工程概況

常泰長江大橋主航道橋方案采用雙塔公鐵兩用斜拉橋,主塔兩側各設輔助墩及邊墩，主橋孔跨布置為(142+490+1 176+490+142)m，全長2440m。

主塔采用“鋼-混凝土”混合空間四肢塔，中下塔柱為混凝土結構;上塔柱為“鋼-混凝土”組合結構。錨固結構為“鋼-核芯混凝土”新型錨固結構 。

BIM建模方法

常用的BIM建模方法有“自底向上”和“自頂向下”兩種。“自底向上”建模是指先做好基本構件(零部件)，利用各個基本構件之間的配合關系建立基本結構，再將多個基本結構按設計方案組成總體結構。“自頂向下”建模是指先根據需求和設計意圖繪制結構的總體方案，由總體方案的控制數據初定各個構件尺寸進行檢算，再根據檢算結果調整結構尺寸并對構件進行細化設計。

整體結構模型建立

建模方法

初步設計階段，需對結構的整體方案進行設計和比選,并進行初步的細部設計。在施工圖設計階段，需對結構進行精細化設計，以達到制造和施工要求。根據主塔設計特點，對于主塔主體結構，采用“自頂向下”的建模方法，即先建立主塔整體結構模型，再對結構進行細化，以整體控制局部。

建立主塔軸線

根據景觀和結構受力需求，本橋主塔選用鉆石形空間四肢塔。繪制主塔軸線并建立尺寸約束，即對幾何圖元的尺寸、距離、角度等創建尺寸約束，由尺寸約束自動生成參數，即主塔的控制高程和軸線控制尺寸等參數，通過修改參數可對幾何圖元進行修改。

放樣整體模型

在軸線的控制點處建立控制平面，在控制平面繪制控制截面;放樣生成主塔整體模型。整體模型生成后，后期可根據設計需求,通過修改高程、間距、尺寸等參數，對整體模型進行快速調整。

主塔建模過程

截面比選

常泰長江大橋主塔為鉆石形空間四肢塔，中上塔柱結合處將四肢合并為一個塔柱，故實現勻順過渡尤為重要。初步確定正八邊形截面和矩形大切角截面方案，分別進行放樣。根據放樣結果進行景觀效果對比，選擇正八邊形截面。

模型衍生與聯動

橋塔整體模型基于方案設計需求和模型的宏觀把控，在建模過程中省去了細部構造。在施工圖設計階段，設計工作將進一步深化。

為減小模型文件大小，節省計算空間，同時便于修改,分別衍生混凝土細化模型和鋼結構細化模型，作為主塔整體模型下級文件。衍生出的節段模型與整體模型具有一致性，為聯動關系，修改上級整體模型，則下級節段模型隨之更新。由此實現上級模型整體控制，下級模型深入細化，上、下級模型保持聯動,形成聯動模型組。

設計過程中，通常需要多人協同設計。以往的二維設計，若整體方案調整，則需要多方協調配合完成調整。在BIM正向設計中，將節段模型分配給各設計人員，只需修改整體模型，下級節段模型則聯動更新,既實現了負責人對設計模型的整體把控，又實現了多人協同參與設計工作，避免因溝通不當而導致的設計成果沖突。

模型細化

混凝土塔柱細化本橋塔肢為單室截面，采用幾何約束與尺寸約束相結合方式，幾何約束即在草圖幾何圖元上應用約束來固定草圖的形狀或位置，如垂直、共線、平行等，繪制箱室截面，放樣生成箱室形狀，通過布爾運算細化空心部分。其余細化部分通過放樣、倒角、修剪等操作實現。

鋼塔柱細化鋼結構部分構造復雜，細節較多。為提高設計效率，按吊裝節段對上塔柱進行劃分，以整體模型衍生模型為控制輪廓;采用幾何關系約束原則，作出加勁肋、隔板等板件輪廓，以節段輪廓控制板件尺寸、定位;放樣隔板、加勁肋等細部構造實體，建立節段詳細模型。

在設計中，當上塔柱截面尺寸發生變化，只需修改整體模型中上塔柱尺寸，其余衍生節段模型自動更新為修改后的尺寸。因加勁肋、隔板等板件草圖通過幾何關系與節段輪廓約束，板件位置、尺寸自動適應截面的變化，無需進行其他修改。

建模方法

本橋錨固結構采用新型“鋼-核芯混凝土”錨固，外壁為鋼結構橋塔，中間為核芯混凝土，斜拉索通過鋼錨箱交叉錨固于核芯混凝土上。

本橋單個塔共78對斜拉索，每根斜拉索對應一個錨固結構。錨固結構的尺寸、位置與斜拉索空間角度、斜拉索規格等息息相關，在整個設計周期內隨著拉索參數的變化而變化，其中涉及參數多、空間結構復雜。采用BIM進行參數化建模，能有效適應設計過程中的拉索調整和空間碰撞問題。

