基于3DEXPERIENCE平臺的裝配式擋土墻三維參數(shù)化設計方法

孫永超 李健剛 韓寶良 孔越 王寧

北京市市政工程設計研究總院有限公司 100082

引言

裝配式鋼筋混凝土擋土墻簡稱裝配式擋土墻，由預制板、基礎、二次現(xiàn)澆基礎組成，擋土墻頂部為混凝土蓋板及預制混凝土掛板，混凝土蓋板與預制板之間現(xiàn)澆0～25cm混凝土，標準長度為2m，蓋板上方為防撞墻或裝飾欄桿。結構裝配化是建筑工業(yè)化的主要特征之一［1］，隨著現(xiàn)代工程建設的不斷發(fā)展，加之裝配式擋土墻施工方便、外形整齊簡潔，使得裝配式擋土墻在城市道路及近城區(qū)公路建設中應用越來越廣泛。

在傳統(tǒng)二維設計中多結合裝配式擋土墻結構通用圖進行裝配式擋土墻設計，擋土墻的尺寸規(guī)格選型通常是設計的重點亦是難點，其根本原因在于擋土墻的尺寸規(guī)格受道路路面及設計地面等多重因素影響，且需滿足基礎頂埋置深度不小于0.5m、預制板頂與蓋板間現(xiàn)澆混凝土高度不大于0.25m、基礎分段長度不大于16m 等多重條件。BIM技術引領了一場從設計理念到設計手段的信息化革命［2］，帶來了三維參數(shù)化設計的快速發(fā)展。與其他三維設計軟件相比，3DEXPERIENCE平臺作為一款三維設計軟件，不僅具有強大的三維參數(shù)化協(xié)同設計能力，還可以實現(xiàn)設計成果實時更新、設計信息的互聯(lián)互通。而且它為不同角色的使用者提供了協(xié)同的環(huán)境，解決了以往企業(yè)不同平臺間相互協(xié)作的問題。鑒于裝配式擋土墻二維設計現(xiàn)狀，本文基于3DEXPERIENCE 平臺，利用知識工程語言進行了裝配式擋土墻（以下簡稱擋墻）三維參數(shù)化設計的應用研究。

1 基于3DEXPERIENCE平臺二次開發(fā)技術

1.1 3DEXPERIENCE平臺簡介

3DEXPERIENCE 平臺，簡稱3DE 平臺，是一個包括設計、仿真、分析工具（CATIA、DELMIA、SIMULIA、BIOVIA、VKBE等）、協(xié)同環(huán)境（VPM）、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（ENOVIA）、社區(qū)協(xié)作（3DSwym）、大數(shù)據(jù)技術（EXALEAD）等多種應用的一體化平臺。

1.2 基于3DEXPERIENCE 平臺的CATIA 模塊二次開發(fā)方法

達索公司的3DEXPERIENCE（3DE）平臺作為CATIA V6 版本，集成了CATIA 所有功能，并提供并行、修改協(xié)同等功能，因此對3DE 平臺的CATIA模塊進行二次開發(fā)更具有應用價值［3］。

CATIA提供了四種二次開發(fā)方式，分別為：Interactive User Defined Feature、Knowledge ware、Automation API、CAA C++和JAVA API。除了第一種開發(fā)方式無需編程外，后面三種都需要采用一定的編程手段來實現(xiàn)［4］。本項目主要基于Interactive User Defined Feature、Knowledge ware 兩種開發(fā)方法進行了裝配式擋土墻參數(shù)化設計模塊研究與開發(fā)。

1.Interactive User Defined Feature

Interactive User Defined Feature即交互式自定義特征，是用戶基于CATIA進行交互式定義參數(shù)化特征（模板）的一種方法。用戶通過該方法，可創(chuàng)建三種參數(shù)化模板：UDF（用戶自定義特征）、Power Copy（超級副本）、工程模板。

UDF、Power Copy 屬于特征模板類型，用于零件內(nèi)特征的實例化，Power Copy 包含整個建模過程，UDF不包含整個建模過程，只顯示設計參數(shù)和最終結果。工程模板屬于產(chǎn)品或零件模板類型，用于產(chǎn)品結構下產(chǎn)品或零件的實例化。

