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对比CAD和BIM在桥梁施工设计中的应用区别

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发表于 2017-10-11 10:51:59 | 显示全部楼层 |阅读模式
       桥梁施工设计主要为桥梁施工中所用的大型临时结构,包括基础施工的钻孔平台及围堰、墩身施工的模板及支架、主梁施工的现浇支架或挂篮等。随着社会不断向前快速发展,桥梁结构形体越来越新颖、越来越复杂,大型临时结构需要与桥梁结构相匹配,设计人员需在较短的时间内完成大规模复杂临时结构的高质量设计,同时还面临着桥梁具体施工时的条件与设计时的有所不同,临时结构需要进行多次修改,严重制约着桥梁施工设计的发展。BIM技术的出现,将能够解决目前施工设计中所面临的一些挑战及困难,为设计人员所接受及认可。
       以下通过分析当前CAD二维设计技术在桥梁施工设计中的现状,依托新白沙沱长江特大桥的施工设计,介绍BIM设计技术的特点及对桥梁施工设计的影响。

  • CAD与BIM的工程应用比较

1、工程概况

新白沙沱长江特大桥是渝黔铁路的关键控制性工程,全长5.32 km,主桥布置为(81+162+432+162+81)m,是世界上首座双层六线双塔双索面钢桁梁铁路斜拉桥。上层四线客车线,下层两线货车线,同时也是世界上延米载荷最大的桥梁,活载达33.6 t/延米,恒载达99 t/延米。

主塔为2#、3#主塔,采用H形桥塔,2#塔高175.45 m(含塔座), 3#塔高192.45 m(含塔座),2#塔与3#塔在下横梁以上高度外轮廓完全一致,下横梁中心线以上桥塔主体高度为147.75 m,上塔柱高64.75 m,中塔柱高81.20 m。2#塔下塔柱高度为23.7 m,3#塔下塔柱高度为40.7 m。下横梁为预应力混凝土结构,采用双室空心矩形结构,高7.0 m,宽10.0 m,顶、底板厚0.8 m,腹板厚0.7~1.0 m,支座处设有横隔板,横隔板厚2.0 m。上横梁为预应力混凝土结构,采用单室空心矩形结构,高7.0 m,宽7.5 m,顶、底板厚0.7 m,腹板厚1.0 m。

2、3#主墩施工方法

3#基础位于水中,墩位处部分河床已侵入承台范围内,因此在基础施工前需进行河床的水下爆破清理。为快速形成钻孔能力,保证长江汛期来临以后钻孔的安全性,同时考虑到主墩距离川黔线白沙沱桥距离较近,故采用先平台后围堰的方案。下塔柱采用翻模施工,中、上塔柱采取液压爬模施工。下横梁采用钢管柱支架法施工,混凝土分两次浇注,第一次浇筑总高度为4.0 m的底板及腹板,第二次浇筑高度3.0 m,下横梁和同一高度范围内的塔柱同时浇注。上横梁待与横梁相交段塔柱爬模施工通过后,再搭设支架施工上横梁,支架采用在塔柱上设置预埋牛腿和预埋件搭设现浇支架。

3、3#主墩下横梁施工设计比较

以下拟对3#主墩下横梁支架设计分别采用CAD设计技术及BIM设计技术进行的设计内容进行比较。

3.1 CAD设计方法

准备工作:绘制主塔结构主要为下横梁及下塔柱的三视图,此结构二维电子图纸可从桥梁设计单位得到。

支架系统的布置:下横梁底模布置,可采用整体钢模和木模,此时仅需确定模板高度;模板底部分配梁布置,此时也仅需预留一定的高度(常用的工字钢高度);钢桁梁的布置,主要是根据下横梁断面布置其间距,桁架的结构形式需通过计算确定;钢管立柱系统的布置,与钢桁梁之间需预留一定的高度设置后期支架卸落的装置,钢管之间的间距需要与钢桁梁共同计算考虑,保证两者受力满足要求,同时结构形式简便合理。

3#主墩下横梁现浇支架总体布置:


新白沙沱长江特大桥3#主墩CAD设计


下横梁支架布置出来后,即可与施工现场交流沟通,确定结构所用钢材的形式,就可进行具体设计。根据计算结果可分几大块进行独立设计,主要包括承台上设置的预埋件、钢管立柱系统、卸落结构装置、钢桁梁、模板系统、边支点等。各部分设计完成后,在总布置图上将各结构进行重新组拼,进一步检查确定各部分之间的关系,发现问题各部分重新修改设计,重复上述过程直至结构完善,最后打印出图,设计任务完成。

