尾水管肘管三維配筋參數(shù)化設(shè)計研究與應(yīng)用

李端陽，鄭 澤

（中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

計算機(jī)三維輔助設(shè)計技術(shù)在工程各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，水利水電工程近年來也充分利用三維輔助設(shè)計技術(shù)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計、仿真、計算，為水利水電工程設(shè)計提供了便利，減少了人力成本，提高了設(shè)計質(zhì)量，縮短了設(shè)計周期。

三維參數(shù)化就是將幾何及尺寸關(guān)系以參數(shù)的形式嵌入到三維模型中，從而體現(xiàn)工程師的設(shè)計意圖，通過參數(shù)的修改能夠快速完成對三維模型的修改、重用。參數(shù)化建模與三維設(shè)計并沒有必然聯(lián)系，不用參數(shù)化建模也可以實現(xiàn)三維設(shè)計，但從系統(tǒng)實現(xiàn)的復(fù)雜性、操作的易用性、處理速度可行性、軟硬件技術(shù)的支持性等幾個角度綜合考慮，就目前的技術(shù)水平和能力看，參數(shù)化建模是三維設(shè)計得以真正成為生產(chǎn)力的不可或缺的基礎(chǔ)。

1 研究背景

尾水管是水電站廠房的重要組成部分之一，一般由錐管段、肘管段和擴(kuò)散段組成，其中肘管體型尤為復(fù)雜。近年來金屬里襯的肘管成為市場主流，金屬里襯由廠家制造，沿管線方向各斷面呈不規(guī)則的流線型變化，結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，目前主要采用傳統(tǒng)二維CAD制圖手段進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋，通過二維CAD手段難以表現(xiàn)復(fù)雜的空間鋼筋型式，鋼筋長度也難以準(zhǔn)確計算，工作量也較大，嚴(yán)重影響設(shè)計效率及質(zhì)量。

國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)針對復(fù)雜水工結(jié)構(gòu)配筋，也開發(fā)了一些水工配筋CAD系統(tǒng)，很好的利用了計算機(jī)輔助制圖，簡化了配筋的設(shè)計工作。但三維參數(shù)化模型及配筋成果無法深入應(yīng)用，三維設(shè)計思路并未貫穿整個設(shè)計流程，鋼筋圖、編號等仍然基于二維繪圖環(huán)境，難以解決不直觀、不能準(zhǔn)確描述鋼筋空間布置的問題，后期校核、修改等也存在一定的困難。

為改善以上問題，本文提出“三維配筋設(shè)計，三維鋼筋表達(dá)”的設(shè)計表達(dá)方法，采用斷面線對三維尾水管肘管模型繪制主筋，采用基準(zhǔn)腰線法繪制分布筋，以三維形式繪制鋼筋，對二維中很難表達(dá)的三維空間曲線構(gòu)型的鋼筋，可實現(xiàn)所見即所得，極大的提高了尾水管配筋的工作效率，保證了設(shè)計質(zhì)量，使設(shè)計成果更加便于指導(dǎo)施工，工程量的統(tǒng)計也更加精準(zhǔn)、貼合實際。三維參數(shù)化模型及配筋成果以.dgn文件保存后，可在三維設(shè)計軟件Microstation（以下簡稱MS）中編輯、參考，承載更多設(shè)計信息，深入運用到BIM的全生命周期中。

2 參數(shù)化建模工具簡介

GenerativeComponents（以下簡稱GC）是基于MS平臺的參數(shù)化和關(guān)聯(lián)的設(shè)計系統(tǒng)，為有效開發(fā)比較設(shè)計方案提供許多全新的方式。它采用圖形方式展示設(shè)計組件及其相關(guān)關(guān)系，從而捕獲設(shè)計意圖。使用GC可以有效的展示和重用新穎的設(shè)計方案，無須手動為每個方案重新構(gòu)建模型，是一款圖形、腳本、變成相結(jié)合的參數(shù)化三維建模工具，可記錄每個特征元素的創(chuàng)建方式。當(dāng)設(shè)計人員對模型輸入?yún)?shù)做出更改時，該系統(tǒng)可以重新自動生成三維模型元素。

GC具有以下特征：基于幾何或特征的傳統(tǒng)建模；參數(shù)化和關(guān)聯(lián)控制系統(tǒng)；新特征類型的可擴(kuò)展性，無須最終用戶使用反射和代碼生成方式編程，即可制作工具；支持面向?qū)ο蟮能浖O(shè)計約定編寫腳本和編程；可自我記錄。