2.Knowledge ware

Knowledge ware 即智能構件，它是一種反饋式的，基于規(guī)則的、面向目標的客戶化方式。通過CATIA知識工程模塊，利用其內(nèi)嵌的企業(yè)知識語言（EKL：Enterprise Knowledge Language），將規(guī)范的設計信息、最優(yōu)的設計方法和流程等隱含的知識轉化為正則的顯示的知識。將設計經(jīng)驗、設計流程、知識體系，以參數(shù)（Parameters）、公式（Formulas）、規(guī)則（Rules）、檢查（Checks）、報告（Reports）、設計表（Design Tables）、反應（Reactions）、創(chuàng)成式腳本（Generative Scripts）等多種形式表示出來，通過這些設計經(jīng)驗、設計流程、知識體系的重用，實現(xiàn)產(chǎn)品的參數(shù)化設計、合規(guī)性檢查、設計成果優(yōu)化。

2 基于3DEXPERIENCE平臺裝配式擋土墻參數(shù)化設計模塊開發(fā)

2.1 裝配式擋土墻參數(shù)化設計模塊開發(fā)技術路線

鑒于當前設計現(xiàn)狀，結合軟件的研發(fā)適應性及研發(fā)成本，本文采用Interactive User Defined Feature和Knowledge ware結合應用的二次開發(fā)方式，進行裝配式擋土墻參數(shù)化設計的應用研究，其技術路線如圖1 所示。

圖1 技術路線Fig.1 The technical route

2.2 裝配式擋土墻設計要點、難點梳理

1.裝配式擋土墻設計要點及難點

（1）裝配式擋土墻類型選擇

裝配式擋土墻按是否設置防撞墻分為含防撞墻裝配式擋土墻、不含防撞墻裝配式擋土墻；按是否設隔音屏分為設隔音屏裝配式擋土墻、不設隔音屏裝配式擋土墻；按防撞墻等級分為裝配式鋼筋混凝土擋土墻（防撞A 級）、裝配式鋼筋混凝土擋土墻（防撞SA級）、裝配式鋼筋混凝土擋土墻（防撞SB 級）。根據(jù)以上規(guī)則，將裝配式擋土墻劃分為以下幾個類型：A 級有風、A 級無風、SA級有風、SA 級無風、SB 級有風、SB 級無風、非防撞有風、非防撞無風。不同類型的擋土墻，其尺寸規(guī)格不同，在設計初期應根據(jù)道路條件、地基情況選擇對應的擋土墻類型。

（2）現(xiàn)澆混凝土厚度及板間分塊計算

擋墻設計的關鍵是控制現(xiàn)澆混凝土厚度、確定擋墻規(guī)格及板間分塊，現(xiàn)澆混凝土厚度應控制在0～25cm之間，如圖2 所示。受擋土墻基礎分段長度不大于16m這一條件限制，板間分塊個數(shù)不大于8。由于現(xiàn)澆混凝土厚度、擋墻規(guī)格及板間分塊受道路邊線、地面設計線控制，加之道路邊線、地面設計線并非二維規(guī)則直線或曲線，因此現(xiàn)澆混凝土厚度及板間分塊計算是擋墻設計的一大難點。

圖2 裝配式擋土墻三維及立面圖Fig.2 3D and Elevation of assembled retaining wall

（3）擋墻規(guī)格設計

在擋墻設計時，擋墻的規(guī)格選擇是設計的要點也是難點，擋墻的規(guī)格主要由道路條件（道路邊線）、地面或人行道或主輔隔離帶設計高（簡稱設計地面）、地基類型等因素確定。每種規(guī)格的擋墻，對應一種預制板高H1及墻體各部分尺寸，具體部件尺寸見圖3。預制板高H1由道路邊線斷面高程、現(xiàn)澆混凝土厚度、設計地面及擋墻規(guī)格4個要素確定。由于道路平曲線、縱斷線、橫斷面的復雜性，設計地面高低起伏，致使每個橫斷面上道路邊線斷面高程、現(xiàn)澆混凝土厚度、地面或人行道、主輔隔離帶設計高程基本上都不一致，另外預制板高H1受擋墻規(guī)格限制，必須為0.25m的倍數(shù)，因此預制板高H1的確定尤為困難。

