針對超大跨徑拱橋設(shè)計過程橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性控制難度大、地質(zhì)條件要求高、復(fù)雜結(jié)構(gòu)外包混凝土澆筑難等關(guān)鍵問題，文章以某超大跨徑拱橋為依托開展三維數(shù)字化設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用，通過對拱橋基礎(chǔ)三維地質(zhì)、主拱結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵部位進(jìn)行有限元模型網(wǎng)格劃分、三維受力分析、仿真模擬分析等應(yīng)用研究，打通了BIM模型與結(jié)構(gòu)和巖土有限元分析的接口，形成了多項超大跨徑拱橋設(shè)計流程和解決方案，對今后大跨徑拱橋高效設(shè)計和突破性發(fā)展提供參考。

超大跨徑拱橋；三維數(shù)字化設(shè)計；BIM模型；有限元

U442.5A010014

基金項目：

廣西科技計劃項目“基于視覺傳感與云計算的橋梁智慧監(jiān)測及安全評價技術(shù)研究”（編號：桂科AB23026153）；廣西科技重大專項“平陸運河跨線橋梁拆建再利用及交通組織優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)研究”（編號：桂科AA23062022）

作者簡介：

梁" 才（1987—），碩士，高級工程師，研究方向：交通三維數(shù)字化應(yīng)用及推廣。

0" 引言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和技術(shù)的成熟，現(xiàn)代橋梁正朝著大跨徑、復(fù)雜技術(shù)、高強(qiáng)輕質(zhì)的方向發(fā)展，特別是大跨徑拱橋，在目前許多工程建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。特大跨徑鋼管混凝土拱橋具有造價低廉、施工快速、后期維護(hù)費用低、抗風(fēng)抗震性能好等優(yōu)點［1］。因此在山區(qū)和城市建設(shè)中常常被采用，但隨著拱橋設(shè)計跨度的不斷增大，各項計算指標(biāo)不斷提高，這將對復(fù)雜環(huán)境中超大拱橋設(shè)計帶來巨大挑戰(zhàn)。采用傳統(tǒng)的設(shè)計方法已難以滿足當(dāng)今大跨徑拱橋精細(xì)設(shè)計及計算的要求。

三維數(shù)字化設(shè)計是新一代數(shù)字化、虛擬化、智能化設(shè)計平臺的基礎(chǔ)，是建立在平面和二維設(shè)計的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析應(yīng)用，讓設(shè)計目標(biāo)更立體化、更形象化的一種新興設(shè)計方法。本文通過三維數(shù)字化設(shè)計手段，以模型為載體、數(shù)據(jù)為支撐，進(jìn)行三維受力仿真分析、數(shù)據(jù)傳遞及分析接口的打通，可有效地解決超大跨徑拱橋設(shè)計結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平、穩(wěn)定性分析及拱座基礎(chǔ)地質(zhì)環(huán)境分析等關(guān)鍵性難題，并研究總結(jié)出一套適用于大跨度復(fù)雜拱橋設(shè)計的方法，為后續(xù)同類型橋梁三維數(shù)字化設(shè)計應(yīng)用提供參考。

1" 超大跨徑拱橋設(shè)計現(xiàn)狀

作為橋梁的重要類型之一，拱橋從古代到現(xiàn)代，從簡單到復(fù)雜，從石材到鋼鐵和混凝土，技術(shù)不斷進(jìn)步，設(shè)計不斷創(chuàng)新。自20世紀(jì)90年代以來，拱橋的發(fā)展突飛猛進(jìn)，鋼管混凝土拱橋和混凝土拱橋不斷刷新世界拱橋跨徑記錄，目前我國在建世界超大跨徑拱橋主跨已達(dá)600 m，見圖1。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，拱橋的跨徑不斷增大，設(shè)計要求不斷提高，當(dāng)拱橋設(shè)計超過極限跨徑后，將帶來一系列新的技術(shù)難題，如當(dāng)存在基礎(chǔ)和地質(zhì)條件復(fù)雜、拱座基礎(chǔ)穩(wěn)定、主拱結(jié)構(gòu)應(yīng)力大且優(yōu)化困難時，如何保證設(shè)計施工一致性以及快速安全施工等。當(dāng)拱橋構(gòu)造功能越來越復(fù)雜，設(shè)計指標(biāo)、施工質(zhì)量不斷提高時，傳統(tǒng)的二維平面設(shè)計模式已難以滿足日益更新的建設(shè)期望和設(shè)計理念，二維設(shè)計缺陷也越來越明顯。

