营的过程。包含了项目所有的几何、物理、功能和性能信息，项目不同的参与方在项目的各个阶段可以基于同一模型，利用和维护这些信息进行协同工作，对项目进行各种类型和专业的计算、分析和模拟。在设计、施工、运营的全生命周期，实现信息共享和无损传递，提高工程建设的质量和效率，大幅节约项目成本，提升科学决策和管理水平。

跨海特大桥梁工程的施工环境复杂、技术难点多，国内工程行业特别是基建工程行业引入BIM技术的时间较晚，在公路桥梁方面的研究还有较大的发展空间。本位依托宁波舟山港主通道DSSG03标主通航孔桥项目，对跨海特大钢构斜拉桥项目的BIM技术应用及有限元分析进行研究。

本项目是宁波舟山港主通道(鱼山石化疏港公路)公路工程的重要组成部分，桩号为K18 345～K19 975，采用三塔钢箱梁斜拉桥方案(布跨为78 187 550 550 187 78m)，桥梁长度1630m，是宁波舟山港主通道公路工程的重点控制性工程。

1 索塔BIM技术建模1.1 Revit Dynamo空间曲线建模体系

复杂不规则结构在建模过程中，利用参数化设计的思路能够更精确、更快速的完成建模工作。

参数化设计，是指一种将全部设计要素作为某个函数的变量，通过设计函数或者算法将相关变量关联起来，通过输入参数便可自动生成模型的设计方法。简而言之，参数化设计也叫尺寸驱动，是指参数化模型的尺寸不需要用确定的数值进行定义，而是用对应的关系来表示，通过变化一个参数值，将自动改变所有与它相关的尺寸，从而生成新的同类型模型。尺寸驱动是参数化设计的关键。

本文在研究索塔空间曲线建模方法中采用Revit与Dynamo这两款软件结合的技术路线来实现参数化设计的思路，如图1。

图1 建模技术路线 下载原图

Revit是美国Autodesk公司开发的一款BIM软件，依靠AutoCAD软件使用者的巨大基数及友好的操作界面，在中国市场上占领着极大的份额。Revit原本只适用于建筑、结构、设备等专业领域，近年来因Autodesk公司在基础设施领域的发展及Dynamo、Civil 3D、Infraworks等软件的推广，Revit与Dynamo结合的技术在基建行业也得到了较广泛的使用。Revit软件在本文研究中的主要是提供参数化族，作为Dynamo参数化驱动的载体。

Dynamo在与Revit协同工作中的定位属于Revit的一个插件，其运行的机制是利用集成功能的节点存储和处理数据，基于可视化编程界面将特定功能的节点按一定规则连接起来形成逻辑运算流，实现对源数据自动化处理，达到模型的建立及数据的存储。它的原理是以包含特定功能的运算模块———节点(Nodes)为基础，并对数据处理、存储、生成模型，是与Revit软件紧密结合的可视化编辑器，被称为一种可视化编程语言。

Dynamo的功能强大其中一部分体现在能够处理非均匀有理B样条(Non-Uniform Rational B-Splines，简称NURBS)曲线和曲面，NURBS造型方法可通过调整改变控制顶点、节点矢量及权因子从而达到修改控制曲线曲面几何外形的目的，为曲线曲面的几何外形设计与光顺处理提供了充分的灵活性，比传统的网格建模方式更好地控制物体表面的曲线度，从而能够创建出更逼真、生动的造型，在高级三维建模软件中应用广泛。在本项目中就需要使用NURBS的建模方法。

1.2 双向曲面形状索塔建模方法

本项目的索塔为双向曲面形状，即有两侧为斜面，两侧为曲面，因此建模难度相对较小。核心建模思路是沿索塔塔肢的中心线绘制断面并连接成整体，具体步骤为:

(1)创建索塔断面内、外轮廓参数化族，如图2、图3。

图2 外轮廓参数族 下载原图

图3 内轮廓参数族 下载原图

(2)统计断面相对偏移位置及尺寸数据。本项目断面没有相对位置的偏移，故只需统计断面尺寸数据。

(3)利用Dynamo软件，沿索塔塔肢的中心线，按照施工段划分的高度布置断面并调整尺寸参数。为避免遮挡，仅展示一侧，如图4所示。

图4 断面布置 下载原图

(4)通过“Solid.ByLoft(crossSections,guideCurves)”节点使断面之间沿塔肢中心线生成索塔节段，因为不能支持多个闭环曲线，所以内轮廓与外轮廓分别生成了实体，如图5所示。

