基于3DE的樁基工程三維建模程序開(kāi)發(fā)研究

劉慶舒，謝昔奎，陳改霞

（1.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072；2.首輔工程設(shè)計(jì)有限公司，四川 成都 610000）

0 前 言

運(yùn)用計(jì)算機(jī)信息技術(shù)，提高土木工程行業(yè)信息化水平，可以有效地提高行業(yè)技術(shù)水平和工程建設(shè)生產(chǎn)組織方式，提高工程公司企業(yè)管理水平和核心競(jìng)爭(zhēng)力。應(yīng)用建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術(shù)可以大大提高工程行業(yè)信息化水平。BIM技術(shù)最基礎(chǔ)的特征之一是三維可視化。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design）軟件的應(yīng)用大大方便了土木工程行業(yè)的三維設(shè)計(jì)［1］。

目前市面上有多種通用的三維設(shè)計(jì)軟件，比如Revit、Bentley、3DExperience等。市場(chǎng)上出現(xiàn)了一些獨(dú)立平臺(tái)上的巖土三維設(shè)計(jì)軟件，并能與Autodesk公司的AutoCAD交互，提供三維展示、二維出圖等，但在與其他土木工程三維設(shè)計(jì)集成、與BIM平臺(tái)集成方相比還有欠缺。目前有研究者針對(duì)“工程量清單項(xiàng)（比如，研究鋼筋、錨桿、梁）”開(kāi)展基于三維設(shè)計(jì)基礎(chǔ)平臺(tái)土木工程全專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)軟件研究［2］。

本文基于通用平臺(tái)3DExperience開(kāi)展樁基工程三維設(shè)計(jì)技術(shù)研究。

1 3DE平臺(tái)知識(shí)工程

在3DExperience平臺(tái)中，知識(shí)工程是通過(guò)一系列的參數(shù)化、規(guī)則管理、知識(shí)管理工具、內(nèi)置編程語(yǔ)言、開(kāi)發(fā)接口等工具，進(jìn)行組織、復(fù)用設(shè)計(jì)過(guò)程和知識(shí)的方法。3DExperience中有參數(shù)和公式、設(shè)計(jì)表、規(guī)則、操作等基礎(chǔ)知識(shí)工程工具，有超級(jí)副本（PC）、用戶(hù)自定義特征（UDF）和工程模板等高級(jí)知識(shí)工程工具。3DExperience還提供EKL、VBA等內(nèi)置的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言以及C++開(kāi)發(fā)接口。基于3DE平臺(tái)的知識(shí)工程可以開(kāi)展一系列的三維設(shè)計(jì)定制［3］。

從使用的便利性而言，非專(zhuān)業(yè)軟件開(kāi)發(fā)人員一般采用超級(jí)副本（PC）、用戶(hù)自定義特征（UDF）和工程模板等高級(jí)知識(shí)工程工具構(gòu)建基本模型單元，然后采用EKL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)的建模邏輯［4］。

2 樁基工程設(shè)計(jì)概況

樁基是一種常見(jiàn)的深基礎(chǔ)形式，可以根據(jù)樁的受力情況、施工方法、功能、材料、斷面形式進(jìn)行分類(lèi)。不同的樁有不同的設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)中需要考慮樁基形式的合理選擇，持力層與樁長(zhǎng)的合理選擇，樁的布置，水平承載能力復(fù)核，樁基施工設(shè)計(jì)，樁基施工對(duì)周邊環(huán)境的影響，技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比等。根據(jù)樁的不同功能，還需要考慮不同的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。

就樁的幾何設(shè)計(jì)而言，主要在于樁基橫斷面選擇、樁長(zhǎng)設(shè)計(jì)、樁的布置。這些參數(shù)需根據(jù)工程的功能要求，地形、地質(zhì)條件，可施工性，技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較來(lái)計(jì)算分析確定。計(jì)算分析過(guò)程中，根據(jù)試算的參數(shù)開(kāi)展三維建模并進(jìn)行循環(huán)反復(fù)的計(jì)算分析。因此，三維建?？梢詮脑O(shè)計(jì)計(jì)算中獨(dú)立出來(lái)，單獨(dú)進(jìn)行研究［5］。