主要存在以下難點：

（1）傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析軟件無法進(jìn)行高精度建模，導(dǎo)致在復(fù)雜構(gòu)件模型計算時精度不高，需要進(jìn)行多次計算，難以滿足超大跨拱架高精度計算分析要求。

（2）對于采用復(fù)雜外包混凝土主助拱架的拱橋來說，在設(shè)計階段要全面考慮在施工復(fù)雜構(gòu)造下的拱橋外包混凝土復(fù)雜工序的安全及可行性，二維環(huán)境下是無法進(jìn)行模擬及深化設(shè)計的，這可能會導(dǎo)致設(shè)計出的圖紙難以施工或無法施工等問題。

（3）由于大跨徑拱橋的水平推力大，在不良地質(zhì)環(huán)境中，拱座基礎(chǔ)力學(xué)分析計算所涉及的因素眾多，傳統(tǒng)的計算設(shè)計流程、方案設(shè)計分析難以滿足復(fù)雜環(huán)境下拱座基礎(chǔ)受力分析要求。

因此，隨著三維設(shè)計軟件和工程數(shù)字化的不斷發(fā)展、成熟，采用三維設(shè)計及分析是必然的趨勢。通過三維數(shù)字化設(shè)計手段，不僅提升效率和質(zhì)量，而且便于掌握工程信息模型資源［2］，使工程項目的潛在價值向設(shè)計階段前移［3］，最終實現(xiàn)設(shè)計可視化、信息化、協(xié)同化設(shè)計管理模式。

2" 超大跨徑拱橋三維設(shè)計思路

目前，限制大跨徑拱橋跨徑突破的因素包括基礎(chǔ)設(shè)計、主拱結(jié)構(gòu)優(yōu)化、快速安全施工等，其對設(shè)計手段、計算分析方法提出了更高的要求。三維數(shù)字化技術(shù)作為從設(shè)計手段、計算分析、結(jié)果呈現(xiàn)和仿真優(yōu)化等方面全面升級的新一代工具，為解決大跨徑拱橋設(shè)計難題，進(jìn)一步提升拱橋跨越能力提供了可能。針對現(xiàn)有大跨徑拱橋的三大技術(shù)瓶頸，具體所采用的解決思路如表1所示。

以表1中關(guān)鍵技術(shù)的解決思路為基礎(chǔ)，采用三維數(shù)字化設(shè)計和分析的手段輔助對傳統(tǒng)的設(shè)計過程進(jìn)行升級，形成基于三維數(shù)字化技術(shù)的超大跨徑拱橋設(shè)計思路，如圖2所示。

3" 三維數(shù)字化設(shè)計解決對策

3.1" 復(fù)雜地質(zhì)條件下拱橋基礎(chǔ)三維設(shè)計分析

針對大跨度拱橋水平推力大、對地質(zhì)條件要求高的問題，為確保基礎(chǔ)安全穩(wěn)定，提出三種解決方案：

（1）解決復(fù)雜地質(zhì)高精度模型的構(gòu)建難題，為橋梁基礎(chǔ)設(shè)計提供準(zhǔn)確依據(jù)。針對現(xiàn)有地質(zhì)模型存在失真和變形等問題，采用基于離散光滑理論的三維地質(zhì)建模方法，解決了高精度和純六面體化等建模難題。在運用離散平滑插值技術(shù)進(jìn)行地質(zhì)建模的過程中，允許多個約束條件同時存在，并可以通過置信因子進(jìn)行加權(quán)，達(dá)到指定每個約束條件不同重要性的目的，從而可以生成滿足多個不同約束條件的地質(zhì)模型［4］，見圖3。結(jié)合各類勘察數(shù)據(jù)和專業(yè)推斷建立準(zhǔn)確的地質(zhì)模型，可以精準(zhǔn)展現(xiàn)地層結(jié)構(gòu)空間分布情況、構(gòu)造尺寸等，逼真呈現(xiàn)拱座基礎(chǔ)范圍的地質(zhì)空間結(jié)構(gòu)（相互之間的位置關(guān)系），有效地解決傳統(tǒng)地質(zhì)信息不足和表達(dá)不準(zhǔn)確的問題。

