水工結(jié)構(gòu)全自動(dòng)布筋設(shè)計(jì)方法

楊新軍,朱文婷

(1.長江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,湖北武漢 430010;2.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院,江蘇南京 210098)

CAD技術(shù)的發(fā)展已突破一貫的二維交互設(shè)計(jì)模式,要求實(shí)現(xiàn)全過程三維可視化設(shè)計(jì),包括利用三維模型生成工程圖。鑒于三維設(shè)計(jì)在鋼結(jié)構(gòu)、管道等結(jié)構(gòu)的成功應(yīng)用[1-2],采用三維技術(shù)實(shí)現(xiàn)水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為現(xiàn)實(shí)要求。長江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院主持研制的水工建筑物三維可視化CAD系統(tǒng),針對(duì)水工結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變的特點(diǎn),在已建模的水工建筑物上布設(shè)立體鋼筋,可針對(duì)任意體型的水工建筑物進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),已應(yīng)用于其承擔(dān)的眾多開工項(xiàng)目中[3]。設(shè)計(jì)人員通過拾取布筋結(jié)構(gòu)面,指定布筋方向和范圍,系統(tǒng)可創(chuàng)建出鋼筋立體模型,并自動(dòng)生成二維施工圖及信息表,顯著提高了設(shè)計(jì)工作效率。但是該系統(tǒng)存在以下不足:用戶需要逐個(gè)拾取面,比較繁瑣,特別是在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、結(jié)構(gòu)面很多時(shí)人工交互工作量非常大,甚至容易漏面或重復(fù)布筋。鑒于此,本文對(duì)此進(jìn)行改進(jìn),提出全自動(dòng)布筋方法。采用該方法,設(shè)計(jì)人員只需指定某方向的配筋參數(shù)(鋼筋直徑、間距等),無需逐一選面,該方向鋼筋可全部自動(dòng)生成。在實(shí)際工程中的應(yīng)用表明,改進(jìn)后的系統(tǒng)不僅效率高,操作也更加簡(jiǎn)單。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 鋼筋建模原理

三維鋼筋的構(gòu)造應(yīng)自動(dòng)化程度高,用戶操作簡(jiǎn)單快捷,否則難以提高效率,影響其實(shí)用性和生命力。當(dāng)前流行的三維造型系統(tǒng)中,最常見的基本造型方法是拉伸、掃掠、放樣、曲面等。圖1顯示了幾種常見實(shí)體建模方法:拉伸——先在1個(gè)拉伸草圖平面上繪制閉合的拉伸輪廓線,然后拉伸草圖輪廓線沿垂直于草圖平面的方向拉伸形成1個(gè)拉伸實(shí)體;掃掠——先在互不平行的2個(gè)草圖平面上分別繪出掃掠輪廓線(閉合)和掃掠路徑線,然后掃掠輪廓線沿掃掠路徑線掃掠生成掃掠實(shí)體;放樣——先在n個(gè)草圖平面上作n個(gè)閉合的放樣輪廓,然后平滑放樣形成1個(gè)實(shí)體,使各個(gè)放樣輪廓線位于該實(shí)體表面。

鋼筋在混凝土中是一系列的線,因此鋼筋建模主要是如何構(gòu)造出這些線的立體信息[4]。對(duì)于水工建筑這樣的大體積混凝土結(jié)構(gòu)而言,控制性的受拉區(qū)通常位于混凝土結(jié)構(gòu)外表面,因此鋼筋主要位于結(jié)構(gòu)面上,且按某一方向分布排列。因此,在構(gòu)造鋼筋時(shí)可以基于這種相似性,提取結(jié)構(gòu)面沿鋼筋排列方向的離散信息,為生成鋼筋線提供支持。在操作上,通過一系列垂直于鋼筋排列方向的切面(平面)截切結(jié)構(gòu)外表面,得到一系列的截交線(這些截交線的形狀與鋼筋的形狀是相似的);再對(duì)這些截交線進(jìn)行適當(dāng)修正,就可以得到所需的鋼筋線,如圖2所示。

圖1 幾種常見實(shí)體建模方法

圖2 切面截切結(jié)構(gòu)表面得到鋼筋線

1.2 相關(guān)術(shù)語定義

全自動(dòng)布筋設(shè)計(jì)方法涉及以下術(shù)語:切面、環(huán)和鈍點(diǎn)。將切面定義為沿鋼筋布設(shè)方向建立足夠大的平面。如圖2所示,切面法線方向與鋼筋排列方向相同。切面按實(shí)際鋼筋間距依次與結(jié)構(gòu)體表面進(jìn)行求交運(yùn)算,得到的交線集就是原始鋼筋線。環(huán)是有序線段的集合。若環(huán)的首尾點(diǎn)重合,稱作閉環(huán)。每個(gè)切面與結(jié)構(gòu)體相交得到的交線集構(gòu)成至少1個(gè)閉環(huán)。鈍點(diǎn)是環(huán)上的1個(gè)端點(diǎn),它相鄰的2條線段在實(shí)體側(cè)的夾角大于180°。1個(gè)環(huán)上至少有1個(gè)端點(diǎn)是鈍點(diǎn)。如圖3所示,A點(diǎn)是鈍點(diǎn),B,C,D點(diǎn)都不是鈍點(diǎn)。

