三維鋼筋建模統(tǒng)計及自動出樣方法研究

鄭 崗, 戴 瑋, 謝玉萌

(安徽省交通規(guī)劃設計研究總院股份有限公司 公路交通節(jié)能與環(huán)保技術及裝備交通運輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088)

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三維鋼筋建模統(tǒng)計及自動出樣方法研究

鄭 崗, 戴 瑋, 謝玉萌

(安徽省交通規(guī)劃設計研究總院股份有限公司 公路交通節(jié)能與環(huán)保技術及裝備交通運輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088)

應用BIM技術對預應力混凝土橋梁結構配筋進行精細化設計能有效提高設計質(zhì)量。針對目前交通行業(yè)尚未有成熟的橋梁三維配筋系統(tǒng)可供使用，作為BIM技術的載體的三維鋼筋模型需設計人員手工繪制，存在效率低且人工干預過多的問題，從快速建立鋼筋三維模型、數(shù)量統(tǒng)計及自動出鋼筋大樣三個方面研究和提出了相關解決方法，并基于三維CAD系統(tǒng)Microstation進行二次開發(fā)編制工具應用于工程實踐，減少了人機交互操作，提高了設計人員建模和出圖效率，也為BIM技術在橋梁工程中的進一步應用提供了基礎模型。

BIM；三維鋼筋；建模；統(tǒng)計；大樣

0 引言

隨著現(xiàn)代橋梁結構理論和結構形式的不斷發(fā)展與創(chuàng)新，預應力鋼筋混凝土結構配筋愈加錯綜復雜，傳統(tǒng)的二維鋼筋繪制出圖方式已不能滿足精細化設計的要求，無法直觀準確呈現(xiàn)鋼筋與鋼筋、其它橋梁組成構件(預應力鋼束、鋼骨架等)之間的幾何位置關系，極易造成碰撞，降低設計質(zhì)量；另外二維鋼筋圖中鋼筋數(shù)量的統(tǒng)計通常采用人工計量的方式，極易疏漏出錯且費時間[1]。伴隨著計算機輔助設計系統(tǒng)智能化程度的提高，建筑信息模型(Building Information Modeling，簡稱“BIM”)技術在國內(nèi)外工程項目設計階段的應用愈加廣泛，與傳統(tǒng)設計手段相比具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性5大特點，使得橋梁設計人員對橋梁結構配筋進行三維設計成為可能[2]。繪制三維鋼筋模型的優(yōu)點在于以實際尺寸建立鋼筋模型，按照實際空間位置布置，利用三維CAD系統(tǒng)提供的碰撞檢查功能檢測鋼筋與鋼筋、其它橋梁構件是否碰撞，從而調(diào)整設計，提高設計質(zhì)量；而且一比一尺寸的鋼筋模型能保證統(tǒng)計鋼筋數(shù)量的準確性，且極易編碼實現(xiàn)自動統(tǒng)計功能[3-4]。

作為BIM技術模型載體的三維鋼筋模型比二維鋼筋圖表現(xiàn)形式更加直觀真實，但建立精確的三維鋼筋模型存在以下問題尚未解決：人機交互建立三維鋼筋模型比較繁瑣，且需要過多人工干預操作[5-7]；三維CAD系統(tǒng)未提供自動統(tǒng)計算量的功能，尚需定制開發(fā)；鋼筋構造圖可由設計人員使用三維CAD系統(tǒng)提供的剖切功能對橋梁結構三維實體進行剖切得到平面、立面及側面圖[3]，但是鋼筋詳細大樣的繪制和標注功能缺乏。針對上述問題，研究和整理出一套快速構建三維鋼筋模型，統(tǒng)計以及自動繪制和標注鋼筋大樣的方法，基于BIM基礎平臺三維CAD系統(tǒng)Microstation研發(fā)編制并發(fā)布一套工具集[8]，應用于實際工程中，有效地提高設計質(zhì)量與效率，為BIM技術在橋梁工程結構設計階段的應用提供參考和借鑒。

1 快速構建三維鋼筋模型方法

(1)首先繪制所有不同種類鋼筋中心線(空間幾何曲線)，同一類鋼筋中心線編入同一圖層，且圖層命名遵循“鋼筋編號-公稱直徑”的格式要求。例如某一圖層名為“1-12”，代表該類鋼筋編號為1，公稱直徑為12 mm。

(2)篩選需要生成三維鋼筋實體的圖層，解析各圖層名得到鋼筋編號Ni和鋼筋直徑D0i，根據(jù)D0i查詢鋼筋外徑表得到鋼筋外徑D1i，然后通過Microstation平臺提供的掃描算法API(二次開發(fā)接口)[9]得到各圖層包含的鋼筋中心線集合{Sij}，根據(jù)幾何運算得到鋼筋中心線集合{Sij}中各鋼筋中心線的起點Pij以及起點處的切向量Tij(i=1,2,...,m;j=1,2,…,n。m為圖層總數(shù)，n為第i層包含的鋼筋中心線根數(shù))。