圖3 裝配式擋土墻橫斷面及俯視圖（單位：cm）Fig.3 The cross section and top view of assembled retaining wall（unit：cm）

（4）擋墻設計成果輸出

擋墻的設計成果主要包含擋墻平面布置圖、擋墻縱斷設計圖、擋墻橫斷面圖、擋墻設計成果表。擋墻平面布置圖主要是確定擋墻平面位置，成果數(shù)據(jù)為擋墻設計起點樁號及對應主線樁號、擋墻設計終點樁號及對應主線樁號；擋墻縱斷設計圖主要是確定板間分塊、每組擋墻類型，成果數(shù)據(jù)為擋墻墻頂設計高、板頂設計高、板間分塊、基礎頂設計高、地面高、樁號。擋墻橫斷面圖主要用于擋墻的斷面表達，每種擋墻類型對應一種擋墻橫斷面通用圖。在進行擋墻設計時，首先要確定擋墻類型、擋墻設計起終點樁號，然后根據(jù)擋墻類型確定擋墻橫斷面通用圖，最后根據(jù)擋墻類型、擋墻設計起終點樁號結合道路條件（道路邊線）、地面或人行道或主輔隔離帶設計高、地基類型，進行擋墻參數(shù)化設計，得到擋墻縱斷設計圖。

2.裝配式擋土墻設計要素、參數(shù)及輸入條件、輸出成果

（1）擋墻設計要素

擋墻的設計要素主要有擋墻位置、擋墻類型、地基類型、道路條件、設計地面條件。

（2）擋墻設計參數(shù)

擋墻總控參數(shù)為：擋墻位置、擋墻類型、地基類型、起點樁號、終點樁號；擋墻細部參數(shù)為：預制板頂標高、基礎頂標高、板高H1及擋土墻各部尺寸（a、b、c、d、b寬、B、Bt、Ht、hc、b+0.16hc）、混凝土方量（預制墻面板、墻頂現(xiàn)澆段、基礎混凝土方量）。

（3）擋墻輸入條件

擋墻輸入條件為道路邊線、道路中心線、設計地面。

（4）擋墻輸出成果

擋墻輸出成果為：擋墻平面布置圖、擋墻橫斷面圖、擋墻設計參數(shù)表、擋墻縱斷設計圖、擋墻設計模型。

2.3 參數(shù)化模板創(chuàng)建

擋墻設計的參數(shù)化模板主要有擋墻二維表達模板、擋墻三維實體模板、附屬設施模板，除二維表達模板為UDF模板外，其他模板均為工程模板。

1.裝配式擋土墻模板創(chuàng)建

擋墻二維表達模板用于擋墻縱斷設計圖的繪制，其輸入條件為道路邊線投影線、單個擋墻起點、單個擋墻終點，設計參數(shù)為擋墻位置（道路左側擋墻、道路右側擋墻）及擋墻細部參數(shù)；擋墻三維實體模板用于擋墻設計模型的創(chuàng)建，其輸入條件為道路邊線、道路邊線投影線、單個擋墻起點、單個擋墻終點，設計參數(shù)為擋墻位置、擋墻類型、地基類型及擋墻細部參數(shù)。利用公式將設計參數(shù)與設計表（圖4）中參數(shù)建立關聯(lián)關系，通過擋墻類型及地基類型參數(shù)驅(qū)動不同擋墻類型下設計表中的擋墻細部參數(shù)的調(diào)整，通過板高H1（預制板頂標高與基礎頂標高差值）驅(qū)動同一設計表下每組擋墻細部參數(shù)調(diào)整。利用輸入條件、設計參數(shù)、設計表，創(chuàng)建預制板橫斷面二維表達圖及擋墻實體模型，完成擋墻二維表達模板及三維實體模板創(chuàng)建。

圖4 設計表Fig.4 Design table

2.附屬設施模板創(chuàng)建

附屬設施主要包含防撞墻、防撞護欄、隔音屏等構件。為了實現(xiàn)不同擋墻類型對應附屬設施模型的創(chuàng)建，附屬設施模板采用集成式模板創(chuàng)建方法，即利用EKL 語言通過規(guī)則、檢查等方法，將同一類中多種形式的模板通過一定的規(guī)則設置，統(tǒng)一到一個模板中，這樣不僅可避免多個模板的重復創(chuàng)建，還可實現(xiàn)后期多種附屬設施結構形式之間的靈活調(diào)整，便于方案比選。

