基于BIM技术的钢桁架拱桥设计及信息管理研究

摘要

目前，BIM(建筑信息模型)的应用已逐渐从建筑领域扩展到市政、交通、水利等领域，但在桥梁工程中的应用和研究还很少见。由于钢桁架拱桥的设计复杂，施工难度大，异型构件众多，信息庞杂，其高效设计和有效的信息管理具有桥梁工程的典型性，本文开展基于BIM技术的钢桁架拱桥设计及信息管理研究。以天府新区北京西段锦江桥为背景工程，采用突破传统设计方法的三维结构设计方法进行设计，通过有限元计算分析获得性能信息，并对结构和性能信息进行分类和管理。
　　将国际上的建筑业信息分类体系ISO12006-2、Uniclass、OmniClass和我国CBIMS(中国建筑信息模型标准)分类体系进行比较，发现各体系均基本覆盖或力图覆盖建筑生命周期内所有信息，而各体系具体分类表在ISO12006框架下互有借鉴和融合。为实现桥梁BIM设计及信息管理，根据我国建筑信息分类体系中的建设成果、建设资源和建设进程三类分类对象，提出以“结构实体”、“结构性能”和“生命周期”三维度集成的桥梁工程信息模型空间。将其中的实体结构信息进一步拆分为体系信息和构件信息，以实现结构信息的标准化组织，同时服务于结构三维设计。分析基于BIM平台的三维设计和传统二维设计的差异，阐述桥梁工程三维设计的必要性。通过实体模型等级深度的定义，划分参数控制线等级，构件族库的标准化建立维护等措施，实现钢桁架拱桥的高质量参数化设计和高效率协同设计。
　　在面向结构性能的钢桁架拱桥的BIM信息管理中，首先通过有限元分析获得结构挠度、内力和应力等典型原始性能信息，然后根据我国建筑信息分类和编码体系，以文本、图形、原始数据等形式实现原始性能信息的分解。但这些信息难以直接集成到信息模型空间中，因此提出以名义安全度和安全度等级作为指标表征性能信息的方法，并应用于背景工程。以关键构造拱铰的技术设计为例，采用基于BIM的三维结构设计方法，并根据赫兹理论和有限元分析获得拱铰性能差异信息，并采用名义安全度等指标表征拱铰性能差异信息。通过拱铰的应用实践，进一步体现BIM信息组织需同时面向结构实体和结构性能的特点。
　　对于以结构和性能为核心的钢桁架拱桥全寿命信息管理，分析其从规划设计、施工及运营维护各阶段信息的流动。并构建以结构和性能为核心钢桁架拱桥全寿命信息管理理论模型，以吊杆的结构损伤和抗力衰减为例进行实例模拟。吊杆分析实例表明本文所构建的理论模型是可行的，同时表明以名义安全度等指标表征性能信息的方法，可以实现钢桁架拱桥全寿命性能信息管理。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 钢桁架拱桥设计

1．2．1 钢桁架拱桥的特性

1．2．2 钢桁架拱桥的设计流程

1．3 建筑信息模型(BIM)的发展

1．3．1 BIM概念的起源和定义

1．3．2 BIM在国外的应用

1．3．3 BIM在国内的应用

1．4 BIM在桥梁工程中的应用

1．4．1 桥梁工程在BIM集成中的层级

1．4．2 桥梁工程BIM的应用目标

1．4．3 桥梁工程BIM的应用范围

1．5 本文工程背景及主要工作内容

1．5．1 工程背景

1．5．2 本文主要工作内容

第2章 基于BIM的建筑信息分类和编码体系

2．1 建筑业信息标准化

2．1．1 信息分类

2．1．2 信息编码

2．2 建筑业信息分类体系

2．2．1 传统建筑信息分类和编码体系

2．2．2 现代建筑信息分类和编码体系

2．2．3 我国CBIMS建筑信息分类和编码体系

2．3 基于信息标准化的桥梁工程信息模型空间

2．4 本章小结

第3章 钢桁架拱桥的结构信息和三维设计

3．1 钢桁架拱桥的结构信息分解

3．2 钢桁架拱桥的体系分类

3．3 钢桁架拱桥的构件分类

3．3．1 构件拆分、命名和设计参数总体原则

3．3．2 钢桁架拱桥构件拆分

3．4 基于BIM技术的钢桁架拱桥结构设计

3．4．1 基于BIM技术的三维设计

3．4．2 桥梁工程模型等级

3．4．3 钢桁架拱桥的三维建模技术

3．5 本章小结

第4章 钢桁架拱桥的性能分析及信息管理

4．1 钢桁架拱桥空间有限元模型

4．2 材料

4．3 荷载和工况

4．4 全桥受力性能

4．4．1 结构挠度

4．4．2 标准值组合作用下的全桥受力性能

4．4．3 极限承载力组合作用下的全桥受力性能

4．5 钢桁架拱桥性能信息分解

4．6 以性能指标集成钢桁架拱桥性能信息

4．6．1 以名义安全度表征性能信息

4．6．2 以安全度等级表征性能信息

4．7 本章小结

第5章 钢拱铰构件的技术设计及信息管理

5．1 钢桁架拱桥拱铰的选型和设计

5．1．1 桥梁钢支座的常用形式

5．1．2 桥梁支座支承结构的接触理论

5．1．3 拱铰设计

5．2 非线性有限元接触分析

5．2．1 有限元接触分析理论

5．2．2 有限元模型

5．2．3 平面应变圆柱接触有限元分析

5．2．4 拱铰三维弹性有限元分析

5．2．5 拱铰三维弹塑性有限元分析

5．3 拱铰技术设计信息获得过程分解

5．4 以性能指标表征拱铰性能差异信息

5．4．1 不同分析方式的拱铰安全度

5．4．2 不同半径的拱铰安全度

5．5 本章小结

第6章 钢桁架拱桥全寿命信息管理

6．1 桥梁工程信息流动

6．2 钢桁架拱桥全寿命信息管理理论模型

6．3 钢桁架拱桥吊杆全寿命信息管理实例模拟

6．3．1 中下承式拱桥吊杆行为

6．3．2 吊杆基准信息模型

6．3．3 吊杆初始信息模型

6．3．4 吊杆运营信息模型

6．4 本章小结

结论

致谢

参考文献