基于CATIA的大型桥梁三维建模方法

【摘要】三维设计技术是当前计算机辅助设计技术的发展趋势，其中三维建模是三维设计技术的基础。本文根据长江大桥工程实例的建模实践，介绍了一种适用于大型桥梁结构特点、基于CATIA骨架和模板的三维建模方法。该方法符合实际工程设计习惯，可推广应用到各类大型桥梁工程。

1引言
三维设计技术是当前计算机辅助设计技术的发展趋势，在机械、建筑、化工、石油等设计行业已得到比较成功应用，并成为市场竞争的重要工具。近年来BIM/PLM所提倡的面向建筑全生命周期的集成建模技术在工程建设行业得到广泛认可，笔者所在设计院市也在积极开展基于CATIA的三维设计探索和应用工作。
CATA是达索系统的先锋品牌，领先世界产品设计与创新解决方案领域2。作为PLM协同解决方案的一个重要组成部分，CATA可以帮助用户采用三维技术来设计未来的产品，并支持从项目前期、设计、分析、模拟、组装到维护在内的全生命周期设计流程。与其他三维设计软件相比，CATA的主要优点是：(1)CATIA整体功能强大，可创建任意实体，曲面造型独树一帜；(2)CATA提供参数化设计功能，可实现参数和模型的关联更新。
本文根据长江大桥工程实例的建模实践，重点阐述了适用于大型桥梁结构特点和CATIA软件的“骨架+模板”的三维建模方法。
2长江大桥工程简介
如图1所示，上海长江大桥起于隧道长兴岛登陆点，沿地面横穿长兴岛，由长兴岛东北部跨越长江口北港水域至崇明岛陈家镇，与崇启通道工程相接，全长16.63km,其中道路6.66km,桥梁9.97km。主航道桥的设计方案为斜拉桥，按双向6车道设计，主塔造型形如“人”字，平直的桥面从腰际穿插而过，被称为“长江门户第一桥”。
该工程实例的三维建模重点是总跨度1430m的主航道桥，采用五跨连续全飘浮体系，跨径布置为92m+258m+730m+258m+92m,属于双塔双索面分离钢箱梁斜拉桥，由基础、主塔、桥墩、主梁、斜拉索等五大结构组成。其中基础采用3000（上段）~2500mm(下段)变截面钻孔灌注桩，承台采用圆端形钢筋混凝土结构；主塔采用人字形独柱钢筋混凝土索塔，塔高216.322m,索塔错固采用钢锚箱方案；辅助墩、边墩采用双柱空心薄壁墩；主梁采用分离式流线形扁平钢箱梁（见图2），主梁节段标准长度15m,宽51.5m,高4m,分离钢箱梁之间由箱形钢横梁连接，索梁连接错固采用铺箱式结构。斜拉索在梁上标准索距15.0m,塔上标准索距2.5m。
3大型桥梁结构特点
大型桥梁常用的桥型有梁桥、拱桥、斜拉桥和悬索桥等。每种桥型包括的主要构件具有一定的共性，但也有所不同区别。主要构件可抽象为七大类：主梁、支撑、基础、连接构件、连接节点、桥面系、附属设备等。其中每种构件的形状、采用的材料均是多样的，形式较复杂的主要是主梁、支撑、连接节点三类。

以长江大桥为例，大型轿梁可以看成由一组结构构件、附属设备及环境条件组成的三维系统。各构件及设备均具有材料组成、各部分的相对位置、几何形状等基本属性，同时具有与不同分析要求相对应的力学特征，如用于整体结构分析的截面特性、用于局部分析的板件厚度、材料特性等。此外各构件和设备之间应有明确的相对位置、连接形式等。环境条件包括地形、地质、水文、净空要求等信息。
可见与汽车以及机械制造等行业不同，大型桥梁有其自身的专业特点。大型桥梁以结构专业为主，大部分构件为结构构件，且绝大部分不是标准构件，与材料组成有很大关系，需要反映工程力学特性，形状还要保留足够的灵活性。主要表现有以下三方面。
1)复杂性：现代桥梁工程通常在某种意义上也是景观工程，使得桥梁往往成为某区域的地标性建筑物之一。这样就对桥梁的外观要求比较高，导致在不同桥梁工程中即使同一类桥梁也有很大差别。

2)一致性：在桥梁工程设计中，受到不同工程设计条件、景观要求等约束限制，要做到跨工程间的模型重复利用很困难。同时为了便于设计和施工，在具体工程中又必须采用统一的设计原理或规律，自上而下进行结构分解和设计。因此在一个特定桥梁工程中，通常有数量庞大的、彼此各不相同又有一定变化规律的分部分项设计单元。
3)可变性：大型桥梁结构中分部分项设计单元的形式和尺寸变化很大，不适合做成零件进行装配；同时这些单元又具有相同设计变化规则，可以定制成一定类型的模板进行实例化。因此往往更需要关注的是如何提高彼此各不相同、又有一定设计规律的分部分项的设计效率。

投稿会员：芳华