鋼結(jié)構(gòu)橋梁工程空間三維放樣及二次開發(fā)研究*

郭盛超，鄧凌云，柳 京，汪茂松，劉文杰，周俊杰

(中建鋼構(gòu)武漢有限公司，湖北 武漢 430000)

0 引言

隨著國(guó)家基礎(chǔ)建設(shè)工程的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)橋梁工程日益增多，為提高施工效率，需對(duì)原始設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，以方便加工廠制造。在成橋狀態(tài)下，橋梁為空間彎扭結(jié)構(gòu)，為便于構(gòu)件實(shí)際放樣和精度控制，需建立橋梁整體三維模型，因此橋梁工程空間三維放樣成為橋梁深化設(shè)計(jì)工作中的重點(diǎn)。傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)橋梁深化三維放樣過程均為人工處理，過程繁瑣，效率偏低，且極易出錯(cuò)，不能滿足當(dāng)前工作和圖紙需求，亟待自動(dòng)化插件系統(tǒng)。

1 研究?jī)?nèi)容

梁式鋼橋工程中主要有鋼板梁、鋼桁梁、鋼箱梁3種形式，鋼板梁和鋼桁梁的結(jié)構(gòu)形式較簡(jiǎn)單，選擇特定型材截面按線型拉伸即能完成放樣。

鋼箱梁結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，根據(jù)截面類型可分為單箱單室、單箱多室、多箱多室等，其結(jié)構(gòu)均由頂板、底板、腹板、隔板四大類主構(gòu)件和加勁肋構(gòu)成(見圖1)，根據(jù)制造要求，四大類主要構(gòu)件結(jié)構(gòu)形式相對(duì)較復(fù)雜，三維放樣需準(zhǔn)確。

圖1 鋼箱梁結(jié)構(gòu)示意

2 流程介紹

2.1 放樣流程

1)立面放樣 立面放樣也稱為高程放樣，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，將設(shè)計(jì)高度(相對(duì)高度或假定高程系)放到施工實(shí)體上，標(biāo)出各隔板高度的具體位置，放樣結(jié)果稱為立面圖或豎曲線圖。

2)平面放樣 平面放樣根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，將頂板平面和底板平面的設(shè)計(jì)中心線、外輪廓線、隔板平面定位線、縱向加勁肋(U肋、T肋或板肋)定位線按實(shí)際位置放樣，放樣結(jié)果稱為平面圖或平曲線圖。

3)隔板放樣 根據(jù)原設(shè)計(jì)圖紙、立面圖及平面圖，將隔板截面按真實(shí)尺寸繪制完成，根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)形式的差異，放樣得到的隔板截面尺寸和數(shù)量也不同。

4)三維放樣 使用AutoCAD等計(jì)算機(jī)輔助軟件，根據(jù)立面圖(豎曲線圖)、平面圖(平曲線圖)、隔板截面圖，在三維空間精確反映出鋼結(jié)構(gòu)橋梁主結(jié)構(gòu)相對(duì)位置關(guān)系。放樣結(jié)果為三維線模，此過程在整個(gè)放樣階段耗時(shí)最長(zhǎng)，也最繁瑣。

2.2 重難點(diǎn)

1)立面放樣和平面放樣中各參數(shù)應(yīng)與初始設(shè)計(jì)圖數(shù)據(jù)保持一致，同時(shí)各環(huán)節(jié)應(yīng)相互驗(yàn)證，確保無相互矛盾的參數(shù)。

2)三維放樣的隔板截面高程應(yīng)準(zhǔn)確，還應(yīng)與平面圖(平曲線圖)中定位線一致，橫坡值的準(zhǔn)確性也是重點(diǎn)控制要素之一。

3 軟件開發(fā)

3.1 開發(fā)分析

由于鋼結(jié)構(gòu)橋梁結(jié)構(gòu)在類型上有較大差異，立面圖、平面圖、隔板截面等在細(xì)節(jié)上基本不同，不具有通用性，故不適宜開發(fā)輔助軟件；而三維放樣是對(duì)已有數(shù)據(jù)操作轉(zhuǎn)化的過程，此過程雖較繁瑣，但其操作流程與橋型無關(guān)，具有通用性，適合開發(fā)輔助軟件。

3.2 開發(fā)簡(jiǎn)介

目前AutoCAD支持多種開發(fā)語言，其中VB，C#，DotNET等語言開發(fā)的軟件嚴(yán)重依賴AutoCAD版本，版本不同不可通用，而使用AutoLisp和VisualLisp語言開發(fā)的軟件無版本限制，因此適合開發(fā)使用。

3.3 核心原理

AutoCAD軟件運(yùn)行和保存的文件拓展名常見的有dwg和dxf，其本質(zhì)結(jié)構(gòu)為一個(gè)分類存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)庫，dwg文件中的對(duì)象(如直線、圓、曲線、標(biāo)注、表格等)均以特定數(shù)據(jù)格式存儲(chǔ)，而對(duì)文件中對(duì)象的操作(如移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、縮放等)本質(zhì)上均為數(shù)據(jù)值的轉(zhuǎn)換。