附屬設施模板輸入條件為道路邊線、設計起點、設計終點，設計參數(shù)為防撞墻位置、防撞墻類型、是否設置隔音屏、細部參數(shù)等。通過防撞墻類型（A 級有風、A 級無風、SA 級有風、SA級無風、SB 級無風、非防撞有風、非防撞無風），利用規(guī)則確定不同的附屬設施結構形式選擇。通過輸入條件、參數(shù)、完成不同附屬設施結構實體的創(chuàng)建，形成附屬設施集成式模板，如圖5 所示。

圖5 附屬設施集成式模板Fig.5 Integrated formwork for auxiliary facilities

2.4 裝配式擋土墻參數(shù)化設計程序編寫

1.程序設計流程

為了實現(xiàn)擋墻的程序化設計，本文對擋墻設計流程進行了規(guī)劃，如圖6 所示。基于Knowledge ware 二次開發(fā)方式，利用EKL 語言編寫了多個程序：擋墻參數(shù)化設計程序、擋墻設計成果表輸出程序、擋墻縱斷線創(chuàng)建程序、擋墻平面布置創(chuàng)建程序、擋墻參數(shù)化建模程序。

圖6 裝配式擋墻設計流程Fig.6 Design process of assembled retaining wall

2.擋墻參數(shù)化設計程序

擋墻參數(shù)化設計程序是整個擋墻設計程序的核心程序，其作用在于通過程序算法對擋墻進行參數(shù)化設計。在滿足現(xiàn)澆混凝土厚度不大于250mm及板間分塊不大于8 的前提下，根據(jù)輸入條件及參數(shù)，求得擋墻設計范圍內(nèi)擋墻類型組數(shù)（即板間分塊m 個數(shù)）以及每組擋墻類型的板間分塊m、板頂設計高程、墻頂設計高程、預制板頂高程、基礎頂高程、預制板高H1、擋墻設計樁號、每組擋墻對應地面線首尾高程等，其數(shù)據(jù)列表結構及部分代碼如圖7 所示。

圖7 擋墻設計程序數(shù)據(jù)列表及部分代碼Fig.7 Design program data list and some codes of assembled retaining wall

3.擋墻縱斷線創(chuàng)建程序

擋墻縱斷線創(chuàng)建程序，其作用在于通過程序算法依據(jù)擋墻設計程序求得的設計參數(shù)，創(chuàng)建墻頂設計線、板頂設計線、地面設計線、基礎頂設計線，繪制縱斷圖表格，并對擋墻二維表達模板進行實例化，完成擋墻縱斷設計線的創(chuàng)建，其數(shù)據(jù)列表結構及部分代碼如圖8 所示。

圖8 縱斷線創(chuàng)建程序數(shù)據(jù)列表及部分代碼Fig.8 Data list and part of codes of vertical break line creation program

4.擋墻設計成果表輸出程序

利用EKL 語言在本地磁盤創(chuàng)建擋墻設計成果表，并將擋墻縱斷設計圖中需要的參數(shù)：墻頂設計高、板頂設計高、板間分塊、基礎頂設計高、地面高、樁號，批量輸出到擋墻設計成果表（單位為m）中，實現(xiàn)擋墻設計成果表的輸出。

5.擋墻平面布置圖創(chuàng)建程序

擋墻平面布置圖創(chuàng)建程序，其作用在于通過程序算法根據(jù)擋墻設計起點樁號、終點樁號，創(chuàng)建擋墻平面布置圖。設計人通過選擇道路左邊線、中心線、右邊線，即可實現(xiàn)擋墻平面布置圖的快速創(chuàng)建。

6.擋墻及防撞附屬設施參數(shù)化建模程序

擋墻及防撞附屬設施參數(shù)化建模程序，基于EKL語言編程實現(xiàn)。通過資源表實現(xiàn)模板資源的獲取，基于EKL 程序建立骨架、設計參數(shù)、擋墻及防撞附屬設施三維實體模板的關聯(lián)，實現(xiàn)基于骨架的參數(shù)化建模。

