水工三維配筋研究

柏 楊 鄭斐冉 郝楓楠

（華北水利水電大學(xué) 河南鄭州 450011 黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司 河南鄭州 450003）

水工三維配筋研究

柏 楊 鄭斐冉 郝楓楠

（華北水利水電大學(xué) 河南鄭州 450011 黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司 河南鄭州 450003）

當(dāng)前計算機(jī)CAD技術(shù)已經(jīng)滲透到各行各業(yè)，極大的提高了社會生產(chǎn)力，近年來CAD技術(shù)的三維化成為新的趨勢，并且已經(jīng)在航空航天、汽車制造等行業(yè)廣泛應(yīng)用，大大縮短了產(chǎn)品設(shè)計周期、降低了設(shè)計成本。然而三維CAD技術(shù)在工程領(lǐng)域尤其是水工設(shè)計領(lǐng)域的運用依然很不成熟，水工鋼筋圖仍然大量使用傳統(tǒng)方法繪制，耗時耗力。在這種情況下積極借鑒三維CAD技術(shù)在工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域的成熟技術(shù)，將其引入到水工設(shè)計中去是十分有意義的。本文闡述了計算機(jī)輔助配筋軟件的發(fā)展概況，介紹了VisualFL三維配筋系統(tǒng)在水工設(shè)計中的應(yīng)用，實現(xiàn)“三維建模、三維配筋、二維出圖”的設(shè)計流程。

水工設(shè)計；VisualFL；三維配筋

1.計算機(jī)輔助配筋軟件發(fā)展現(xiàn)狀

在水工設(shè)計中，鋼筋圖的繪制是一項極為繁瑣的工作，它的主要難點就在于鋼筋是分布于鋼混結(jié)構(gòu)內(nèi)部的，設(shè)計人員必須憑借空間想象能力將這種分布在腦海中構(gòu)建出來并且通過截取典型剖面的方法將其表達(dá)到二維圖紙上，除此之外還要將所有同規(guī)格的鋼筋匯總編號，統(tǒng)計出每種鋼筋的鋼筋量，匯編成鋼筋表，在遇到形狀不規(guī)則的鋼混結(jié)構(gòu)體時鋼筋圖的繪制十分困難并且極易出錯。因此發(fā)展計算機(jī)輔助配筋技術(shù)是十分有現(xiàn)實意義的。我國西北勘測設(shè)計院于80年代末開發(fā)了廊道配筋系統(tǒng)，中南勘測設(shè)計院于90年代初開發(fā)了隧道計算和配筋系統(tǒng)，以及武漢大學(xué)的丁宇明教授等多年在廊道CAD方面進(jìn)行了大量的研究工作，提出了“積木式”的解決方案，也取得了一定研究成果,同時武漢大學(xué)也在水工專用數(shù)據(jù)庫上面做出過一些有意義的探索[1-3]。河海大學(xué)在板梁和閘門的CAD系統(tǒng)也進(jìn)行了很多研究工作。天津勘測設(shè)計院進(jìn)行了廠房CAD的研究和應(yīng)用。這些軟件一般只是專注于解決某一特定結(jié)構(gòu)的配筋問題，不能在各種水工結(jié)構(gòu)中普遍適用。VisualFL三維配筋可以直接利用CATIA中建立的三維模型，通過面配筋、線配筋等功能實現(xiàn)在三維模型中排布鋼筋，并通過剖視、投影功能實現(xiàn)任意截面的鋼筋分布圖繪制，真正實現(xiàn)了對各種水工結(jié)構(gòu)的適配。

2.鋼混結(jié)構(gòu)分析

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)主要包括受壓的混凝土和受拉的鋼筋，混凝土結(jié)構(gòu)形成了水工建筑物的的外在輪廓，要完整準(zhǔn)確的描繪出布置在混凝土內(nèi)部的鋼筋是較困難的，需要設(shè)計人員具備較強的空間想象能力。在鋼混結(jié)構(gòu)中，鋼筋一般是在結(jié)構(gòu)體表面下布筋，且必須留有一定厚度的混凝土保護(hù)層(鋼筋外邊緣至混凝土表面的距離)，以防止鋼筋受到銹蝕，鋼筋的布置走向和附近混凝土的表面形狀輪廓近似，包括縱向鋼筋和橫向鋼筋，以滿足力學(xué)及構(gòu)造要求。以涵洞為例，縱向鋼筋多為貫通筋，一般與涵洞軸線方向平行布置；橫向鋼筋多為架立筋，一般與涵洞軸線方向垂直布置，兩者縱橫交錯，在空間上形成了一種三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

3.三維配筋的基本原理

3.1 剖面法

鋼筋的分布是一個三維的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而最終施工單位需要的只是一張平面的施工圖紙，因此就需要在鋼混結(jié)構(gòu)上選取典型剖面，并繪制出剖視圖或投影圖，將三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)表達(dá)到平面圖紙上去，此即剖面法的基本出發(fā)點。同樣以涵洞段的橫向受力鋼筋為例，可以通過一系列與涵洞軸線垂直的平面剖切涵洞結(jié)構(gòu)，剖切面與涵洞的外表面和內(nèi)表面會形成一系列截交線，這些截交線的形狀走向與鋼筋是類似的，對這些截交線進(jìn)行錨固處理（延長、加圓鉤、柵鉤等）后就可以得到相應(yīng)鋼筋的形狀，然后再偏移一個保護(hù)層厚度，就可以得到橫向受力鋼筋的實際分布情況。不難想象，作為與涵洞軸線平行的縱向鋼筋，在剖切面上會以點筋的形式出現(xiàn)，這樣就完成了縱橫兩種鋼筋的表達(dá)，通過對所有典型斷面的剖切，就可以得到涵洞的完整鋼筋分布圖?？偨Y(jié)下來步驟就是“平面剖切-交線偏移-鋼筋錨固”。VisualFL三維配筋系統(tǒng)可以直接讀取在CATIA中建立的鋼混結(jié)構(gòu)三維模型，然后使用剖面法對三維模型進(jìn)行剖切，就可以到得到一系列的鋼筋圖形信息。

