张 恒

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海 200092）

1 引言

1.1 斜拱塔斜拉桥

随着城市建设的发展， 标志性的景观桥梁已成为现代城市建设的重要组成部分。在城市桥梁中，斜拉桥以其纤细的结构， 高耸的桥塔， 多变的造型成为中等跨径(100～400 m)最常选择的桥型之一。其中，斜塔斜拉桥和拱塔斜拉桥均是20 世纪90 年代左右出现的桥型， 绝大多数坐落于城市核心区域， 建成后均成为了城市地标性建筑，深受建设方、设计者、使用者的青睐。

斜拱塔斜拉桥兼具斜塔斜拉桥和拱塔斜拉桥的优点，其造型独特优美，特别适用于城市中小跨径、跨越较宽水域的景观桥梁。 斜拱塔斜拉桥的结构体系的受力更偏向于斜塔斜拉桥，拱形桥塔可以作为单独的受力构件，不计入体系受力分析。

1.2 CATIA 简述

随着计算机和网络技术的不断发展，BIM 技术以其在策划、设计、施工、管理、运营、维护的工程全生命周期中体现的延续性和高效性， 成为现代大型工程建设发展的新方向。

CATIA 是法国达索公司的产品， 最初主要应用于机械、汽车与航空航天等领域，随着对桥梁构件设计外形精度和平滑性的要求越来越高，CATIA 的空间曲面设计优势被越来越多的设计师认可并逐渐应用于桥梁设计工作中。

2 工程实例

本项目为开封市东京大道跨运粮河桥， 主桥采用斜拱塔斜拉桥，跨径组合为(55+112+60)m,横断面宽为52 m；主梁采用混凝土双主梁结构，跨中和边支点梁高3.0 m，墩顶梁高6.5 m。 总体布置见图1。

桥塔为钢结构斜拱塔，主塔采用六边形断面，单根索塔边跨设置3 根尾索，跨中为8 根；全桥共22 根斜拉索。

图1 总体布置(单位：m)

2.1 桥梁结构设计与分析

2.1.1 结构设计

(1)主梁

主梁为变截面预应力混凝土连续梁， 采用C55 混凝土。 主梁结构边支点及中跨跨中位置梁高为3.0m，中支点梁高为6.5m；单侧横断面采用单箱四室形式，单侧箱梁底部净宽为18.5m；双主梁净距10.5m。 主梁断面见图2。

图2 主梁断面(单位：mm)

主桥预应力钢束腹板束采用双排布置， 在加厚腹板位置采用双排锚固；悬浇束在悬臂施工节段端部锚固，合拢处设置顶板束、底板束。

(2)主塔

索塔为钢结构斜置桥塔，其中高塔高度为70m，与竖直面倾角16°，西侧较低塔高度为55m，倾角为20°；索塔截面考虑景观效果，选用六边形断面，外腹板延伸出构造兼作为装饰结构附着面。

(3)基础设计

主塔基础与主梁基础由系梁连接， 全桥基础采用钻孔桩基础，承台厚3m，桩径1.5m。

拱座构造与拱塔空间线型顺接， 既是拱脚的锚固构造，也是拱塔立面造型的延伸。 拱座内预埋反力架，拱座表面应预留立面装饰结构预埋件。 全桥断面布置见图3。

(4)装饰结构

本桥外立面装饰主要设置在拱塔外腹板、主梁侧面，采用厚10 mm 薄板，以及间隔80 cm 的10×100 mm 薄钢板加劲。装饰施工应预先厂内放样装饰隔板形状，作为现场施工时装饰外立面的定位点。

2.1.2 计算分析

本例采用Midas/Civil2017 程序建立梁单元模型进行分析，结构计算模型如图4 所示。

图4 计算模型

通过结构计算分析， 得到各构件关键部位的最不利内力值，见表1～3。

表1 主梁上下缘正应力(MPa)

表2 主塔计算结果

表3 支反力汇总(MPa)

根据计算结果， 主梁、 主塔结构响应均满足规范要求，结构安全可靠。

2.2 施工方案

本桥的施工要点为钢结构桥塔施工， 考虑到开封当地已有多个竖转施工桥塔实例，有丰富的施工经验，本例优先选择竖向转体施工。具体的施工步骤是：在桥面或场地上设置胎架，并在拱座处设置转动铰轴，钢结构拱塔在工厂内制作后分节段运送至工地，在胎架上焊接、拼装成型；设置提升龙门架或塔架，采用同步提升技术，将拼装后的钢结构拱塔提升竖转到位，完成主塔施工。

该施工方法大量的工作在地面或桥面平面进行，其装配精度、焊接质量均能得到较好的保证，在检测上也更具有可行性。

3 基于CATIA 的复杂空间结构设计

3.1 本桥设计的难点

根据结构设计与计算分析， 本桥的结构体系相对简单，设计难点主要体现在：(1)本桥采用的倾斜钢结构拱塔，其外形及索塔内板件、锚固构造的设计均为复杂空间结构，放样与复核的难度大，图纸量大；(2)本桥主塔与主梁间的装饰板外形，是全桥景观效果成功呈现的关键，其外形的设计和比选使用传统设计软件难以实现；(3)本项目的外部影响因素较为复杂，设计变更可能性大。