傳統(tǒng)的CAD軟件不會記住如何生成基本工具，有關(guān)如何創(chuàng)建基本工具的信息一般屬于臨時信息，而GC則不同，基本工具的創(chuàng)建方式信息屬于永久性信息。對象可以記住自身的創(chuàng)建方式。更新方法由生成幾何體形狀、尺寸和位置所需的信息以及相關(guān)公式組成。每個更新方法中的參數(shù)都具有唯一性，可以動態(tài)更新，或者根據(jù)需要加以更新。

在BIM相關(guān)軟件中，與GC類似的軟件有GrassHopper和Dynamo，基本上可以實現(xiàn)相同的功能，本文使用GC來作為參數(shù)化建模的工具。

圖1 某工程尾水管單線圖

3 三維金屬里襯肘管的繪制

肘管單線圖根據(jù)水輪機(jī)試驗效果確定，由若干橫斷面組成，廠家提供的圖紙一般由側(cè)視圖、頂視圖、尾水管斷面形狀示意圖以及尾水管斷面數(shù)據(jù)表組成，如圖1所示，根據(jù)單線圖圖紙，可以確定金屬里襯肘管建立的三維坐標(biāo)系、各斷面位置、形狀。

根據(jù)這些特征，一般的三維建模手段是①畫出軸線；②逐個畫出各斷面；③逐個移動到軸線相應(yīng)位置并旋轉(zhuǎn)至相應(yīng)角度；④使用斷面放樣的方式形成B樣條曲面；⑤使之閉合成體。整個建模過程非常繁瑣，如果過程中某參數(shù)需要修改，這個繁瑣的過程就還需要再經(jīng)歷一番。使用參數(shù)化建模工具GC，可以記錄這個繁瑣的過程，如果在建模后期涉及到模型參數(shù)的修改，直接修改參數(shù)即可，中間過程可自動完成，因此可以方便的創(chuàng)建金屬里襯肘管的三維模型，大大降低了建模工作量，提高了建模精度，后期只要修改斷面參數(shù)，模型就可實現(xiàn)自動更新。

尾水管參數(shù)化建模的一般步驟是：①將廠家提供斷面數(shù)據(jù)輸入Excel表格；②使用GC讀取Excel表格中的參數(shù)；③使用經(jīng)過記錄或者編程的建模腳本，經(jīng)過一系列GC特征操作完成三維模型。該過程不是本文介紹重點，感興趣的讀者可參考引用文獻(xiàn)［3］，在此不再贅述。GC繪制尾水管體型如圖2所示。

圖4 主筋投影線繪制

圖2 金屬里襯肘管段三維模型

4 尾水管肘管配筋設(shè)計

4.1 鋼筋型式

鋼筋與混凝土結(jié)構(gòu)表面具有近似特征，肘管的配筋以其內(nèi)部結(jié)構(gòu)表面為基準(zhǔn)，為防止鋼筋銹蝕，設(shè)置一定厚度的鋼筋保護(hù)層。在肘管結(jié)構(gòu)設(shè)計中，必須同時設(shè)置橫向鋼筋和縱向鋼筋，以滿足結(jié)構(gòu)力學(xué)性能及構(gòu)造要求。本文以垂直水流方向為鋼筋主筋，順?biāo)鞣较驗榉植冀睢?/p>

4.2 主筋布置

主筋斷面間鋼筋尺寸按兩斷面尺寸內(nèi)插，主筋分為4種型式，如圖3所示。

型式1：圓形斷面或接近圓形斷面采用封閉型式；

型式2：兩側(cè)半圓，上下直線型式；

型式3：1／4圓弧 +直線段 +1／4圓弧，上下直線型式；

型式4：當(dāng)圓弧半徑較小時，可采用兩側(cè)、上下直線型式。

主筋配筋采用斷面法，主要技術(shù)思路為：

圖3 主筋型式圖

根據(jù)廠家給出的斷面數(shù)據(jù)繪制內(nèi)外側(cè)肘管關(guān)鍵點，以內(nèi)外側(cè)關(guān)鍵點為基礎(chǔ)，計及保護(hù)層厚度和主筋直徑，繪制外側(cè)主筋，間距200mm左右；對應(yīng)繪制內(nèi)側(cè)主筋間距150mm左右，斷面間關(guān)鍵點按兩斷面間尺寸內(nèi)插得到，如圖4（b）所示。

在保證廠家給出的斷面處主筋的同時，根據(jù)內(nèi)外側(cè)對應(yīng)主筋關(guān)鍵點方向繪制主筋投影線，如間距小于70mm，自動間隔截斷（如圖4（c）所示）。

根據(jù)相似性原理，將三維肘管結(jié)構(gòu)面向內(nèi)側(cè)偏移一定距離，計及保護(hù)層厚度和主筋直徑，將偏移所得的三維空間曲面稱為“肘管布筋投影面”如圖5所示。