2.5 裝配式擋土墻整體設計程序整合

為了實現(xiàn)擋墻整體設計程序整合，本文基于EKL語言、產(chǎn)品裝配方法，將相關程序（參數(shù)化設計程序、擋墻縱斷線創(chuàng)建程序、擋墻設計成果表輸出程序、擋墻平面布置圖創(chuàng)建程序、擋墻及防撞附屬設施參數(shù)化建模程序）、設計骨架、參數(shù)化模板整合在一起，建立了裝配式擋土墻產(chǎn)品知識模板。在進行裝配式擋土墻設計時，設計人只需輸入設計條件（道路邊線、道路中心線、設計地面）、設計參數(shù)（擋墻位置、擋墻類型、起終點樁號、地基類型），即可實現(xiàn)擋墻的參數(shù)化設計、出圖及建模，解決傳統(tǒng)擋墻設計中的難點。

3 裝配式擋土墻參數(shù)化設計模塊在工程中的應用

3.1 工程概況

XC干路道路等級為主干路，全長約6.5km，非建成區(qū)段道路紅線寬45m，設計速度采用60km/h，建成區(qū)段道路紅線寬44m，設計速度采用50km/h。

本項目工程范圍共設置8 條擋土墻，均為裝配式擋土墻。其中1#～4#，7#～8#采用非防撞裝配式鋼筋混凝土擋墻，5#～6#擋墻采用SA 級裝配式鋼筋混凝土擋墻。擋墻墻身采用C35 混凝土預制，基礎采用C30 混凝土現(xiàn)澆。預制墻面板為扶壁式，高度H1為0.75m～7.75m，級差為25cm；墻面板立面為矩形，墻板頂部現(xiàn)澆0～25cm 混凝土，擋土墻頂部采用預制鋼筋混凝土掛板。1#～4#，7#～8#擋墻設扶手欄桿，5#～6#擋墻采用與橋梁相同形式的防撞護欄。地基為黏土地基和砂卵石地基兩種情況。

3.2 擋墻參數(shù)化設計模塊在工程中的應用

1.擋墻參數(shù)化設計

利用裝配式擋土墻參數(shù)化設計模塊，對XC干路1#～2#裝配式擋土墻進行參數(shù)化設計，并輸出擋墻設計表。通過程序設計，得出本設計范圍內(nèi)共需設置擋墻2 組，每組8 塊，擋墻板高H1為1.5m及2m。

2.擋墻及防撞附屬設施參數(shù)化建模

擋墻設計完成后，利用擋墻及防撞附屬設施參數(shù)化建模程序，基于擋墻設計骨架、三維實體模板、設計成果數(shù)據(jù)，利用“骨架+模板”技術［5］完成擋墻及防撞附屬設施的參數(shù)化建模，三維設計成果如圖9 所示。

圖9 三維設計成果Fig.9 3D design results

3.擋墻設計成果輸出

利用裝配式擋土墻縱斷線創(chuàng)建程序，創(chuàng)建擋墻縱斷線，基于擋墻設計成果表，完成擋墻縱斷圖的創(chuàng)建。利用擋墻平面布置圖創(chuàng)建程序，創(chuàng)建擋墻平面布置圖。通過導出功能完成擋墻設計成果輸出，如圖10 所示。

圖10 裝配式擋土墻設計圖Fig.10 The design drawing of assembled retaining wall

4 結語

為了實現(xiàn)擋墻的參數(shù)化設計，本文基于3DEXPERIENCE平臺，利用知識工程語言進行了裝配式擋土墻參數(shù)化設計的應用研究，提出了一種新的三維參數(shù)化設計方法及整體設計程序解決方案：基于EKL程序設計的產(chǎn)品知識模板方法。通過該方法，實現(xiàn)了設計經(jīng)驗、設計規(guī)則與產(chǎn)品設計的融合，實現(xiàn)了裝配式擋土墻的參數(shù)化設計及出圖，并在工程項目中進行了應用實踐，可為后續(xù)裝配式擋土墻的參數(shù)化設計提供指導與借鑒。