圖3 鈍點(diǎn)及判斷方法

鈍點(diǎn)可采用如下方法判斷:將某點(diǎn)相鄰的2條線段延長,若延長后的2個(gè)端點(diǎn)在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi),則該點(diǎn)是鈍點(diǎn);反之,則不是鈍點(diǎn)。因此,只要判斷出向交點(diǎn)方向延長后的端點(diǎn)位置關(guān)系,就可以判斷出該點(diǎn)是否為鈍點(diǎn)。

1.3 鋼筋線創(chuàng)建原理

位于鈍點(diǎn)兩側(cè)相鄰面上的2段鋼筋(如圖3的A點(diǎn)),為防止受拉后混凝土崩裂,它們不能連接成一根鋼筋,之間必須斷開,并作延長處理(錨固);不是鈍點(diǎn)的地方則可以連接(如圖3的 B點(diǎn))。這2種處理方式分別稱為“剪刀筋”處理和連接處理。鋼筋的首尾端點(diǎn)通常是鈍點(diǎn),故鋼筋的首段搜索從環(huán)上的鈍點(diǎn)開始。

圖4(a)為切面與結(jié)構(gòu)面求交后的鋼筋線環(huán)(原始鋼筋線),圖4(b)為修改后完整的鋼筋線。從圖4可以發(fā)現(xiàn),只要對(duì)前者進(jìn)行適當(dāng)處理,如對(duì)相鄰原始鋼筋線進(jìn)行連接或“剪刀筋”處理,就可以獲得滿足設(shè)計(jì)要求的完整鋼筋。因此,只要判斷出交點(diǎn)是否為鈍點(diǎn),確定相鄰鋼筋段的關(guān)系,就可以構(gòu)造出鋼筋的完整形狀。這意味著只要選好配筋方向和起始范圍,計(jì)算機(jī)就可以創(chuàng)建出結(jié)構(gòu)體各表面在此范圍內(nèi)某一方向的所有鋼筋。此方法不用逐個(gè)選面,也不會(huì)漏掉面,可以大幅度提高操作效率。

圖4 鋼筋線及結(jié)構(gòu)線

2 實(shí)現(xiàn)方法

改進(jìn)后的鋼筋創(chuàng)建算法包括:原始鋼筋線生成、鋼筋連接、鋼筋分組和鋼筋端頭處理等。

2.1 原始鋼筋線生成

鋼筋線由切面與各結(jié)構(gòu)表面布爾求交計(jì)算生成[5],因此需要確定好切面位置。通常情況下,配筋范圍總距離扣除首尾保護(hù)層厚度后,除以鋼筋間距得到切面數(shù)目,取整后再除總距離,得到調(diào)整后的實(shí)際間距,根據(jù)此實(shí)際間距可以定出所有切面位置。但是,若起始范圍內(nèi)有一些孔洞,則其附近切面位置可能距離孔洞邊緣不一定恰好是保護(hù)層厚度(很近或很遠(yuǎn)),這時(shí)需要調(diào)整切面位置。本文將配筋起始范圍劃分成幾個(gè)區(qū)域,在各區(qū)域內(nèi)根據(jù)孔洞位置,分別確定切面實(shí)際間距,這樣切面位置與附近孔洞邊緣的距離就是保護(hù)層厚度。

確定好配筋范圍內(nèi)的所有切面后,其與各結(jié)構(gòu)面分別求交,生成若干交線,即為原始鋼筋線。原始鋼筋線還要根據(jù)需要進(jìn)行修正,例如同一結(jié)構(gòu)面上的鋼筋被非孔洞斷開且斷開距離很小時(shí),需要恢復(fù)連接;若鋼筋長度由外表面控制,則要將線的端點(diǎn)坐標(biāo)替換成它與外表面的交點(diǎn)坐標(biāo)。

2.2 鋼筋連接

前面生成的交線是一些孤立的線段,需要適當(dāng)連接才能構(gòu)成完整的鋼筋線。有些相鄰的鋼筋線又需斷開成2段(即所謂“剪刀筋”)。具體步驟如下:①將原始鋼筋線首尾依次連接,形成一系列封閉環(huán);②尋找環(huán)上一鈍點(diǎn),從這點(diǎn)開始逆時(shí)針?biāo)阉?依次尋找相鄰邊,直到找到邊的另一個(gè)端點(diǎn)為鈍點(diǎn),其間找到的線連接成線串,形成一根完整的鋼筋;③從剩余鈍點(diǎn)開始繼續(xù)步驟②中的搜索,直至該環(huán)上所有邊都已搜索完成;④取下一個(gè)環(huán)開始繼續(xù)搜索。