圖5 肘管布筋投影面

圖6 單側(cè)主筋弧段

將主筋投影線投影至偏移后三維曲面，得到主筋弧段投影線，根據(jù)前述主筋型式分類，當(dāng)圓弧半徑較小時，兩側(cè)需采用直線型式，此處需采用編程手段加以判斷，程序代碼如圖6所示。

同理，繪制另外一側(cè)主筋弧段，根據(jù)四種主筋型式，繪制主筋直線段，弧線段、直線段。全部完成后，鋼筋延長10倍主筋直徑作為錨固；根據(jù)一定規(guī)則，在直線出口段增加孔口加強(qiáng)筋，至此主筋繪制完畢，如圖7所示。

圖7 主筋三維模型

4.3 分布筋布置

分布筋一般控制在進(jìn)口處間距200mm左右，由于出口處鋼筋間距大大超出200mm，需增補分布筋。肘管分布筋一般為空間曲線，具體設(shè)計思路如下：

不同于主筋投影線，為布置分布筋，首先通過連接對應(yīng)的“內(nèi)外側(cè)主筋關(guān)鍵點”形成“分布筋斷面線”；

將“分布筋斷面線”投影至“肘管布筋投影面”，生成“分布筋基準(zhǔn)斷面”；

以尾水管進(jìn)口斷面與X軸、Y軸相交的4個點為分布筋的基準(zhǔn)起點，同樣在相鄰斷面上布置4個點，由對應(yīng)點對基準(zhǔn)斷面進(jìn)行剖分，相連形成上、下、左、右四條基準(zhǔn)腰線；

建立分布筋：以肘管進(jìn)口為基準(zhǔn)，繪制分布筋綁扎軌跡點，在GC中采用Point特征中的Point-ByNumbersAlongCurve方法，點數(shù)取 Floor（or Ceiling）（Curve.Length／200mm），根據(jù)具體情況選擇上取整（Ceiling）或下取整（Floor），具體編碼如圖8所示。

圖8 建立分布筋關(guān)鍵代碼

插補鋼筋：根據(jù)程序判斷出口處是否需要增補分布筋，增補分布筋后間距不應(yīng)大于200mm，亦不應(yīng)小于70mm；

對分布筋起始和終止處增加錨固長度，分布筋三維模型如圖9所示。

圖9 分布筋三維模型

4.4 最終模型

將主筋及分布筋模型同時顯示，取保護(hù)層厚度150mm，鋼筋最大間隔200mm，錨固長度為10倍鋼筋直徑；如保護(hù)層厚度不變，鋼筋最大間隔改為300mm，通過修改GC參數(shù)化程序初始參數(shù)，經(jīng)過約1min的重新計算，三維配筋模型自動生成，如圖10所示。

圖10 最終配筋模型

5 結(jié)語

尾水管配筋作為水電站廠房施工圖階段最復(fù)雜的設(shè)計工作之一，是設(shè)計單位長期以來的難題，工作量大、工作效率低、設(shè)計質(zhì)量差，傳統(tǒng)成果依托于二維設(shè)計繪圖環(huán)境，不直觀、可視性差、難以表達(dá)鋼筋的空間結(jié)構(gòu)，甚至難以準(zhǔn)確計算某一根鋼筋長度。

本文根據(jù)“三維設(shè)計，三維表達(dá)”的設(shè)計思路，依托CFCAD及前人二維設(shè)計條件下的經(jīng)驗，采用“斷面法”、“基準(zhǔn)腰線法”，通過參數(shù)化技術(shù)手段，實現(xiàn)了尾水管最復(fù)雜的肘管段三維配筋設(shè)計，成果實現(xiàn)三維表達(dá)配筋設(shè)計，自動統(tǒng)計工程量，通過簡單的擴(kuò)展可快速生成鋼筋圖、鋼筋斷面、分組、編號等功能。本文程序針對云南戈蘭灘水電站工程廠房肘管設(shè)計進(jìn)行了計算對比實驗，配筋結(jié)果與二維設(shè)計吻合。經(jīng)測試，該程序重用性好、操作簡單、邏輯性強(qiáng)，對提高設(shè)計效率與設(shè)計質(zhì)量有顯著的效果。

肘管參數(shù)化三維體型及配筋模型，能夠以.dgn文件形式無縫連接MS，融合水工結(jié)構(gòu)信息和鋼筋信息于一體的參數(shù)化模型，能為水利水電數(shù)字化產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）和施工進(jìn)度仿真等提供支持，為水利工程的設(shè)計、分析、管理等其他應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

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