信息模型技術(shù)在擋土墻設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與研究

王?？?，宦國勝，沈國華，左威龍，吝江峰

(江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225009)

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信息模型技術(shù)在擋土墻設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與研究

王?？。聡鴦?，沈國華，左威龍，吝江峰

(江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225009)

結(jié)合三維信息模型技術(shù)開展水工擋土墻三維設(shè)計(jì)應(yīng)用，并針對(duì)擋土墻傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)模式存在的專業(yè)設(shè)計(jì)信息交流不暢、施工過程中協(xié)調(diào)性差、整體性不強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳遞能力差、信息共享困難等不足，開展了建模、計(jì)算、配筋、標(biāo)注等方面的二次開發(fā)，提高了設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量，拓展了三維設(shè)計(jì)在水利工程中的應(yīng)用。

巖土工程；擋土墻；三維設(shè)計(jì)；參數(shù)化；二次開發(fā)

0 引 言

擋土墻是一種常用的支擋結(jié)構(gòu)形式，廣泛應(yīng)用于水利水電、交通、房建等領(lǐng)域。工程設(shè)計(jì)中一般采用二維模式，但是二維設(shè)計(jì)模式存在專業(yè)設(shè)計(jì)信息交流不暢、施工過程中協(xié)調(diào)性差、整體性不強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳遞能力差、信息共享困難等缺點(diǎn)，這些已成為傳統(tǒng)設(shè)計(jì)發(fā)展的瓶頸，限制了行業(yè)信息化發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)及電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，三維信息模型技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生。三維設(shè)計(jì)不僅滿足人們觀感上的要求，更重要的是滿足幾何、力學(xué)上的數(shù)據(jù)和信息的輸入輸出、精度、質(zhì)量控制、進(jìn)度控制等要求。目前，水利、電力等行業(yè)的部、省屬設(shè)計(jì)院均開展了三維協(xié)同設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用和研究[1-6]。

筆者結(jié)合國內(nèi)外三維設(shè)計(jì)應(yīng)用情況、性價(jià)比等因素[7]，選擇在Autodesk BIM套件的基礎(chǔ)上開展水工擋土墻的專項(xiàng)三維設(shè)計(jì)的應(yīng)用與二次開發(fā)，形成建模-計(jì)算-出圖-工程量統(tǒng)計(jì)智能一體化的三維設(shè)計(jì)模式，提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，促進(jìn)水利行業(yè)信息化的發(fā)展。

1 Revit平臺(tái)應(yīng)用研究

目前，國內(nèi)外的三維設(shè)計(jì)平臺(tái)均為通用平臺(tái)，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)的支持度不高。我們?cè)赗evit中開展專項(xiàng)研究，植入水利工程的設(shè)計(jì)元素和工作流程，創(chuàng)建了常用形式擋土墻的模型庫，完成模型至工程圖紙的衍生和工程量的統(tǒng)計(jì)，逐步推廣三維協(xié)同技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用。

1.1 擋土墻三維模型的塑建及參數(shù)化

參數(shù)化模型可增加模型的通用性，通過模型參數(shù)的調(diào)整，可以衍生出眾多同類型的擋土墻三維模型[8]，減少重復(fù)建模的工作。依據(jù)重力式、懸臂式、扶壁式、空箱式擋土墻的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，創(chuàng)建了大量的參數(shù)化模型。圖1為圓弧形扶壁擋土墻參數(shù)化的實(shí)例模型。

圖1 擋土墻三維模型的參數(shù)化及塑建Fig. 1 Parameterizing and modeling of 3D retaining wall model

1.2 模型組合及工程圖紙

不同類型的參數(shù)化模型(線型、結(jié)構(gòu)型式)通過調(diào)整參數(shù)、類型、組合方式可以派生出眾多的擋土墻布置，并得到相應(yīng)的工程圖紙，圖2為水閘上、下游銜接段擋墻的模型及圖紙。

圖2 擋土墻模型組合及工程圖紙F(tuán)ig. 2 Model combination and engineering drawing of retaining wall

1.3 設(shè)計(jì)模板

我們按照水利設(shè)計(jì)習(xí)慣和制圖標(biāo)準(zhǔn)，定制了一系列標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)模板和注釋族，例如尺寸標(biāo)注、標(biāo)高、視圖標(biāo)題、多行材質(zhì)標(biāo)注、材質(zhì)、止水銅片、工程量明細(xì)等，提供設(shè)計(jì)人員調(diào)用，提高注釋效率，逐步實(shí)現(xiàn)軟件應(yīng)用的行業(yè)化和標(biāo)準(zhǔn)化。圖3采用三維透視圖的方式表達(dá)擋土墻之間止水銅片布置，設(shè)計(jì)、施工以及業(yè)主均能一目了然地了解細(xì)部構(gòu)建的布置情況。其它的注釋在此不一一舉例。