根據(jù)3D 圖形編程的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，世界坐標(biāo)系中的一個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)與一個(gè)四維矩陣進(jìn)行向量積運(yùn)算，可實(shí)現(xiàn)平移、旋轉(zhuǎn)和縮放等變換。

1)點(diǎn)的平移矩陣運(yùn)算 笛卡兒世界坐標(biāo)系中，點(diǎn)P(x，y，z)經(jīng)x方向移動(dòng)tx，y方向移動(dòng)ty，z方向移動(dòng)tz至點(diǎn)P′(x′，y′，z′)，由此可列出平移矩陣運(yùn)算方程。

三維空間平移：

(1)

2)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)矩陣運(yùn)算 笛卡兒世界坐標(biāo)系中，點(diǎn)P(x，y，z)繞任意軸旋轉(zhuǎn)算法可分解為繞x，y，z軸基礎(chǔ)旋轉(zhuǎn)，設(shè)點(diǎn)P(x，y，z)繞坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)θ角得到點(diǎn)P′(x′，y′，z′)，由此可列出旋轉(zhuǎn)矩陣運(yùn)算方程。

繞x軸旋轉(zhuǎn)：

(2)

繞y軸旋轉(zhuǎn)：

(3)

繞z軸旋轉(zhuǎn)：

(4)

最終任意軸旋轉(zhuǎn)矩陣B=Rx(-α)Ry(β)Rz(θ)Ry(-β)Rx(α),其中α，β均為由θ分解至各坐標(biāo)軸的分量。

3)點(diǎn)的縮放矩陣運(yùn)算 笛卡兒世界坐標(biāo)系中，點(diǎn)P(x，y，z)以原點(diǎn)O為基點(diǎn)縮放S倍，即向量放大S倍，分解可得x方向放大S倍，y方向放大S倍，z方向放大S倍，由此可列出縮放矩陣運(yùn)算方程。

空間向量縮放：

(5)

通過上述3組矩陣，可對(duì)任意三維對(duì)象進(jìn)行空間平移、旋轉(zhuǎn)、縮放單獨(dú)運(yùn)算，若同時(shí)存在3種運(yùn)算，將3組矩陣按序相乘，即T=ABC，再對(duì)此對(duì)象進(jìn)行T矩陣運(yùn)算可獲得最終運(yùn)算結(jié)果。

橋梁三維線模放樣核心運(yùn)算為識(shí)別對(duì)應(yīng)隔板平面投影線、隔板截面、高程線，通過旋轉(zhuǎn)、平移的矩陣運(yùn)算更改隔板截面對(duì)象模型中的數(shù)據(jù)，從而在準(zhǔn)確的位置放置此隔板截面，循環(huán)上述過程，即完成隔板三維線模放樣。

3.4 開發(fā)思路

根據(jù)軟件操作的便捷性和流程性，將操作流程設(shè)置為不同的選擇按鈕自上而下依次放置，程序內(nèi)部自帶數(shù)量校核功能，可免去人工校核的繁瑣過程，系統(tǒng)內(nèi)部自動(dòng)校核通過時(shí)，“確定”按鈕自動(dòng)從不可點(diǎn)擊狀態(tài)恢復(fù)為可點(diǎn)擊狀態(tài)，窗口右側(cè)展示線模最終效果，如圖2所示。

圖2 橋梁深化腹板三維放樣軟件界面

4 實(shí)際運(yùn)用

1)準(zhǔn)備工作 準(zhǔn)備隔板斷面、平面、立面圖(見圖3～5)，且各圖層需做好區(qū)分。

圖3 橋梁典型斷面

圖4 橋梁典型立面

圖5 橋梁典型平面

2)數(shù)量校核 為保證軟件正常運(yùn)行和三維放樣結(jié)果準(zhǔn)確，需確認(rèn)立面圖隔板定位線數(shù)量、平面圖隔板定位線數(shù)量、隔板斷面數(shù)量三者相等。

3)按序選擇 根據(jù)軟件界面左側(cè)按鈕自上而下，依次選擇平面圖隔板定位線→立面圖隔板高程→所有隔板斷面→確定，即建成三維線模，如圖6所示。

圖6 橋梁三維線模效果

5 結(jié)語

鋼結(jié)構(gòu)橋梁工程放樣過程是深化設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，用計(jì)算機(jī)輔助自動(dòng)化過程替代手工過程，可極大提升橋梁三維放樣工作效率。大量試驗(yàn)證明，普通鋼箱梁橋梁(弧形平曲線，長(zhǎng)約120m)的放樣效率可由手動(dòng)120min提升至自動(dòng)放樣3min內(nèi)，節(jié)省時(shí)間97.5%，且準(zhǔn)確度可達(dá)100%。本成果的研發(fā)擴(kuò)展了一種自動(dòng)化的空間三維結(jié)構(gòu)放樣模式，避免結(jié)構(gòu)從深化階段到制造階段因人為因素導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)錯(cuò)誤和結(jié)構(gòu)缺失，使復(fù)雜結(jié)構(gòu)三維放樣更加敏捷、高效，且具有普遍的實(shí)用性和通用性，初步體現(xiàn)了以“科技是第一生產(chǎn)力”為核心理念的計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件開發(fā)技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中所能創(chuàng)造和蘊(yùn)藏的巨大價(jià)值。