3 單樁模型

從樁的橫截面來(lái)區(qū)分，可以分為圓樁、矩形樁和異形樁。下面以圓樁為例進(jìn)行單樁的三維模型介紹。矩形樁和異形樁可以增加橫截面參數(shù)，然后利用3DE平臺(tái)草圖中的參數(shù)化實(shí)現(xiàn)相同的應(yīng)用。圓樁定義的參數(shù)如表1所示，參數(shù)具體含義參見(jiàn)圖1。

圖1 單樁模型

表1 圓樁參數(shù)

在3DE平臺(tái)中，新建一個(gè)產(chǎn)品，基于一個(gè)“孤立（isolated）”的點(diǎn)Point（x，y，z），樁徑D和樁長(zhǎng)L，外露長(zhǎng)度Delta做一個(gè)掃略實(shí)體，將其定義為樁基UDF，將表1中所有的參數(shù)發(fā)布為UDF的參數(shù)。再新建一個(gè)產(chǎn)品，在其中調(diào)用樁基UDF生成樁基實(shí)體（見(jiàn)圖1）。然后，基于第二個(gè)新建的產(chǎn)品定義樁基工程模板。使用EKL語(yǔ)言調(diào)用該模板即可快速生成樁基產(chǎn)品。

調(diào)用模板時(shí)需先將模板作為資源加載，EKL語(yǔ)言調(diào)用模板的關(guān)鍵語(yǔ)句如圖2所示。

圖2 EKL語(yǔ)言調(diào)用模板的關(guān)鍵語(yǔ)句

4 基于表格布置研究

工程設(shè)計(jì)中，為了便于施工人員、概預(yù)算人員使用設(shè)計(jì)信息，文件中常采用表格形式描述設(shè)計(jì)信息。比如樁基設(shè)計(jì)中，工程設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)特殊的點(diǎn)位布樁，通過(guò)在圖紙上讀取坐標(biāo)寫(xiě)入表格，再根據(jù)功能需要、計(jì)算分析等確定樁基設(shè)計(jì)其他參數(shù)。專(zhuān)業(yè)軟件通常也采用表格來(lái)布置樁基。特別是設(shè)計(jì)中需要調(diào)整個(gè)別設(shè)計(jì)參數(shù)、施工過(guò)程中產(chǎn)生變更的情況，設(shè)計(jì)人員一般只調(diào)整設(shè)計(jì)表格中的參數(shù)，并不會(huì)更新相關(guān)圖紙中的參數(shù)。三維設(shè)計(jì)中，為了確保三維模型與設(shè)計(jì)信息的一致性，有必要研究基于表格布置樁基的方法。

基于表格布置樁基需要解決兩個(gè)問(wèn)題：一是根據(jù)表格生成模型，二是根據(jù)表格調(diào)整模型。對(duì)第一類(lèi)問(wèn)題，遍歷表格，依次調(diào)用模板，并對(duì)參數(shù)賦值即可。對(duì)第二類(lèi)問(wèn)題，可通過(guò)樁的編號(hào)判斷是否有新增或刪除樁基，然后新增和刪除對(duì)應(yīng)的樁基，之后再遍歷一遍表格，修改對(duì)應(yīng)的參數(shù)即可（為了簡(jiǎn)化流程，這一步不再判斷是否為新增、是否有參數(shù)調(diào)整）。

5 樁基線性布置研究

在線形工程中，有時(shí)根據(jù)邊坡穩(wěn)定性需要沿線性方向設(shè)置抗滑樁，有時(shí)根據(jù)擋護(hù)結(jié)構(gòu)基地穩(wěn)定性需要沿?fù)鯄Φ撞吭O(shè)置線性的樁基托梁。在基坑工程中，為了減少開(kāi)挖對(duì)周邊環(huán)境的影響，需要沿基坑周邊線性地布置圍護(hù)樁。如果采用手工布置樁基，效率太低，需要對(duì)樁基線形布置進(jìn)行研究。

工程中，通常根據(jù)地形、地質(zhì)情況選定不利的位置布設(shè)樁基，并沿指定線性延展。在三維建模時(shí)，可以在指定曲線上選定一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，然后通過(guò)沿曲線平移規(guī)定的間距的方式來(lái)生成布置樁基的點(diǎn)。最后調(diào)用模板快速生成樁基，如圖3所示。

