基于CATIA的典型结构桥梁三维参数化设计技术研究

基于 CATIA的典型结构桥梁三维参数
化设计技术研究
摘要：为了解决钢结构桥梁工业化生产中的生产决策问题和快速下料问题，保证钢结构桥梁的广泛推广。

本文基于CATIA平台，展开了典型结构桥梁三维参数化设计方法的研究。

根据典型桥梁的结构特点，开发了基于CATIA的参数化桥梁建模方案，并在126省道南京江宁区段改扩建工程成功应用，这种设计模式在桥梁工程设计、施工、运营的各个阶段可实现快速建模，使桥梁工程的建模周期缩短了25%，大大提高了设计效率。

关键词：CATIA；桥梁；三维模型；参数化
0引言
随着现代桥梁建设的发展，桥梁结构越来越复杂，需要建立和计算大量的数据。

传统设计软件的弊端日益明显，随着BIM技术的出现，如何向参数化、信息化转变，基于BIM技术进行桥梁参数化设计，减少工作量，提高工作效率，已成为一大难题[1]。

参数化设计需要通过相关的参数化软件实现技术约束与设计结果之间的交互[2]。

设计师可以优化设计和设计创新。

通过调整设计参数，使得桥结构在工程领域有很强的逻辑性，这一点尤为明显，桥结构设计以线型为基线，在基线方向上有一个相对特定的截面形状，相关的规则和元素组合是固定的。

构件按各自的逻辑用线与线型连接起来，通过改变相应的参数来达到改变设计方案的目的[3]，如果能利用BIM技术进行参数化设计，相应地调整参数，进行系统优化，就有利于提高项目设计效率，解放生产力，达到事半功倍的效果[4]。

1典型桥梁结构参数化建模特点及方法
1.1 参数化建模特点
基于CATIA的参数化设计是指用约束命令来表示桥梁模型形状的特征，从模
型中提取几个主要尺寸，并将定位和测量作为用户定义的变量。

其他相关维度将
通过一些公式进行计算和修改，完成数据库的驱动和更新，其参数化特点如下。

（1）自定义参数：建立不同类型构件的参数可以通过用户自由设定参数值。

（2）全尺寸约束：在模型设计中，单个图形的尺寸是有限的，不可忽略，
几何图形的变化仅限于图形大小。

（3）参数驱动尺寸修改：参数化建模是基于标准图来加以限制的。

通过修
改设计参数来调整模型大小。

（4）数据关联：通过更改模型的总体尺寸限制和参数，设计模型可以自动
更新其他相关尺寸的限制。

（5）结构树：在结构树中可以保存配置和参数变化的设计过程，在设计过
程中修改模型参数。

（6）参数化模板：通过知识工程模块可实现参数化和模型设计，其提供了
先进的模板组件，这些组件是标准化和可重用的。

1.2 典型桥梁结构参数化建模方法
通过CATIA里的设计模块可以创建不同种桥墩、桥梁和一般结构。

在建立桥
梁模型之前，应根据其技术知识和特点，对桥梁结构进行分析。

匹配工程设计过
程中的三维BIM模型。

确保三维参数化模型的结果在工程中形成数据传输、引用
和数据联动。

2基于CATIA典型桥梁参数化建模方案
2.1 桥梁节段结构及参数确定
在建立桥梁三维模型之前，先识别桥梁模型中的参数变量，然后探寻不同参
数之间的内在联系，快速设计出符合要求的分段模型，描述模型的几何信息参数
数量会不同程度地引起模型变化，模型的精细程度由用户控制，可以相互独立地
改变。

图1 标准节段轮廓模型
2.2 桥梁节段标准件参数化设计实现
模型构件的设计参数由知识工程模块中的个性化功能表示，同一类型的模型
构件的设计参数也可以存储为通用构件，主要体现在尺寸关系、尺寸限制、尺寸
标注及特征关系等。