圖3 止水三維透視圖Fig. 3 3D perspective drawing of water seal

1.4 協(xié)同設(shè)計(jì)流程

工程設(shè)計(jì)的多專業(yè)協(xié)同可減少錯(cuò)漏碰，筆者僅以擋土墻建筑物為設(shè)計(jì)對(duì)象，協(xié)同設(shè)計(jì)流程主要體現(xiàn)為項(xiàng)目的創(chuàng)建、模型及圖紙的設(shè)計(jì)、校審，協(xié)同流程相對(duì)簡單。但三維和二維相結(jié)合的模式能夠清楚地表達(dá)設(shè)計(jì)成果，減少誤讀；校審過程中，模型尺寸發(fā)生調(diào)整，圖紙能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變更，減少設(shè)計(jì)工作量。協(xié)同設(shè)計(jì)流程如圖4。

圖4 三維設(shè)計(jì)流程Fig. 4 Flowchart of three-dimensional design

2 二次開發(fā)

Revit是基于工業(yè)與民用建筑的通用三維設(shè)計(jì)平臺(tái)，軟件提供的設(shè)計(jì)模塊(梁、板、柱)主要面向建筑設(shè)計(jì)，對(duì)于其他基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域的支持度幾乎為零。我們通過API進(jìn)行二次開發(fā)，在平臺(tái)內(nèi)集成擋土墻模型塑建、穩(wěn)定計(jì)算、三維配筋、鋼筋標(biāo)注[9]等功能，實(shí)現(xiàn)擋土墻的智能設(shè)計(jì)，提高了設(shè)計(jì)效率。

2.1 模型塑建及計(jì)算

2.1.1 三維建模

擋土墻建模插件(RetainingWall_3DModel)可智能生成不同型式(線型、結(jié)構(gòu)型式)擋土墻模型，避免手工建模的繁瑣操作。用戶設(shè)置擋土墻導(dǎo)線的布置形式，程序能對(duì)導(dǎo)線智能分段，設(shè)置伸縮縫，逐段生成各種型式的擋土墻。

圖5為“導(dǎo)線型擋土墻建模模塊”部分輸入界面和程序生成的三維模型。

圖5 導(dǎo)線型擋土墻建模(API)Fig. 5 Retaining wall modeling by guide line(API)

2.1.2 抗滑穩(wěn)定計(jì)算

依據(jù)《水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范，在上述三維擋土墻建模過程中嵌入抗滑穩(wěn)定計(jì)算(RetainingWall_Calculation)?？赏ㄟ^交互實(shí)現(xiàn)墻后填土水平、傾斜以及不同水位組合工況下(含抗震、漫水)的抗滑穩(wěn)定計(jì)算，判斷結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)的合理性，并進(jìn)行修改，實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)，大大提高了設(shè)計(jì)的效率和建模智能化。

2.1.3 程序開發(fā)架構(gòu)

程序開發(fā)采用C#語言基于Revit API進(jìn)行，利用輪廓族放樣等函數(shù)，驅(qū)動(dòng)模型的創(chuàng)建，具體步驟如下。

1) 參數(shù)輸入

Step1：擋墻前沿導(dǎo)線參數(shù)輸入，如起始點(diǎn)位置、順?biāo)蚓嚯x、圓弧半徑等。導(dǎo)線形式為直線+圓弧+直線或折線形式；

Step2：河道參數(shù)輸入，設(shè)置青坎數(shù)目、河底高程、地面高程、青坎長度等參數(shù)。

2) 導(dǎo)線分段

Step1：導(dǎo)線生成。依據(jù)基本輸入?yún)?shù)，由函數(shù)Line.CreateBound(XYZ endpoint1，XYZ endpoint2)、Arc.Create(XYZ center，double radius，double startAngle，double endAngle，XYZ xAxis，XYZ yAxis) 分別生成直線、弧線導(dǎo)線，存入CurveArray集合中。

Step2：導(dǎo)線分段。CurveDivide(CurveArrar curvearray)函數(shù)對(duì)導(dǎo)線CurveArray進(jìn)行初始化分段；用戶修改分段數(shù)量、逐段長度時(shí)，調(diào)用CurveDivide_TextChanged(object sender，EventArgs e)函數(shù)對(duì)導(dǎo)線進(jìn)行重新分段。

Step3：伸縮縫添加。InitSeamInDatagridview(double seam)函數(shù)讀取和處理輸入的伸縮縫參數(shù)，F(xiàn)indChangedDividePoints(CurveArrar curvearray)函數(shù)重新分割導(dǎo)線，獲得去除伸縮縫后的導(dǎo)線點(diǎn)集List，CreateChange Curves(List points)重新生成新的分段導(dǎo)線。

3) 尺寸斷面驗(yàn)證

Step1：斷面尺寸初設(shè)。根據(jù)填土高度，初算擋墻斷面尺寸。

Step2：穩(wěn)定驗(yàn)算。根據(jù)荷載及水位信息進(jìn)行穩(wěn)定驗(yàn)算，不滿足要求，回Step1重新設(shè)置斷面尺寸。

Step3：擋墻輪廓。滿足要求的斷面參數(shù)由Application.Create.NewCurveLoopsProfile(CurveArrar curvearray)函數(shù)生成相應(yīng)的擋墻輪廓。