图5 生成实体 下载原图

图6 剪切实体 下载原图

(5)通过“Solid.DifferenceAll”节点使内轮廓实体与外轮廓实体相互剪切，则生成了空心的实体，如图6。

(6)细节部位手动修改和补充。最终模型完成后如图7。

1.3 四向曲面形状索塔建模方法

本节继续讨论更为拓展性的索塔结构形式，即四向曲面形状。本文不讨论更多奇异造型，仅分析其中2种情况:

图7 索塔最终模型 下载原图

(1)塔肢数不变，仅截面尺寸产生非线性变化。

此情况与上一节的步骤大致相同，不同之处在于，断面的布置加密为原先的两倍，且需调整另一侧的尺寸参数(为演示出效果将数据夸大，如图8)，并且生成节段实体时三个断面为一组。原因是两个断面为一组将造成另一侧呈线性变化，达不到曲面的效果，如图9所示。

图8 布置断面并调整尺寸 下载原图

图9 三个断面为一组生成实体 下载原图

(2)塔肢数变化为4，且每一肢都在空间曲线上。

此情况较之上一种情况更为复杂，难点主要在于空间曲线的生成，其他建模方式与上一种情况相同。空间曲线的确定步骤为:

(1)分别在正面和侧面绘制出空间曲线的投影，如图10、图11)。

图1 0 曲线正面投影 下载原图

图1 1 曲线侧面投影 下载原图

(2)利用Dynamo将曲线互相垂直延伸为曲面，并进行相交，得到了空间曲线，如图12所示。

图1 2 曲面相交得到空间曲线 下载原图

(3)采用与之前相同的建模方法，生成塔肢模型，如图13所示。

(4)余下步骤不再赘述。

2 索塔BIM技术应用2.1 混凝土及钢筋工程量核对

得益于BIM技术所见即所得的特点，创建好的BIM三维模型可直接导出构件工程量进行统计和比较，结合设计图纸出具混凝土工程量复核报告。在本项目中对比了全桥的混凝土工作量，发现模型量与图纸量差超过了300m3，其中边索塔的工程量差占大部分。经BIM技术所得的成果反馈给项目工程部进行核实，与工程部复核。这样可以在施工之前提前发现图纸工程量问题，从最大程度上避免因图纸工程量问题带来的损失。同样，钢筋模型也可进行工程量的导出与设计量复核。

图1 3 生成空间实体 下载原图

2.2 支架、爬模、塔吊碰撞检查

索塔施工为项目的重难点工程，施工过程中电梯、支架、爬模、塔吊等各种施工机械、施工设备交错布置，同时作业。如何合理的进行空间位置布置，避免各个设备之间的碰撞问题，无疑也给施工带来巨大的挑战。针对此问题，项目BIM团队建立了精细的施工措施模型，将各个施工机械、设备进行三维还原，按照拟定的方案进行准确布置，如图14所示。充分校验施工过程中可能出现的碰撞、冲突问题，形成碰撞检测报告。其中发现重要碰撞问题20余项，反馈给项目工程部进行方案优化，有效减少了索塔施工风险。

图1 4 施工措施模型 下载原图

2.3 BIM平台管理应用

(1)进度管理

在BIM系统中录入进度信息并与BIM模型关联，形成携带时间信息的4D模型，就可以实现现场施工进度与系统中的进度信息同步，让进度信息数据在工程上传递的更加有效。现场施工结合模型能够准确记录进度情况，使用手机APP扫描构件二维码即可进行进度状态上传。以索塔为例，针对索塔的各施工节段、塔吊的安装及升降、施工支架的安装等均可进行进度的上传，以此得到施工现场的实际状态。此外，通过上传不同的数据，如计划进度和实际进度，可以计划进行与实际进度之间的对比，找到进度延迟的关键节点。进度管理流程如图15所示。