（2）基于三維分析的創(chuàng)新拱橋基礎(chǔ)設(shè)計方法。對于復(fù)雜環(huán)境軟土地質(zhì)采用地下連續(xù)墻用于大型拱橋基礎(chǔ)設(shè)計，其環(huán)形地下連續(xù)墻的優(yōu)勢在于可將支擋結(jié)構(gòu)的抗力最大程度地由軸力提供，進(jìn)而減小了其彎矩與剪力。結(jié)合三維地質(zhì)模型和拱座基礎(chǔ)BIM模型進(jìn)行輔助分析和仿真模擬，大大提高了基礎(chǔ)的水平承載能力，解決了不良地質(zhì)條件下的拱橋基礎(chǔ)設(shè)計難題。

（3）打通高精度BIM模型及巖土有限元分析接口?；诟呔热S地質(zhì)模型及純六面體網(wǎng)格模型，能有效滿足實際工程的結(jié)構(gòu)與巖土耦合數(shù)值分析需要，實現(xiàn)一模多用的目的。具體過程為：采用三維有限元方法對拱座基礎(chǔ)整體以及各部分構(gòu)造的局部實體部位進(jìn)行應(yīng)力計算，將基于MicroStation軟件導(dǎo)出的三維實體模型，導(dǎo)入有限元前處理器HyperMesh，對幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行高質(zhì)量網(wǎng)格劃分、施加約束等前處理操作，生成有限元模型后再導(dǎo)入Ansys軟件中進(jìn)行求解計算［5］。如圖4所示。

3.2" 主拱架應(yīng)力水平和穩(wěn)定性三維分析

拱橋主拱結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，應(yīng)力水平超限和“二類穩(wěn)定”問題是限制拱橋跨度的主要因素，對計算分析提出了更高的要求。采用三維精細(xì)化設(shè)計，提升了設(shè)計優(yōu)化空間，減少錯漏碰，確保提前發(fā)現(xiàn)問題，進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化；結(jié)合BIM技術(shù)應(yīng)用后，提高了空間有限元計算效率和準(zhǔn)確性，確保分析結(jié)果可靠。

（1）基于三維模型進(jìn)行拱橋結(jié)構(gòu)數(shù)值分析。傳統(tǒng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)重建實體計算模型容易存在圖模不一致或建模精度不足的問題，且有限元分析采用簡化模擬，會存在誤差。正常情況下BIM模型是無法直接用于有限元分析的，為提高復(fù)雜結(jié)構(gòu)受力計算精度，需將精細(xì)化BIM模型進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理，無縫對接BIM和有限元軟件，提升有限元模型建模精度，解決計算模型反復(fù)調(diào)整次數(shù)多，效率低等問題，見圖5。

基于準(zhǔn)確構(gòu)建的BIM模型能有效提升精度，實現(xiàn)了BIM參數(shù)化設(shè)計和有限元分析軟件計算的統(tǒng)一融合，避免了重復(fù)建模，實現(xiàn)了設(shè)計計算一體化，有效提高了大跨度拱橋結(jié)構(gòu)受力計算精度。

（2）結(jié)合BIM進(jìn)行網(wǎng)格劃分，可提升計算結(jié)果可靠性。基于有限元網(wǎng)格劃分的線性工程結(jié)構(gòu)快速BIM建模方法，是從BIM建模端考慮有限元網(wǎng)格劃分，解決了有限元離散化效率低及實體模型的純六面體網(wǎng)格劃分難題，大大提高了網(wǎng)格劃分和計算效率，建模-分析一體化設(shè)計流程，見圖6。

3.3" 復(fù)雜結(jié)構(gòu)外包混凝土模板優(yōu)化設(shè)計

超大跨徑拱橋主拱節(jié)段線性控制施工難度大，為解決后續(xù)拱橋大節(jié)段拱肋預(yù)制安裝、復(fù)雜結(jié)構(gòu)外包混凝土澆筑等施工難題，實現(xiàn)快速安全施工，在設(shè)計階段對主拱結(jié)構(gòu)及外包模板進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。針對復(fù)雜構(gòu)造下的拱橋外包混凝土澆筑“多段、多環(huán)、多工作面”的工序難點，通過三維設(shè)計輔助選取“過程最優(yōu)、結(jié)果可控”外包混凝土澆筑方案，并用于施工交底、模板設(shè)計等，解決拱肋外包混凝土施工工藝?yán)щy且工期長的問題。見下頁圖7。