(3)以鋼筋中心線Sij的起點Pij和切向量Tij，通過向量叉乘構建以切向量Tij為Z軸的局部坐標系(右手坐標系)，詳見公式(1)，在該局部坐標系下，繪制直徑為Di的圓Cij，如圖1所示。

(1)

(4)將鋼筋中心線Sij、外徑圓Cij通過幾何轉換到實體坐標系中，通過Microstation平臺提供的拉伸函數(shù)使外徑圓Cij沿鋼筋中心線Sij掃掠成體Vij，然后將實體Vij轉換到設計坐標系中即得到鋼筋三維實體(注：利用Microsation平臺提供的API生成和修改實體均需轉換到實體坐標系中，再將得到的結果轉換到設計坐標系中[9])，如圖2所示。

圖1 設計坐標系和鋼筋局部坐標系 圖2 實體坐標系拉伸實體示意圖

使用基于上述方法編制的工具，設計人員只需繪制鋼筋中心線，規(guī)范命名圖層，即可快速生成三維鋼筋模型，修改和調(diào)整鋼筋也十分方便：如果通過碰撞檢測到鋼筋實體之間或者與其他構件發(fā)生碰撞，只需調(diào)整鋼筋中心線位置，重新生成鋼筋實體；調(diào)整某一類鋼筋直徑，則只需修改該類鋼筋所在圖層名稱中鋼筋直徑數(shù)值，然后重新生成鋼筋實體，具體流程如圖3所示。

圖3 鋼筋實體生成流程示意圖

2 鋼筋數(shù)量統(tǒng)計方法

鋼筋中心線是根據(jù)實際設計尺寸繪制的空間幾何曲線，通過掃描所有圖層，統(tǒng)計每層鋼筋中心線根數(shù)、計算鋼筋中心線長度總和，乘以該層鋼筋對應的每米質(zhì)量即可得到該層所有鋼筋總質(zhì)量，具體實現(xiàn)步驟如下：

(1)篩選需要統(tǒng)計鋼筋數(shù)量的圖層，解析各圖層名稱獲取該層鋼筋編號Ni和鋼筋直徑D0i，根據(jù)D0i查詢該層鋼筋每米重Wi(i=1,2,..,m。m為圖層總數(shù))。

科學不是獨立于社會，而是根植于社會的。其發(fā)生與發(fā)展，需要適當?shù)纳鐣幕尘?，正如中國文化產(chǎn)生了賈寶玉，而英國文化產(chǎn)生了哈姆雷特。中國沒有產(chǎn)生近代科學，與社會的和文化的背景存在密不可分的關系。

(3)根據(jù)每個圖層鋼筋編號Ni，鋼筋根數(shù)Numi及鋼筋總長度Li、每米重Wi匯總列表得出鋼筋用量統(tǒng)計報表。

3 鋼筋大樣圖自動繪制和標注方法

前述所知三維鋼筋模型是嚴格按照一比一尺寸建立的，將鋼筋中心線(空間幾何曲線)等長等形狀旋轉到二維平面內(nèi)，然后分析鋼筋中心線各組成分段幾何形狀，其次按照出圖格式標注對應分段長度即可形成鋼筋大樣圖。因此首先必須解決三維空間曲線等長等形狀旋轉到二維平面內(nèi)的問題。

歸納和總結鋼筋中心線的形狀主要由兩種基本圖元組成，與三維CAD系統(tǒng)MicroStation相對應的元素為：Line(直線)、Arc(弧)Ellipse(橢圓，包括圓)。由這兩種基本圖元進一步組成Line String(線串，由多條直線組成)和Complex String(復雜鏈，由多條直線線串和圓弧組合而成)等復雜形狀[2]，如圖4所示。

圖4 鋼筋中心線形狀

鋼筋中心三維空間曲線旋轉到二維平面的問題可簡化為分別將任意空間直線Line、圓弧ArcEllipse、線串Line String、復雜鏈Complex String幾何變換到二維平面的問題，具體實現(xiàn)步驟如下：

(1)篩選需要出鋼筋大樣圖的圖層，解析各圖層名稱得到對應鋼筋編號Ni，通過掃描API獲取各層包含的鋼筋中心線集合{Sij}，并記各層鋼筋根數(shù)為Numi。