同一类型的标准零件可以合并到目录库中，建模时可直接从
目录中获取，以减少设计误差，提高桥梁施工效率。

（1）CATIA V6环境的设置
由于CATIA软件里不能表示模型参数和项目树之间的关系。

由于知识模块的
使用频率较低，必须设置Caita环境，并在结构树表示支持参数更改的参数。

（2）驱动参数与模型创建
桥梁模型构件的参数化驱动模型的创建过程如下：
1）确定控制参数。

首先应确定该桥的特征参数，例如桥梁的高度h，宽度b，腹板厚度t等。

2）实现参数与几何尺寸的联动。

描述模型构件的截面形状，对轮廓尺寸设
置各个方向的限制，结合公式编辑器，使得几何尺寸与控制参数结合起来，定义
尺寸和公式。

3）创建实体模型。

通过对桥梁模型的外边线绘制完成后，随后进入零件设
计模式，点击凸台功能，制作三维桥梁模型，与模型拉伸的参数化方法相同。

图2 驱动参数设置与实体模型创建
（3）设计表设置
项目表是通过桥梁构件模型自动生成的，项目表中的数据行可以自动链接到组件的几何尺寸。

通过更新模型参数和项目表的连接功能，可以加快速度，而无需重新建模。

设计表的设置步骤具体如下：
1）创建设计表，通过点选构件模型中的不同类型的控制参数，统一汇总到设计表中，包含桥梁模型的特征参数b、h、t、r1和r。

2）在弹出窗口中，点击按钮断开设计表，打开excel，并在表中输入一组已定义的默认参数值，“项目表”窗口中的数据自动更新为excel数据，项目表控制参数的数据配置完成。

3）设计表验证。

当数据行在项目表中被选择，单击对话框中的应用程序按钮。

CATIA主界面中的模型将立即更新为带有参数函数附加尺寸的模型。

图3 桥梁模型单元参数化设计表
（4）目录文件的创建
创建目录库文件要以设计表文件为基础，再与构件模型联合运行，从而生成Catalog文件，创建过程如下：
1）创建模型标准库。

创建新的文档类型文件，在库结构树中添加新的章节
或行，设置组件系列，选择默认catpart文档，并创建相应的目录库文件，通过
文件调用模板。

2）调用模型标准库。

使用CATIA V6打开目录文件后，使用目录浏览器功能
打开默认库，预览特定的Catalog Browser文件参数配置，并应用已定义参数的
模板在目录树中查找标准零件，将要设置参数的行拖到目录库浏览器窗口的外侧，就可以实现在主界面加入标准件的目的。

图4 桥梁参数化模型目录文件创建
（5）标准件库信息存储
在未来的桥梁建模过程中，标准构件直接保存在本地文件夹中，定义构件名
称（构件模型），配置的构件路径为XML文件，用户通过模块模板在界面选择中
选择类型，加载XML配置并装配。

3应用实例
126省道南京江宁区段改扩建工程，工程起自普觉寺附近接126省道雨花台
区段，项目全线从绕越高速至银杏湖大道有长约6.5km的高架桥，从三环至S445
有长约5.5km的高架桥，桥梁占比约30%，新建跨河桥梁10座，长518米，其中
大桥2座，长212米，主线跨线桥9座，长1496米。

主线高架和互通匝道桥以
钢混组合箱梁和钢混组合板梁为主；对于沿线地面桥主要是以跨径20m以下的预
制混凝土空心板桥为主。

图5 主线高架效果图
（1）在设计阶段，依据设计图纸进行分类，对桥梁上、下部结构在平曲线
骨架上进行参数化建模。

通过对设计方案的分析，得到了该桥结构的几何信息，
每个模型都包含几何数据，如桩基之间的距离、长度、直径等，并进行了参数化。

上部结构主要根据箱梁截面的截面尺寸生成参数化模型。

（2）在施工阶段，结合设计过程数据和施工参数，对桥墩和箱梁模型进行
拆分细化，满足项目管理和验收要求。

（3）在运维阶段，根据项目模型，在运行过程中集成BIM管理平台的项目
信息，对三维可视化模型进行空间上的管理和设备方面的维修。

4 结论
结合桥梁工程设计、施工、运营阶段的资料和桥梁配置规则，建立了基于CATIA的桥梁参数化建模技术方案，该方案也适用于126省道南京江宁区段改扩
建工程，在桥梁工程设计、施工、运营的各个阶段可实现快速建模，使桥梁工程
的建模周期缩短了25%，下一步将继续进行三维正向设计研究，为后续系统的开
发设计奠定了基础。

参考文献
1.
孙建诚,蒋浩鹏,杨文伟等. 基于BIM的三维参数化桥梁标准建模方法研究[J]. 重庆交通大学学报(自然科学版),2019,v.38;No.213(10):19-24.
2.
李兴,王毅娟,王健. 基于CATIA的BIM技术在桥梁设计中的应用[J]. 北京建筑大学学报,2016,v.32;No.107(04):13-17.
3.
程耀东,王堃,张丽萍. 桥梁三维参数化建模研究[J]. 公路工
程,2015,v.40;No.173(04):74-77+121.
4.
汤圣君,张叶廷,许伟平等. 三维GIS中的参数化建模方法[J]. 武汉大学学报(信息科学版),2014,v.39(09):1086-1090+1097.
基金项目：江苏省交通科学研究计划项目资助（2019Y69）
孟祥荫，男，1994.07，山西大同，硕士，助理工程师，土木工程。