2.3 鋼筋分組

為便于鋼筋在圖紙上的表達(dá)和統(tǒng)計(jì),相同和相似的鋼筋應(yīng)并入同一組。采用以下2個(gè)條件判斷:①各段所屬面相同;②鋼筋的起始面相同。具體步驟如下:①新建鋼筋組,將第一根鋼筋加入該組。②接下一根鋼筋處理,若其各段所屬結(jié)構(gòu)面與前面已創(chuàng)建的某鋼筋組相同,則此根鋼筋加入該組,否則新建鋼筋組并將該鋼筋加入。持續(xù)操作直至所有鋼筋都已處理完畢。③對(duì)前面各組鋼筋進(jìn)行修正,若相鄰鋼筋實(shí)際距離大于鋼筋間距,則新建鋼筋組并將該組內(nèi)后面的鋼筋移入新鋼筋組。

2.4 鋼筋端頭處理

鋼筋端頭處理有延長、彎折和不處理3種,可由用戶選擇。但有時(shí)根據(jù)情況要做些強(qiáng)制處理,如鋼筋首尾端點(diǎn)若重合,表明為封閉鋼筋(如箍筋),應(yīng)在彎折處理后延長1個(gè)焊接長度,延長后鋼筋端頭若到了結(jié)構(gòu)體外,則要另作彎折處理。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

改進(jìn)后的程序已運(yùn)用在長江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院承擔(dān)的烏江銀盤船閘、南水北調(diào)中線工程等項(xiàng)目的施工圖設(shè)計(jì)中[6]。設(shè)計(jì)時(shí)只需指定各方向的配筋參數(shù)(直徑、間距、保護(hù)層厚度等),無需選面,鋼筋可全部自動(dòng)生成,而且不會(huì)出現(xiàn)在某一面上重復(fù)配筋的情況,大幅度提高了設(shè)計(jì)效率,簡(jiǎn)化了人機(jī)交互操作程度。對(duì)少部分與設(shè)計(jì)意圖有差異的鋼筋,工程師可運(yùn)用系統(tǒng)提供的功能進(jìn)行可視化修改。圖5是采用本文方法得出的南水北調(diào)嚴(yán)陵河退水閘自動(dòng)布筋結(jié)果。

圖5 南水北調(diào)嚴(yán)陵河退水閘自動(dòng)布筋結(jié)果

4 結(jié) 語

本文提出了全自動(dòng)布筋設(shè)計(jì)方法,采用該方法用戶只需定義某方向的布筋參數(shù)(鋼筋直徑、間距等),就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)布設(shè)鋼筋。該方法的不足是一次操作中所有鋼筋的排列方向必須相同。但在有些結(jié)構(gòu)(如尾水管、蝸殼、牛腿)中,部分鋼筋的排列方向是不斷變化的。因此應(yīng)用在這類結(jié)構(gòu)中的部分鋼筋和本文設(shè)計(jì)要求有差異,尚需利用系統(tǒng)提供的可視化編輯功能修改,或者用傳統(tǒng)方法交互布筋。如何針對(duì)具體結(jié)構(gòu)的體型和配筋特點(diǎn),增加特殊部件的參數(shù)化配筋功能將是下一步工作即部件配筋研究的重點(diǎn)。

[1]SACKS R,EASTMAN CM,LEEG.Parametric 3D modeling in building construction with examples from precast concrete[J].Automation in Construction,2004,13(1):291-312.

[2]SACKS R,BARAK R.Impact of three-dimensional parametric modeling of buildings on productivity in structural engineering practice[J].Automation in Construction,2008,17(4):439-449.

[3]曾令華,楊新軍,亭子口大壩廊道自動(dòng)化出圖研究與實(shí)現(xiàn)[J].水利技術(shù)監(jiān)督 2010,18(5):34-36.

[4]錢玉森,李戰(zhàn)軍,鐘毅芳,等.水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)三維配筋CAD系統(tǒng)的方案及其實(shí)現(xiàn)[J].水利學(xué)報(bào),1999,30(5):26-29.

[5]楊新軍,李進(jìn)超,李江鷹.結(jié)構(gòu)配筋程序化設(shè)計(jì)在三峽永久船閘中的應(yīng)用[J].人民長江,1998,29(11):12-13.

[6]長江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.調(diào)水工程渠道及引水建筑物三維設(shè)計(jì)使用手冊(cè)[M].武漢:長江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,2011.