一種鋼筋翻樣系統(tǒng)的研發(fā)及其工程應用

杜瑋琮

上海市基礎工程集團有限公司 上海 200433

鋼筋作為建筑設計、施工和造價的重要組成部分，其造價占據(jù)整個項目造價的30%～40%[1]，因此越來越多的企業(yè)開始重視鋼筋工程。

近幾年，建筑業(yè)面臨轉型升級，鋼筋工程的管理方式逐漸由粗放式管理轉變?yōu)榫毣⑿畔⒒芾韀2]。因此，需要尋找一種精簡高效的鋼筋翻樣系統(tǒng)來解決鋼筋浪費問題。

隨著信息化時代的到來，計算機的應用越來越廣泛[3]。本文通過總結歸納鋼筋翻樣公式來完成數(shù)據(jù)翻樣，并通過自主研發(fā)的下料優(yōu)化及接長算法來提高鋼筋利用率，最終形成以指導現(xiàn)場施工為目的、簡單便捷的鋼筋翻樣系統(tǒng)。該系統(tǒng)在項目現(xiàn)場進行應用，有效地指導了工人施工并提高了鋼筋利用率，初步實現(xiàn)了企業(yè)降本增效。

1 工程背景

上海硬X射線自由電子激光裝置項目（XFEL）是世界頂級的大科學裝置之一，其工程目標是建設1臺能量8 GeV的超導直線加速器、3條波蕩器線、3條光束線以及首批10個實驗站。硬X射線自由電子激光裝置工程圍護結構采用銑接頭形式的地下連續(xù)墻。1號井厚1.2 m、深83 m的超深地下連續(xù)墻共計46幅。

2 鋼筋翻樣

鋼筋翻樣是指施工人員根據(jù)圖紙計算鋼筋詳細清單并畫出加工簡圖。鋼筋翻樣在實際應用過程中分為2種：一種是設計翻樣，指在設計階段對圖紙進行鋼筋翻樣，以統(tǒng)計圖紙中鋼筋用量為目的，用于造價預算及招投標工作；另一種是施工翻樣，即在設計翻樣的基礎上考慮接駁器、鋼筋接頭錯開距離等問題以指導現(xiàn)場施工。

2.1 計算規(guī)則整理

鉆孔灌注樁一般含有縱筋、螺旋箍以及加強箍，組成相對簡單；而地下連續(xù)墻包含縱向主筋、非加密水平筋、支撐處水平筋、立筋、桁架筋等一系列鋼筋近30種，同時，不同類型的地下連續(xù)墻，其計算規(guī)則也各不相同。

通過調研大量的鋼筋翻樣數(shù)據(jù)，針對鉆孔灌注樁及每一種地下連續(xù)墻類型內的每一種鋼筋，都制定了相應的輸出參數(shù)以及計算規(guī)則。選擇不同鋼筋類型，根據(jù)提示輸入對應參數(shù)（圖1），可以高速快捷地完成鋼筋翻樣。

2.2 斷料及接頭錯開

圖1 信息錄入界面

地下連續(xù)墻深度往往可達50 m以上。在地下連續(xù)墻以及鉆孔灌注樁的鋼筋翻樣過程中，縱向主筋占據(jù)其中很大的一部分，而鋼筋出廠的定尺長度一般為6、9、12 m。因此，需要使用接駁器將幾根定尺長度的鋼筋連接在一起以滿足縱向主筋的長度要求。系統(tǒng)會依據(jù)不同情況進行計算，完成斷料以及接駁器數(shù)量的統(tǒng)計。

GB 50666—2011《混凝土結構工程施工質量驗收規(guī)范》規(guī)定“縱向受力鋼筋機械連接接頭及焊接接頭連接區(qū)段的長度為35d（d為縱向受力鋼筋的較大直徑），且不小于500 mm”，同時，對同一連接區(qū)段內縱向受力鋼筋機械連接及焊接的接頭面積百分率作出了相應規(guī)定。

為考慮接頭錯開距離的問題，在輸入端預設了一個參數(shù)，并提示接頭錯開距離最短長度。以定尺長度9 m為例：

1）實際鋼筋長度為40 m，系統(tǒng)會給出“9×4＋4”的組合方式進行斷料。

2）實際鋼筋長度為37 m，直徑為36 mm，可以發(fā)現(xiàn)如果采用“9×4＋1”的組合方式會不滿足接頭錯開要求，此時假設輸入接頭錯開距離為2 m，則會給出“9×4＋1”及“3＋9×3＋7”的組合方式，可以滿足現(xiàn)場要求。