4) 模型生成

Step1：墻體生成。滿足驗(yàn)證條件的擋墻輪廓由Document.FamilyCreate.NewSweep(bool isSolid，CurveArray path，SketchPlane pathPlane，SweepProfile profile，int profileLocation CurveIndex，ProfilePlane Location profilePlaneLocation)函數(shù)生成擋墻墻體。

Step2：扶臂體生成。Application.Create.NewCurveLoopsProfile(CurveArrar curvearray)函數(shù)生成扶臂輪廓；Document.FamilyCreate.NewSweep(bool isSolid，CurveArray path，SketchPlane pathPlane，SweepProfile profile，int profileLocationCurveIndex，ProfilePlaneLocation profilePlaneLocation) 函數(shù)生成扶臂體；CreateArm(Document doc，int rowindex)函數(shù)將生成的扶臂體移動(dòng)到相應(yīng)位置。

2.2 三維配筋

配筋是混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不可或缺的元素。目前針對(duì)常規(guī)混凝土結(jié)構(gòu)(如板、梁、柱)的配筋軟件不少，但對(duì)大體積、異形混凝土結(jié)構(gòu)(如牛腿、閘墩、擋土墻扶壁、流道等)的三維配筋依然是眾多BIM平臺(tái)應(yīng)用的瓶頸。筆者在Revit平臺(tái)內(nèi)摸索和研究擋土墻結(jié)構(gòu)的三維配筋，并針對(duì)性開發(fā)擋土墻三維配筋模塊(RetainingWall_3DRebar)。

圖6為扶壁式擋土墻前墻配筋輸入界面和程序生成的前墻、整體配筋模型。

圖6 擋土墻三維配筋(API)Fig. 6 3D reinforcement of retaining wall(API)

2.3 鋼筋標(biāo)注

針對(duì)Revit鋼筋標(biāo)注方面的不足，通過API開發(fā)包含“線筋水平標(biāo)注”，“線筋垂直標(biāo)注”，“點(diǎn)筋水平標(biāo)注”，“點(diǎn)筋垂直標(biāo)注”，“點(diǎn)筋集中水平標(biāo)注”，“鋼筋網(wǎng)標(biāo)注”6種類型的鋼筋標(biāo)注模塊(Annotation _Rebar)。圖7為鋼筋標(biāo)注界面和標(biāo)注效果示意。

圖7 鋼筋標(biāo)注(API)Fig. 7 Marking of reinforcement(API)

該模塊能通過程序自動(dòng)讀取鋼筋型號(hào)、直徑、間距等信息進(jìn)行標(biāo)注，也可通過程序界面輸入更改鋼筋型號(hào)、直徑、間距等信息進(jìn)行標(biāo)注，使得標(biāo)注符合水利行業(yè)規(guī)范要求，提高了鋼筋標(biāo)注的效率和自動(dòng)化程度。

3 結(jié) 語

筆者通過Revit平臺(tái)開展水工擋土墻三維設(shè)計(jì)的應(yīng)用和開發(fā)，完成了參數(shù)化三維建模、設(shè)計(jì)計(jì)算、配筋、標(biāo)注行業(yè)化等工作。后期將補(bǔ)充結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等功能模塊，逐步完善“建模-計(jì)算-出圖-工程量統(tǒng)計(jì)智能一體化”的協(xié)同設(shè)計(jì)模式。不久的將來，三維協(xié)同設(shè)計(jì)的方法、理念將變成現(xiàn)實(shí)，融入到規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、工程管理過程中，提高工程從規(guī)劃設(shè)計(jì)到運(yùn)營管理全生命周期的質(zhì)量和效率，促進(jìn)水利工程的信息化、現(xiàn)代化。

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(責(zé)任編輯：譚緒凱)

Application and Research of Information Model Technology in Retaining Wall Design

WANG Haijun，HUAN Guosheng，SHEN Guohua，ZUO Weilong，LIN Jiangfeng

(Jiangsu Province Water Conservation Survey Design and Research Institute Co. Ltd.，Yangzhou 225009，Jiangsu，P.R.China)

Three-dimensional information model technology was used to carry out 3D design of hydraulic retaining wall.Aiming at current problems in traditional two-dimensional design of retaining wall，such as poor information exchange in the professional design，poor coordination，poor integrity，poor data transmission ability and information sharing difficulties in the construction process，the secondary development of the following aspects was carried out，including modeling，calculation，reinforcement and marking.The secondary development improves the design efficiency and quality，which also widens the application of 3D design in water conservancy projects.

geotechnical engineering; retaining wall; three-dimensional design; parameterize; secondary development

2015-12-24；

2016-12-11

江蘇省水利科技資助項(xiàng)目(2015090;2016065)

王?？?1981—)，男，江蘇泰興人，高級(jí)工程師，博士，主要從事水工結(jié)構(gòu)及三維協(xié)同設(shè)計(jì)方面的研究。E-mail：whj2005@1263com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.06.12

O319.56

A

1674-0696(2017)06-075-05