图1 5 进度管理流程 下载原图

(2)质量安全管理

质量安全检查如果要改变以往沟通不顺畅，落实不到位的情况，就需要从例行检查开始，建立一套完整的管理体系。在引入BIM技术后，搭建BIM系统平台实现信息化管理，从现场人员到项目经理都可以通过BIM平台对现场进行安全管控。

通过电脑端BIM平台与手机端APP结合使用，实现整个管理流程规范化，每个人各司其职，严格按照“登记→整改→复查→销案”的程序处理安全隐患。通过BIM技术完善安全检查制度，问题实时把控。质量安全管理流程如图16。

(3)资料管理

以往在施工过程中存在管理人员不重视资料的存放和保管，因资料丢失而造成缺项的现象较为普遍，因此施工单位对资料管理的信息化需求一直都很强烈。资料管理的实现思路是利用BIM系统，由现场施工人员或专职资料员通过PC端或者手机端(扫构件专属二维码)将构件生产过程中的施工技术资料(方案、图纸、试验、质检等资料)上传至BIM系统，与模型构件进行关联，以实现资料与模型的双向查询。结构化的资料存储方式以及关键字搜索功能，方便资料员整理。

图1 6 质量安全管理流程 下载原图

(4)视频监控管理

在BIM系统的应用中，可以将远程数字视频监控系统与BIM模型结合，将视频监控画面对接到BIM系统，以实现集成化应用，对工程施工情况及人员进出场情况进行实时监控。借助BIM模型，能够明确监控区域，使监控画面和位置信息的对应性更直观。

3 索塔模型有限元分析应用3.1 模型简化与数据转换

利用Revit Dynamo进行空间曲线索塔建模，由于采用含倒角的一体式截面轮廓通过沿guideCurves扫掠生成结构体，可以有效避免常规建模时索塔内腔倒角构造异型脱离腔面的情况，模型的精确度得以保证。

在导出DWG格式模型时，应选择实体模型(选择ACIS格式)。在CAD软件中对模型构造复核后导出IGES格式。

3.2 有限元分析

因索塔模型在进行有限元网格划分时对网格大小有要求，如将整个索塔模型直接应用于有限元分析模型，将造成计算分析工作量大大增加。根据索塔构造可知，在索塔施工过程中，下横梁可以作为上塔柱固定端支撑，上塔柱为悬臂施工，可以将整个索塔在下横梁处分为两部分，见图17。根据需要对索塔悬臂施工施加主动力，以确保索塔线型及其施工过程中不出现拉应力。

图1 7 导入有限元分析软件模型 下载原图

4 结语

(1)索塔在跨海特大斜拉桥项目施工中具有极其重要的地位，索塔施工的精度、在复杂海域各种极端工况下的安全性，影响整个跨海特大斜拉桥项目的成败，对索塔施工的管理控制和计算校核工作不可或缺。

(2)应用BIM技术可以对索塔的结构尺寸、混凝土及钢筋工程量、图纸碰撞、施工管理形成有效的校核和控制，针对空间曲线形状的索塔塔肢，采用Revit与Dynamo结合的技术路线来实现精确化的建模，准确校核尺寸，并为项目管理和受力计算提供模型基础。

(3)利用BIM协同管理平台，对项目的计划进度和实际进度进行管理和分析，通过手机APP采集功能的应用，将现场的质量、安全情况有效的回传，并通过线上流程形成管理闭环。在施工过程中，将施工资料持续上传更新到BIM平台，完善模型资料库，形成数字化的施工档案，在竣工交付阶段将可以实现数字化交付。

(4)利用BIM技术产生的精确模型，经RVT格式、ACIS格式和IGES格式的转化，导入到有限元分析软件，进行各种施工工况下的受力计算，保证施工安全性，确保项目高质量完成。

参考文献

[1] 吴生海，刘陕南，刘永哓，等．基于Dynamo可视化编程建模的BIM技术应用与分析．工业建筑，2018,48(02):35-38 15.

[2] 马佰钰．基于Revit斜拉桥参数化设计及施工过程模拟的研究．大连理工大学，2017.

[3] 万阳．桥梁信息化(BIM)设计技术应用研究．重庆交通大学，2018.

[4] 刘新山．NURBS曲线插补技术研究及其仿真．吉林大学，2007.

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