若采用“自頂向下”的建模方式，所有錨固結構均在一個模型中建立，該模型中需要設置大量參數，對建模和后期修改極為不便 。另外，錨固結構與主塔整體模型關聯不大，無需通過“自頂向下”來進行整體控制。為減少單個模型參數設置,提高建模效率，將同一編號的四根斜拉索分為一組，建立單組錨固結構模型，再將單組錨固結構模型組合生成全塔錨固結構模型，即采用“自底向上”方法建模。

參數設定與建模

1.參數設置

利用尺寸約束生成錨固結構的控制參數，由于斜拉索角度在設計過程中隨著索力、錨固點、索規格的變化而變化，變動次數多。若直接在模型內修改參數，工作量大且容易出錯。通過Inventor軟件自帶的Excel接口，將生成的控制參數與Excel表格形成聯動，以Excel表格控制BIM模型的參數修改，同時將計算文件與參數表格鏈接，快速實現對大量參數的一次性修改。

2.模型建立

根據相關計算結果，對設計出錨固構造板件及細節進行建模放樣，生成單組錨固結構模型。

3.錨固結構模型重用

本橋每個主塔共78對斜拉索，需建立39組錨固結構模型。逐個建模工作量大，效率低。考慮到鋼錨箱結構相同，僅需改變參數即可得到下一組模型。將單組斜拉索錨固結構進行建模，復制后通過修改參數生成下一組編號的錨固結構模型。將所有錨固結構模型組裝，得到全塔錨固結構模型。

索導管放樣與碰撞檢查

本橋 “鋼-核芯混凝土”錨固結構中，索導管穿過3道鋼板，與鋼板相交處均需設置開孔。

在以往的二維設計中，需要對正立面，側立面和平面三個視圖進行放樣，才能定位出索導管在空間中的位置。要得到鋼板開孔形狀、尺寸則需要利用幾何公式進行計算，而對于碰撞檢查更為困難。

在BIM三維模型中，通過布爾運算直接完成鋼板開孔，通過軟件自帶碰撞檢查功能避免空間碰撞。

出圖與成果應用

圖紙繪制

Inventor軟件可直接使用三維模型進行二維圖紙繪制，可放置不同的立面、平面視角，也可對模型進行剖切和局部大樣圖繪制，減少了人工繪圖錯誤。另外，Inventor中圖紙與模型聯動，模型修改與圖紙更新一體化，省去重復修改，提高設計效率。同時對結構進行可視化展示，并通過三維軸測圖深化圖紙，使工程表達更加直觀、詳細。目前，Inventor在數量統計方面功能尚未完善，需進一步開發。

局部計算

在設計過程中，通常需要對結構局部構造進行有限元分析。主塔空間結構、鋼結構細部構造復雜，常用有限元軟件建模方法復雜，效率難以提高。

借助已建立BIM三維模型，導入Hypermesh軟件即可直接進行網格劃分，完成相關設置，使用常用有限元軟件進行計算。BIM-Hypermesh-有限元軟件聯合計算，計算模型與設計模型一致，模型精準度高，避免重復勞動，提高設計效率。

成果展示

以往的二維設計中，成果展示通常為平面二維圖紙。若要三維展示，則需另外建模，工作量大。利用現有BIM三維模型，可對設計成果進行精確展示，包括對整體方案和局部復雜構造的展示。也可將三維模型導入PowerPoint、Word等辦公軟件，實現設計-匯報一體化，視覺表達更直觀。

總結

主塔整體結構模型采用“自頂向下”建模方式，符合常規設計流程和設計習慣。通過整體模型分割、衍生，上下級模型聯動，實現上級模型整體控制，下級模型深入細化，形成聯動模型組。整體模型修改后，設計變更能自動傳遞到相關節段,實現整個模型組自動更新。

采用“自底向上”的建模方法建立索塔錨固結構模型，思路簡單，單個模型參數少。通過模型重用能快速生成大量同類模型。“自底向上”方法適用于控制參數多、尺寸約束多，且結構定位相對容易，輪廓尺寸與整體關聯不大，無需通過整體控制的結構。

通過參數化建模，實現整個設計過程參數化驅動，采用幾何約束與尺寸約束項結合的方式建模，便于設計周期內快速準確進行方案調整與模型修改。

建模出圖一體化，減少了人工繪圖錯誤。圖紙與模型聯動，模型修改與圖紙更新一體化，省去重復修改，提高設計效率。在數量統計方面功能尚未完善，需進一步開發。

多軟件協同工作，實現“BIM+hypermesh+有限元軟件”協同計算一體化和“BIM+辦公軟件”設計-匯報一體化。

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