3.2 鋼筋圖形分組

在鋼筋圖中，一個重要內(nèi)容就是鋼筋表，它是施工投資預(yù)算和施工圖階段工程量計算的重要依據(jù)，在鋼筋表中鋼筋是進(jìn)行分組表示的，分組原則是在鋼筋類型相同（鋼筋級別、直徑相同）的前提下將形狀相似（等長或長度連續(xù)排列的直線、弧線）的鋼筋編為一組，這種鋼筋匯編的過程是十分繁瑣的，而要實現(xiàn)計算機(jī)自動匯編鋼筋就涉及到一個圖形相似匹配的問題。在上一節(jié)通過剖面法得到了一系列的鋼筋圖形信息，VisualFL通過幾何編碼的方式來進(jìn)行圖形匹配，從而實現(xiàn)鋼筋分組。

鋼筋的特征分為實體屬性和幾何屬性，實體屬性包括直徑、鋼筋級別等，幾何屬性即鋼筋特征曲線的幾何屬性。在用字符串編碼時應(yīng)該將鋼筋的實體屬性和幾何屬性都表達(dá)出來：用C表示閉環(huán)鋼筋，用O表示開環(huán)鋼筋；用四位數(shù)字表示直徑（單位統(tǒng)一為毫米）；用兩位數(shù)字表示鋼筋級別；用三位數(shù)字表示鋼筋共有幾段；用L表示直線鋼筋，用C表示曲線鋼筋。對于開環(huán)鋼筋，顯然有兩種編碼方式，即從首端或末端開始兩種，而同一根鋼筋的編碼應(yīng)具有唯一性，因此應(yīng)當(dāng)只保留其中較大的一個作為該開環(huán)鋼筋的編碼。對于閉環(huán)鋼筋，分為兩種情況：若鋼筋存在拐點即閉環(huán)不全為圓弧段，那么從閉環(huán)的每一個拐點進(jìn)行編碼，然后比較所有的編碼，保留其中最大的一個作為該閉環(huán)鋼筋的編碼。若鋼筋不存在拐點即閉環(huán)完全由圓弧段組成，選取其中直徑最大的一段圓弧，從該圓弧的兩個端點分別沿逆時針和順時針方向編碼，在得到的四組編碼中保留最大的一個作為該閉環(huán)鋼筋的編碼。以直徑18mm的三級幾字形鋼筋為例，鋼筋為開環(huán)用O表示；直徑為18mm，表示為0018；為三級鋼，表示為03；共有五段，表示為005；這五段分別為直線段、直線段、弧線段、直線段、直線段，表示為 LLCLL，由此得到該開環(huán)鋼筋的一個編碼為O001803005LLCLL，顯然對于這種軸對稱圖形從兩端編碼的結(jié)果是完全一致的，因此最終的字符串編碼即為O001803005LLCLL。由此鋼筋圖形被轉(zhuǎn)換為字符編碼，通過對字符串對比即可將所有鋼筋編組，并生成鋼筋表。

3.3 鋼筋出圖

通過VBA二次開發(fā)技術(shù)定制專業(yè)工具，可以將VisualFL中生成的鋼筋圖形和鋼筋表信息導(dǎo)入到AutoCAD中，按照傳統(tǒng)二維出圖方式出圖，達(dá)到“三維建模、三維配筋、二維出圖”的目的。

4.總結(jié)

總結(jié)VisualFL的設(shè)計流程，可以用十二個字表達(dá)，那就是“三維建模、三維配筋、二維出圖”，三維配筋的過程是十分直觀的，但是最終還是要在二維圖紙上表達(dá)出來，二維出圖的工作量占了相當(dāng)大的一部分，專家審查會看的是紙質(zhì)圖集、現(xiàn)場施工依據(jù)的也是紙質(zhì)圖集?？梢詴诚肴绻幸惶烊鐣颊嬲龑崿F(xiàn)了無紙化辦公，現(xiàn)場施工可以通過平板電腦甚至VR技術(shù)閱讀圖紙，那么將實現(xiàn)建設(shè)項目全周期的三維化，也許這才是三維設(shè)計的最終進(jìn)化形態(tài)，我期待著這一天的到來。

[1] 張玉峰,丁宇明,阮新建.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu) CAD 軟件研究[J].工程圖學(xué)學(xué)報,1995，2:78-84.

[2] 阮新建，張恣蘭.壩內(nèi)斜交廊道鋼筋CAD 軟件研究[J].武漢水利電力大學(xué)學(xué)報,1995,28(5):488-493.

[3] 夏唯,丁宇明.廊道 CAD 軟件的模塊拼接技術(shù)[J].武漢水利電力大學(xué)學(xué)報,1998,31(5): 99-102.

G322

B

1007-6344（2016）03-0340-01

?