3.2 BIM设计方法(从上而下设计)

准备工作:根据主塔结构图纸绘制三维BIM模型,由于目前国内桥梁设计单位无可直接用于设计的三维BIM模型,此工作量较大。

支架系统的布置:底模系统的布置,此时仅需布置模 板的中心线或者定位线,同时定义模板系统与下横梁底面的逻辑关系;模板底部分配梁的布置,仅需布置分配梁的中心线,同时定义分配梁与模板底面、分配梁之间的逻辑关系;钢桁梁的布置,需布置钢桁梁的骨架线,定义其与上面分配梁的逻辑关系,由于分配梁数量较多,定义逻辑关系时需要一定的技巧,同时定义多片钢桁梁间的逻辑关系;钢管立柱系统的布置,从上而下定义出各节段钢管的轴线,并定义各钢管与钢桁梁及承台预埋件间的逻辑关系。上述过程中需要对每根杆件进行命名且名称不能重复。

具体设计:结构布置完成后,将模型信息进行共享,该工程施工设计项目其他成员根据此数据信息进行各分部的具体设计,设计过程中可适时的保存数据信息,其他成员可立即获得最新修改信息,再对自己所负责的分部进行调整。三维BIM模型设计完成后,再对各部件及零件出工程图。设计任务完成之前重复修改设计的过程比较少或者不会出现。

3.3 BIM设计方法(从下而上设计)

根据主塔结构图纸绘制三维BIM模型,根据以往类似结构将支架拆分为多个零件,并绘制成多个零件图,同时对零件进行命名,再对绘制好的零件进行逐个装配,装配的过程中逐一定义各零件间的逻辑关系,同时调整各零件的定义参数的具体数值,使之满足总体设计,BIM三维模型设计完成后,再对各部件及零件出工程图。

3.4 CAD与BIM在修改设计工程中的比较

假设已分别采用CAD技术及BIM技术设计将下横梁支架设计完成。以下横梁支架中的钢管立柱系统需要进行修改设计,分别采用CAD二维和基于BIM的三维软件进行设计修改比较。


下横梁支架中钢管立柱立面(修改前)

由于某种原因钢管立柱下部立柱间距减小3 m,外面一排钢管由竖直变成倾斜,钢管立柱系统细部结构发生变化的有:立柱A2结构(含底部连接法兰)、立柱C2结构(含底部连接法兰)、连接系A1结构、连接系A2结构等。


下横梁支架中钢管立柱立面(修改后)

采用CAD二维设计时,先在总布置图进行修改,再到各个具体结构详图中修改,涉及到修改地方较多,往往会出现有些地方已经修改,某些局部由于人为疏忽而未修改,造成图纸前后不对应的情况,这就要求设计人员和图纸审核人员非常认真仔细的核对。

采用基于BIM的三维软件设计时,先在三维模型中进行修改,由于构件名称是一一对应的,需要对杆件重新命名编号,在对细部结构连接法兰处理也较困难,由于结构变化产生新的结构工程图中需要重新生成。在三维模型修改时,特别是在细部结构处理时所耗时间精力较多,在材料统计方面,模型虽然可以自行生产,但与传统表述还有一定的差异,还需进一步修改,同时还需要对新增的结构零件进行出工程图。

但是如果设计方案修改方向相反,即外侧钢管由倾斜变成直立,采用基于BIM的三维软件设计将会非常方便快捷。

  • 关于BIM应用的总结

BIM是一个全新的理念,涉及到一系列的改革和创新,虽说在现阶段BIM设计技术还无法完全取代CAD设计技术,但国内基于BIM的三维软件也在不断涌现与完善,其中众多业内人士熟知的广联达BIM、品茗BIM、鲁班BIM等软件,结合国内实际工程设计,大大提高了设计人员的工作效率,被越来越多的设计人员所接受和认可。
随着BIM在其他行业不断应用,实用价值也会不断地体现出来,另外,国内工程建设的速度将逐步放缓,从快速施工转变成精细化施工,BIM设计技术的应用更是迫不及待。桥梁施工设计人员应该走在工程建设行业的前头,要敢于接受新东西,敢于应用新技术行,敢于接受新技术的挑战。

本文改编自丨铁路技术创新
作者丨胡杰 中铁大桥局股份有限公司设计分公司



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