(2)遍歷各層鋼筋中心線集合{Sij}，逐一復制鋼筋中心線并分析判斷其形狀類型T，不同形狀T執(zhí)行不同幾何變換操作：①T為直線。提取直線起點P0及起點處切向量T0，計算切向量T0與全局坐標系Z軸單位向量的夾角A0，再由起點P0和切向量T0根據(jù)公式(1)構建該直線局部坐標系M0，最后將直線繞局部坐標系M0的X軸旋轉(90-A0)°即可轉換到全局坐標系XY平面內(nèi)。②T為線串或者復雜鏈。因為線串或者復雜鏈節(jié)點個數(shù)≥3[2,9]，取線串或者復雜鏈前三個節(jié)點確定一個平面Plane，由計算幾何求得改平面Plane的法向量F1，求得法向量F1與全局坐標系Z軸單位向量的夾角A1，由線串起點和法向量F1確定平面Plane局部坐標系M1，最后將線串或者復雜鏈繞局部坐標系M1的X軸旋轉(180-A1)°即可轉換到全局坐標系XY平面內(nèi)。③T為弧或者橢圓。只需提取圓心，a和b軸半徑，起始角度和掠角這五個關鍵參數(shù)[2,9]，然后在全局坐標系XY平面上重新繪制弧或者橢圓即可。

(3)以鋼筋編號Ni為名稱創(chuàng)建新設計文件，復制所有步驟2中生成的平面鋼筋中心線到新設計文件生成鋼筋大樣。

對上述步驟生成的鋼筋大樣進行自動化標注完成鋼筋大樣圖的繪制，即分別對平面內(nèi)不同鋼筋中心線形狀分段進行長度標注，標注文本應與鋼筋中心線分段走向平行放置。其實現(xiàn)步驟如下：

(1)掃描所有以鋼筋編號命名的設計文件，抽取每個設計文件中包含的平面鋼筋中心線形成鋼筋集合{PSi}(i=1,2,...m。m為以鋼筋編號命名的設計文件總數(shù))。

(3)在每根鋼筋中心線3/4長度處為起點水平放置鋼筋信息塊(包含鋼筋大樣其它信息：根數(shù)、直徑、鋼筋類別，總長，鋼筋編號)[10-11]。

4 應用實例

圖5 三維鋼筋實體模型

蕪湖長江公路二橋引橋上部結構為大懸臂全體外預應力節(jié)段拼裝箱梁，全部采用工廠化預制，現(xiàn)場拼裝工藝，其細節(jié)構造十分復雜，尤其端橫梁內(nèi)部的鋼筋系統(tǒng)、體外預應力系統(tǒng)以及固定系統(tǒng)三者相互交叉、錯綜復雜，極易造成碰撞。如圖5、圖6所示為某一預制節(jié)段三維鋼筋局部模型和工程數(shù)量統(tǒng)計報表，通過本文提出的方法，快速建立鋼筋三維模型進行精細化設計有效解決了鋼筋與體外預應力鋼束和勁性骨架碰撞問題，優(yōu)化配筋方式，提高了設計質(zhì)量。

圖6 自動統(tǒng)計鋼筋數(shù)量

5 結束語

研究了BIM技術應用于橋梁工程結構配筋精細化設計中，三維鋼筋模型如何快速建模、自動統(tǒng)計鋼筋數(shù)量以及繪制和標注鋼筋大樣的方法，詳細介紹了基于BIM基礎平臺Microstation的實現(xiàn)算法。結合實際工程應用，效果良好，減少人機交互操作，提高了三維鋼筋建模和出圖效率，初顯了BIM技術在工程結構中的應用前景。

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Research on the Method of Three-dimensional Rebar Modeling & Statistics and Automatic Detail Drawing

Zheng Gang, Dai Wei, Xie Yumeng

(Anhui Transport Consulting & Design Institute Co.,Ltd & Road Transport Industry Research and Development Centre on Energy-saving and Environment Protection Technology & Equipment，Hefei 230088，China)

The quality of design is improved by the fine design of the Three-dimensional rebar model of bridge project based on the Building Information Modeling (BIM) technology. As mature three-dimensional bridge reinforcement CAD system is not yet available for transportation industry, the designers should build three-dimensional rebar model, which is the carrier of building information model, by hand. Therefore, there exists the question of efficiency, and there is a lot of manual intervention required to make accurate models. The related solutions are proposed aiming at the problems in three major areas: efficient and fast building of models , statistical quantity and automatic detail drawing. Computing program is given out based on three-dimensional cad system Microstation in order to improve the efficiency of modeling and drawing and reduce human-machine interaction, and also provide a basic model for further application of BIM technology.

BIM; three-dimensional rebar; modeling; statics; detail rebar drawing

2015-03-26 責任編輯:車軒玉

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2015.04.07

鄭 崗(1985-), 男, 工程師,主要從事三維數(shù)字化設計與BIM技術在橋梁工程中的研究與應用。E-mail: 376925009@qq.com

U442.5;TP311

A

2095-0373(2015)04-0034-05

鄭 崗, 戴 瑋, 謝玉萌.三維鋼筋建模統(tǒng)計及自動出樣方法研究[J].石家莊鐵道大學學報:自然科學版,2015,28(4):34-38.