圖3 樁基線性布置

6 樁基平面網(wǎng)狀布置研究

在地基處理中，需要按矩形或梅花形布置樁基；在橋梁工程中，橋梁樁基也是平面布置的。在三維建模時(shí)，可以通過(guò)指定點(diǎn)沿兩個(gè)垂直的方向進(jìn)行擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)快速建模。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)需要區(qū)分矩形或梅花形布置、從角點(diǎn)開(kāi)始擴(kuò)展和從中心點(diǎn)開(kāi)始擴(kuò)展等方式，樁基高程又分為指定高程和與地面相交高程等模式。最后調(diào)用模板快速生成樁基，如圖4所示。

圖4 基坑樁基處理平面布置

7 附屬構(gòu)件建模

一般地，樁基工程中除了樁身，還有冠梁、墊層、承臺(tái)等附屬構(gòu)件。從工程實(shí)踐來(lái)看，這些附屬構(gòu)件可簡(jiǎn)化處理。在建模中，墊層和承臺(tái)簡(jiǎn)化為長(zhǎng)方體，冠梁簡(jiǎn)化為掃略。與樁身建模一樣，先分別建立墊層、冠梁和承臺(tái)的UDF模型、工程模板，再通過(guò)EKL語(yǔ)言調(diào)用即可生產(chǎn)需要的模型。

8 三維模型的組織及工程量統(tǒng)計(jì)

為了便于模型的組織，將一“組”樁基設(shè)置在同一個(gè)“產(chǎn)品（product）”下，在同一個(gè)產(chǎn)品中再插入冠梁等附屬構(gòu)件。該產(chǎn)品作為樁基工程，插入到更大的“站點(diǎn)（site）”“橋梁”“道路”等節(jié)點(diǎn)中。

通過(guò)遍歷目錄樹(shù)獲取每根樁基的參數(shù)、附屬構(gòu)件的參數(shù)，然后分類(lèi)統(tǒng)計(jì)即可形成樁基工程的工程數(shù)量表。

9 樁基工程三維建模應(yīng)用

某橋長(zhǎng)約2.1 km，共計(jì)51座橋墩，樁基300余根。采用本軟件基于表格進(jìn)行快速建模，效率極高，模型如圖5所示。

圖5 某橋梁樁基模型示意

某公路邊坡樁板墻支擋工程長(zhǎng)約120 m，共設(shè)置抗滑樁20余根。采用本軟件進(jìn)行快速建模并計(jì)量、出圖，應(yīng)用效果良好?？够瑯赌Ｐ腿鐖D6所示。

圖6 某公路邊坡樁板墻模型示意

10 結(jié)論及展望

基于上述分析，筆者基于3DE平臺(tái)快速建立了大量地基處理、橋梁工程、支擋結(jié)構(gòu)中的樁基三維模型。在軟件開(kāi)發(fā)和應(yīng)用中，有如下結(jié)論和建議：

（1）3DE平臺(tái)中，采用EKL語(yǔ)言調(diào)用用戶(hù)自定義特征（UDF）和工程模板建立的基礎(chǔ)模型進(jìn)行快速建模，技術(shù)路線是可行的。

（2）通過(guò)對(duì)樁基幾何設(shè)計(jì)各參數(shù)及建模邏輯關(guān)系的分析，按選定的技術(shù)路線進(jìn)行開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了樁基工程三維設(shè)計(jì)的快速建模，大大提高了樁基工程建模的效率。

（3）本技術(shù)方法可以預(yù)留樁基BIM信息，為后續(xù)BIM應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。樁基BIM信息可以包括樁基的幾何形狀、尺寸、材料、施工方法等。

（4）本研究中，未明確樁基幾何設(shè)計(jì)參數(shù)與功能、地質(zhì)等的相互關(guān)系，數(shù)值仿真方面還有欠缺。本建模軟件奠定了三維設(shè)計(jì)軟件的基礎(chǔ)，后續(xù)可以根據(jù)需要開(kāi)展相關(guān)研究，將該三維建模軟件形成專(zhuān)業(yè)的三維設(shè)計(jì)軟件。

（5）應(yīng)用本研究的方法可以對(duì)土木工程行業(yè)各種基礎(chǔ)的建模進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，形成一整套基于“工程量清單項(xiàng)”的三維建模庫(kù)和插件，大大提高土木工程行業(yè)三維建模的效率和通用性。