長安街西延永定河特大橋是一座極具動感與張力的現代城市化景觀橋樑，不僅結構外形新穎、景觀效果獨特，同時由於其新穎的空間曲面結構形式，給設計和施工控制帶來了巨大的挑戰。大橋設計團隊通過大膽引入CATIA設計平台，並反覆實踐，探索出了一套適應於複雜曲面鋼結構橋樑的創新設計方法與思路，為大橋設計的順利完成、項目的順利實施奠定了基礎。
長安街西延永定河特大橋斜跨現況永定河蓮石湖區，斜交角度約57°，永定河特大橋主橋採用斜拉組合體系橋，其中主跨為280m，橋樑標準寬度47m。由於大橋與河道斜交，為滿足行洪要求，主塔塔肢根部在順橋向有25m邁步，使主塔形成傾斜不對稱扭轉變截面鋼箱形式。
大橋體系在高塔處為塔梁墩固結，矮塔處為塔梁固結，且在梁底設置單向活動支座。索塔採用全鋼結構拱形塔柱，高塔橋面以上高約114m，矮塔橋面以上高約66m。主梁採用分離式變截面鋼箱，中間採用大橫樑連接，橫樑間距3m，中跨主梁為變寬，寬度47～54.9m，邊跨主梁標準寬度為47m。
本橋最大特點之一就是鋼塔超常規曲板造型，常規二維設計方法對本橋設計基本無法適應。基於這個原因，大橋設計團隊藉助BIM三維設計技術，替代傳統的二維設計方法，為大橋設計的順利完成打下了堅實的基礎。
永定河特大橋三維模型
系統平台個性化轉變
達索系統涉及土木工程領域的相關設計平台有：項目協同管理平台ENOVIA、設計建模平台CATIA及Digital Project、建築性能分析平台SIMULIA（Abaques）、施工模擬平台DELMIA、虛擬現實交互平台3DVIA等幾大類軟體平台，涵蓋了土建行業所涉及的項目全壽命周期管理所有相關內容。
參數化協同設計
協同設計需要搭建統一的協同設計模型構架，第一步就需要對項目整體進行拆分，即搭建「設計骨架」。根據大橋的特點，主要將其拆分為如下幾個大部件。再在大部件的基礎上，將各個主要部件進一步進行分解，逐步落實到每一個零件上進行設計。
拆分前的部件可以通過裝配先進行條件關聯，則拆解後的零件之間就可以獨立進行設計，達到協同設計的目的。當然也可以先分別進行部件設計，再後期進行裝配。對於本橋而言，後者的控制難度較大，卻比較適應常規標準化的建模工作。
參數化設計是三維設計軟體的又一個基本特點，也是傳統二維設計手段的一個基本區別所在，參數化設計的一個突出優點就在於設計調整時，通過參數的改變可以很方便地實現自適應調整。如在設計過程中根據需要設置一些設計後期可能會出現調整的參數，如板厚、加勁肋高度、孔的尺寸等，能極大地降低設計後期的調整工作量。
對於大橋的參數設置，主要按部件進行分類分別設置了相關控制性參數，如高塔部件參數就設置了翼緣板參數、腹板參數、鋼錨箱腹板參數、塔底加強板參數、錨區參數、橫隔板參數等各種參數，方便後期調整，提高了後期設計修改效率。
「骨架+模板」設計方法
「骨架」顧名思義是一個項目中的骨骼框架，是一個項目的控制性要素。而「模板」實例化後的特徵如同骨骼上的肌肉，能夠隨著骨架的調整而自適應性調整，達到骨架控制部件特徵的目的。
全橋「骨架」示意圖
模板使用
下面簡單介紹幾種大橋項目中應用較多的模板形式。
1.POWERCOPY
POWERCOPY即超級副本，其功能與通常的複製功能差不多，是比較簡單的模板功能之一。
超級副本實例化時會在選定的幾何圖形集下新生成一個特徵。超級副本實例化後其所有操作流程都會保留，但新生成特徵中跟外部相關的公式關係式不會被保留。
2.UDF
UDF(User Feature Definition)即「用戶特徵定義」，它是一種封裝後的特徵，與POWERCOPY不一樣，UDF實例化後，原有流程不會再出現，僅給出實例化後的特徵及發布的參數等。這種形式的模板在CATIA里使用頻率是比較高的一種，也是比較方便使用的一種模板。UDF可以類似POWERCOPY一樣被實例化，也可以被Catalog收錄後被引用實例化，同樣也可以被PKT或VBS等腳本語言所調用後實例化。
生成UDF時可以事先在選項「Parameters」中對需要調整的參數進行發布，便於後期調整，沒有發布的參數後期將無法調整。
實例化UDF時可以產生若干個特徵結果和參數，實例化後的結果可以通過預定義好的參數進行調整，可以顯示或隱藏，但是不能像POWERCOPY一樣在流程上被編輯修改。
UDF在CATIA中是一種比較靈活的模板，它可以定義不同類型的特徵，也可以將不同的特徵定義在同一個UDF中，還可以比較方便地被其他程序所調用。
3.文檔模板
文檔模板與前面幾類模板不一樣，前面幾類模板如POWERCOPY或UDF都是針對特徵而言的，而文檔模板是針對文檔部件而言的，它是以零件為單位進行實例化。文檔模板在實例化部件的同時還可以附著二維圖文檔，也就是三維模型與預定義的二維圖同步進行實例化，在一些比較規則的結構中，可以大大簡化工作量。
除此之外，LOOP循環、PKT、VBA等均可以創建及調用模板。
碰撞檢查及曲面優化
碰撞檢查是三維設計軟體具有的一項較為特殊而實用的功能，通過它可以儘可能地消除人為因素引起的衝突問題，減少施工過程中因空間干涉引起的變更，減少返工，節約工期。
對於本項目而言，通過對比各種曲面成型方式，最後確定選取直紋掃略面作為本項目曲面的主要形成方式。採用直紋掃略面的優點主要有如下兩點：
一是對於不規則空間曲線，直紋掃略形成曲面時能夠使形成後的曲面的高斯曲率較優，便於後期加工時曲面展開，同時也便於節段塊件的成型控制。
二是直紋掃略面的控制條件除了兩條引導曲線（Guide curve)外，還有一條脊線(Spine)作為控制條件。對於比較簡單的直紋掃略面而言，引導曲面間的掃略直線與脊線始終保持垂直關係,這樣在節段劃分時，就可以使垂直於脊線的節段埠四邊始終保持直線，便於後期節段吊裝時的精度控制。
本橋橋塔造型為傾斜的橢圓形拱圈，由於塔肢在順橋向的「邁步」，同時塔肢由底部的矩形變化到頂部的平行四邊形，使橋塔壁板形成空間扭曲形式，塔柱壁板由壁板邊線及塔柱輔助軸線通過直紋掃略形成。
長安街西延永定河特大橋項目，作為國內市政橋樑行業較早引入三維設計手段直接進行設計的工程案例，CATIA設計平台很好地適應了複雜鋼結構橋樑的設計工作，特別是對空間曲面及複雜的空間結構的合理設計，具有很好的適應性。
本文刊載 /《橋樑·BIM視界》雜誌 2019年 第3期 總第10期
作者 / 李健剛 楊冰 寧曉旭
作者單位 / 北京市市政工程設計研究總院有限公司第一設計所