3.2 CATIA 设计应用

针对本例的设计难点，采用传统的AutoCAD 设计流程，会导致误差过大、图纸制作工作量和变更返工量巨大的问题；对于复杂的扭转曲面，AutoCAD 无法实现此类空间结构的设计；而对于重大设计变更，传统的低参数设计模型受到的影响无异于推翻重做，返工量过大。

基于以上原因，本例选择应用CATIA 软件进行本桥复杂结构的设计工作。

3.2.1 拱塔模型的建立

建立拱塔模型的主要步骤如下：(1)定义拱塔截面及变化参数，建立引导线和结构脊线，通过程序的三维扫掠功能生成拱塔外形；(2)补充塔内加劲肋、板件、锚固隔板等；(3)通过三维拼接完成主塔及全桥模型。 模型装配见图5。

3.2.2 塔内隔板碰撞检查

本桥的斜拱塔构造，导致每根斜拉索的角度、出索点位置均各不相同，近主塔侧的塔内隔板的拉索角度较小，从而易产生与横隔板的碰撞问题。程序建模完成后，可以通过模型中的群组选择功能， 直观地检查板件碰撞情况及完成板件施工空间复核工作。 碰撞检查示意见图6。

CATIA 软件更为便捷的是， 在发现问题后可以实时在模型中做动态调整， 其相关性的修改内容可自动在三维模型中实现匹配更新。

3.2.3 平面图纸生成与工程量统计

(1)平面图纸的生成

当前， 设计产品的提交和展示仍以纸质平面图纸为主，如何完成CATIA 模型到设计图纸的出品，也是设计人员需要着重考虑的问题。

本例中，利用CATIA 与AutoCAD 的交互功能，可以实现由CATIA 模型对任意角度平面、剖面的AutoCAD 文件生成工作， 再通过传统AutoCAD 中的设计工具进行简单标注和计量，完成二维图纸的绘制。 主塔平面示意见图7。

图7 主塔平面示意

(2)不规则板件工程量统计

CATIA 的精细建模功能保证了其程序内部统计板件工程量的精度， 可以作为设计人员计算工程量的复核参考。 模型工程量计算示意见图8。

图8 模型工程量计算示意

3.2.4 CATIA 模型与有限元计算软件的交互

当前的设计工作中，结构计算需要在绘制了CAD 图纸后，重新在分析软件中新建计算模型，但往往由于软件本身对复杂结构建模的功能有限， 给准确建模带来了较大的困难和重复工作量。本例中，设计人员在建模时即对结构进行了细致分组。模型完成后，只需对其进行分类简化，即可实现由CATIA 模型到Abaqus 的模型转换，大大提高了建模效率。经过与手动建模的计算模型比对，计算结果准确可靠。 Abaqus 计算模型示意见图9。

3.2.5 装饰结构设计

本桥主塔与主梁外侧的装饰钢结构， 是全桥景观效果呈现的关键部位。 设计人员运用了CATIA 软件强大的空间截面控制性拟合功能，通过调整各类拟合原则，进行了多种空间外形比较， 并在与钢结构厂家进行模型的对接后，结合厂家的建议，完成了主塔至主梁侧空间扭面板件的合理拼接。 装饰结构外形拟合示意见图10。

图9 Abaqus 计算模型示意

图10 装饰结构外形拟合示意

4 结语

4.1 小结

本文介绍了利用CATIA 软件进行斜拱塔斜拉桥的工程实例，完成了复杂截面的建模、碰撞校核、结构设计等工作，解决了一些基于传统设计方法中较棘手的问题，为今后复杂结构物的设计工作拓展了思路。 主要总结如下：(1) 对于异形复杂空间结构，CATIA 具有精度更高，可视化、结构参数化率更高的优点；(2)CATIA 软件自带的工程制图模块，可以将三维模型直接生成平面图纸，并且实现模型与图纸的联动更新，省去了传统AutoCAD 设计方法在处理结构调整和变更时带来的巨大制图和返工量；(3)CATIA 可以与有限元计算软件实现模型数据， 可快速进行结构定性分析。

4.2 展望

拱型斜塔斜拉桥在现代城市桥梁中， 有其得天独厚的优势，但其结构体系和构造细节，还需要设计者在实践中不断的探索和总结。

随着BIM 技术应用的普及，设计师的思想需要从传统的施工图设计中转变过来， 即从以结果为导向的传统思想向以全过程为导向的、 逻辑性高度严密的程序化思想过渡。 本文基于CATIA 软件对斜拱塔斜拉桥设计进行分析，随着BIM 技术的发展，如何将其更好地运用于桥梁设计，还需更多的工程实践来验证。