2.3 下料優(yōu)化

鋼筋優(yōu)化下料問題可以簡單表述為：目前項目現(xiàn)場需要相同等級和直徑并且長度為a1的鋼筋b1根，a2的鋼筋b2根，……，an的鋼筋bn根，在定尺長度一定的情況下，通過下料優(yōu)化，以總共使用定尺長度最少的方法來實現(xiàn)鋼筋下料。

針對一維線性鋼筋下料問題，常用的方法是線性規(guī)劃或整數(shù)規(guī)劃，包括Excel規(guī)劃求解[4]，LINGO求解以及MATLAB求解。此外，還可以使用AB分類法[5]、啟發(fā)式算法[6]和模擬退火算法[7]。上述解決方法都通過軟件內置算法來進行數(shù)據(jù)處理。在研究各方算法的基礎上，系統(tǒng)采用由局部最優(yōu)推向全局最優(yōu)的思路進行下料優(yōu)化，限制運算循環(huán)次數(shù)，作出近似最優(yōu)解，從而指導項目現(xiàn)場實現(xiàn)下料優(yōu)化。

以硬X射線項目標準段地下連續(xù)墻中鋼筋直徑為32 mm、鋼筋等級為HRB400的鋼筋下料優(yōu)化為例，需要實現(xiàn)下料優(yōu)化的鋼筋列表如圖2所示。

本次優(yōu)化目標是滿足圖2中的鋼筋下料要求，實現(xiàn)使用定尺長度鋼筋最少的下料優(yōu)化方案。

圖2 鋼筋長度與數(shù)量列表界面

經(jīng)系統(tǒng)計算后，得到下料優(yōu)化方案，如圖3所示。

圖3 下料優(yōu)化方案界面

對于圖3所表達的含義，以第一行為例：下料方案1為“（3 070×2＋1 887.351） mm”，余料為972.649 mm，這個方案共實行5次。 在下料方案1中，余料為972.649 mm，小于1 m，通常在項目上小于1 m的鋼筋會作為廢料被處理。而下料方案7中，余料為1 450.596 mm，大于1 m，并且有133根，數(shù)量龐大，全部廢棄會造成經(jīng)濟損失，因此，選擇進行二次優(yōu)化，即通過鋼筋下料接長來進一步提高鋼筋利用率。

2.4 下料接長

下料接長是將余料接長重新使用。項目現(xiàn)場一般會將長度大于1 m的余料重新使用。為應對可能出現(xiàn)的變化，設定了變量參數(shù)——廢料長度，作為邊界條件進行控制。

緊接圖3下料優(yōu)化方案中的數(shù)據(jù)，可以看到既有小于1 m的余料，也有大于1 m的余料。選擇進行下料接長后，系統(tǒng)會對大于1 m的余料進行下料接長處理（圖4、圖5）。

圖4 下料接長方案界面一

圖5 下料接長方案界面二

從圖4和圖5中可以發(fā)現(xiàn)，對直徑為32 mm的鋼筋進行下料接長后，可以接長出21根定尺長度為9 m的鋼筋，從而通過優(yōu)化再一次提高了鋼筋利用率。

3 實例分析

以實際的工程案例為例，挑選了硬X射線項目中幅寬6 m（標準幅）的一字形地下連續(xù)墻進行測試。

通過系統(tǒng)翻樣，得到鋼筋理論質量約為38.70 t，經(jīng)過比對，翻樣準確率高達98.5%，其中出入主要在水平筋數(shù)量的計算上。通過單幅下料優(yōu)化及接長，可比實際單幅節(jié)省鋼筋2.42 t，且在下料優(yōu)化組合內的地下連續(xù)墻數(shù)量越多，鋼筋的利用率將變得越高，具有很好的實際效用。

4 結語

本文以實際項目為載體，將理論開發(fā)軟件與現(xiàn)場實際相結合，針對工程實際中鋼筋翻樣問題，提出了一種切實可行且十分有效的解決方法：

1）通過輸入?yún)?shù)，快速進行鋼筋翻樣。

2）將翻樣數(shù)據(jù)進行下料優(yōu)化及接長，提高鋼筋利用率。

3）輸出數(shù)據(jù)統(tǒng)計報表，便于現(xiàn)場管理。

本文以地下連續(xù)墻與鉆孔灌注樁中的鋼筋翻樣為研究目標，目的是研發(fā)一種方便項目人員使用的鋼筋翻樣系統(tǒng)，并且提供下料優(yōu)化以及下料接長功能。通過算法研究切實幫助項目提高鋼筋利用率，實現(xiàn)降本增效。同時提供料單報表，便于指導施工。