3.4" 大節(jié)段拱肋加工預(yù)制拼裝

打通鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計從深化到加工一體化的應(yīng)用，提高加工效率。基于設(shè)計BIM模型，可在施工深化階段導(dǎo)入預(yù)拱度并進(jìn)行修正，進(jìn)行零件詳圖、工藝設(shè)計、提料、加工，見下頁圖8。實現(xiàn)了下料優(yōu)化及數(shù)字化加工，提高復(fù)雜構(gòu)件節(jié)段加工精度，確保后續(xù)施工安全。

通過三維設(shè)計交底和仿真模擬解決大節(jié)段拱肋預(yù)制安裝難題。利用BIM的仿真模擬對拱橋的關(guān)鍵節(jié)點施工工藝，尤其是大節(jié)段拱肋的運輸、吊裝路徑進(jìn)行模擬，通過虛擬建造發(fā)現(xiàn)并解決潛在問題，并提前進(jìn)行優(yōu)化出圖。

3.5" 不良地質(zhì)土方分析

針對超大跨度拱橋建設(shè)橋位地勢起伏大、地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜等特點，結(jié)合高清點云原始地形、拱座開挖設(shè)計面及三維地質(zhì)模型開展土方三維網(wǎng)格化開挖分析，在OpenRoads Designer軟件中進(jìn)行巖層面及原始地面的開挖網(wǎng)格參數(shù)、壓縮系數(shù)及計算精度等設(shè)定，達(dá)到對復(fù)雜環(huán)境不同巖層開挖深度、范圍的精確計算，同時可直接輸出方格網(wǎng)內(nèi)土方平衡量，對區(qū)域內(nèi)縱向及橫向開挖數(shù)據(jù)進(jìn)行自動求和分析（見圖9），以便后續(xù)施工合理地進(jìn)行工程資源調(diào)配，節(jié)省工程費用。實現(xiàn)了拱橋大基礎(chǔ)土方開挖分析可視化、信息化、高效化設(shè)計目的，有效地解決了設(shè)計過程中復(fù)雜環(huán)境下土方開挖分析受限、精度不足、計算慢效率低等問題。

3.6" 技術(shù)應(yīng)用成效

在超大跨徑拱橋設(shè)計中通過三維技術(shù)進(jìn)行分析優(yōu)化。打通了復(fù)雜結(jié)構(gòu)三維模型與有限元分析接口、基于BIM模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)數(shù)值分析、不良地質(zhì)土方分析及結(jié)構(gòu)三維優(yōu)化深化等應(yīng)用的研究，有效提高了拱橋勘察設(shè)計的質(zhì)量及效率，縮短了拱橋工程項目的建設(shè)周期，提前規(guī)避了可能存在的問題，減少建設(shè)過程中的資源浪費，解決超大跨徑拱橋基礎(chǔ)在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境精細(xì)化設(shè)計缺陷、主拱結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平超限和“二類穩(wěn)定”等多項技術(shù)難題，助力世界拱橋建造技術(shù)的跨越發(fā)展。

目前此項研究成果已應(yīng)用到多座大跨徑拱橋設(shè)計中，成果顯著，達(dá)到降本增效的目的，真正實現(xiàn)了三維數(shù)字化在工程領(lǐng)域的落地應(yīng)用。

4" 結(jié)語

本文基于超大跨徑拱橋設(shè)計開展了三維數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用研究，針對復(fù)雜環(huán)境超大跨徑拱橋關(guān)鍵性設(shè)計難題，提出了多項基于三維數(shù)字化拱橋設(shè)計的創(chuàng)新技術(shù)解決方案，通過結(jié)構(gòu)數(shù)值分析、仿真模擬、三維地質(zhì)土方分析及三維模型與有限元接口打通等應(yīng)用研究，克服了傳統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)受力分析、設(shè)計計算精度不足、效率低等問題，真正做到圖模聯(lián)動，形成大跨徑拱橋可視化、信息化、協(xié)同化設(shè)計管理模式，有效提高了設(shè)計工作效率及質(zhì)量，同時也為后續(xù)同類型橋梁的三維數(shù)字化應(yīng)用提供參考，為拱橋的設(shè)計建造不斷突破新的跨度極限提供堅實的技術(shù)和實踐支撐。

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