亭子口大壩廊道自動化出圖研究與實現

曾令華 楊新軍

(長江勘測規劃設計研究院,武漢 430010)

1 問題提出

大壩除需保證自身結構安全外,還要滿足壩基灌漿、壩內交通、觀測、設備擺放、排水等方面的要求,因此需要在壩內設置廊道系統。廊道在相交時,因斷面尺寸不同,廊道接頭型式也多種多樣;受地形開挖等因素影響,還常產生斜廊道;另外,廊道還經常要開孔、開洞、開槽等。這樣廊道不僅結構復雜,鋼筋接頭也千奇百怪,繪制鋼筋圖(表)更是費時費力的工作。

嘉陵江亭子口水利樞紐工程位于四川蒼溪縣內,大壩為混凝土重力壩,壩軸線總長995.4m,壩頂高程465m,最大壩高116m。河床中間布置表孔、底孔及消能建筑物,河床左側布置壩后式電站廠房,河床右側布置垂直升船機,兩岸布置非溢流壩段。

壩址處于九龍山背斜東南翼,出露地層為白堊系下統蒼溪組長石石英砂巖、粘土巖、粉砂巖和巖屑砂巖等。巖層近水平,微傾下游偏左岸,傾角1°～5°。巖體由軟巖與中硬巖互層組成,巖層內均存在緩傾下游的軟弱夾層,軟弱夾層力學參數低,為解決大壩深層抗滑穩定問題,表、底孔均采用底流消能型式,并在河床壩段、消力池部位設置帷幕灌漿及排水廊道,采用封閉抽排方式,以降低壩基揚壓力。大壩廊道系統比較復雜,施工圖若仍采用傳統手工繪制,將需要投入大量人力,也難以滿足工程進度要求。

在20世紀90年代,武漢水利水電大學[1-3]對廊道CAD進行過專門研究。起初他們開發了參數化的 “混凝土壩內廊道配筋CAD系統”;后來為克服只能繪制特定幾種體型廊道的不足,又采用積木式模塊化方法開發了 “大體積水工結構配筋CAD系統”,試圖通過有限個積木模塊的拼接,滿足工程多樣化的需要。不過,由于實際工程中廊道的體型是變化多樣的,很難窮舉,甚至在施工圖階段也經常修改;尤其是相貫處的接頭型式發生變化,原有系統須增加新的類型庫,更不提隨時可能的開孔開槽等情況。另外若僅用二維圖形表達,對于設計人員檢查在廊道相貫處的鋼筋分布情況,不直觀也不方便,不容易發現空間布置上可能的問題。重慶交通大學在CATIAV5上開發了 “水電站大壩廊道三維配筋CAD系統”[4],收集并建立相交廊道的數學模型,實現可視化操作。但由于鋼筋樣式被固定,設計人員不能對實際中可能出現的復雜情況進行有效干預,如孔槽、新的鋼筋接頭、任意添加剖切面等等。

為體現出效率上的優勢,提高軟件的通用、實用性,我們提出對任意廊道三維建模,在實體上按設計要求布設鋼筋,定義剖切面,最后自動生成二維施工圖。這涉及到許多技術問題,如鋼筋的建模、空間布置,三維信息到二維轉換,自動生成標注等等。本文將做介紹。

2 鋼筋建模

2.1 鋼筋與結構關系

廊道是典型的大體積結構配筋,鋼筋主要依附在廊道結構表面。在頂部和側墻布置倒U型豎向受力筋,及水平直線的架立筋;底板上縱橫布置受力筋和架立筋。相貫接頭處的鋼筋形狀比較復雜,但也還主要是貼結構面布置。因此鋼筋與廊道面輪廓近似,在結構面上形成鋼筋網。由于結構面幾何信息已知,鋼筋的幾何信息就可以由它偏移而生成。本系統中鋼筋面和結構面以共用的面編碼建立聯系[5],將鋼筋信息和結構模型集成為一個統一的模型。

2.2 鋼筋創建過程

系統根據已知的結構面信息生成鋼筋信息,之間相距一個保護層,因此需考慮如何根據廊道結構面自動偏移生成鋼筋。在廊道中,鋼筋位于混凝土結構表面 (相距保護層)且鋼筋沿結構表面分布排列。本系統利用這一特性由混凝土構造鋼筋,即“面偏移→平面切片→交線后處理→生成鋼筋”。具體步驟是:

(1)對需要布設鋼筋的結構面進行偏移,得到“鋼筋網面”。

(2)沿鋼筋布設方向按間距步長 (扣除首尾保護層)定義若干平行平面。

(3)上述"鋼筋網面"和平行平面進行求交運算,得到若干線,是為初始鋼筋線。

(4)對相臨面上初始鋼筋線進行修補,消除交叉或裂縫后,使之相連接成鋼筋。

(5)根據端頭所在面是否相同及形狀、距離關系,進行鋼筋線的自動分組。

(6)根據設計要求進行端頭延長/縮短/彎鉤等處理,形成與實際一致的鋼筋信息,進行三維顯示,并在樹視上添加新增鋼筋節點。

2.3 鋼筋編輯功能

根據廊道結構面自動生成的鋼筋信息可能與實際工程要求有偏差,如實際中要求局部加密、修改鋼筋長度、局部段重疊布置、同一根鋼筋不同段保護層可能不一樣等;為提高靈活性,還需提供鋼筋編輯功能。系統提供了如下幾個層次的鋼筋編輯功能:

(1)鋼筋組:拷貝、移動、分組、合并、加密、修改端頭、改變偏移關系、修改保護層、修改鋼筋參數等。

(2)鋼筋段:面裁剪、延伸、合并、連接、增加段、彎折、修改保護層等。

3 信息轉換

3.1 技術路線

鋼筋的三維實體創建后,最終還是需要在平面圖上反映,包括信息表,因此需要一個中間模塊實現二三維的信息轉換。為表達廊道斷面布筋原則及鋼筋信息,需要在斷面定義剖切面;為表達頂面/底面的鋼筋布置情況,需要定義頂面/底面投影面;有時為了反映側墻鋼筋布設情況,還需在側墻定義立向投影面,同時把其上部的圓弧面上及附近鋼筋一起輸出。因此,采用剖切、投影,以及這兩者結合的方式,可以實現三維空間鋼筋到二維的信息轉換。

3.2 技術難題

鋼筋的三維信息轉為二維是一個很繁瑣的過程,需要解決信息的工程解釋、剔除及擴展等一系列難題,比如:

(1)信息的工程解釋:工程圖是帶有工程意義的抽象表達,除保證幾何意義外,還應包含一些屬性信息,如編號、直徑、間距、數目等。

(2)鋼筋可見性判斷:先根據鋼筋與剖面方向關系,判斷出是點筋還是分布筋或截面筋。若鋼筋與剖面相交,按點筋輸出;否則,若鋼筋與剖面距離小于1/2鋼筋間距,輸出線筋。

(3)投影面的擴展:在投影輸出廊道底面鋼筋時,按習慣還要求輸出側立面上的點/線筋;反之亦然。這時需將投影面 (底面/側面)沿一個方向擴展。

(4)信息表。信息表除反映鋼筋的長度等數據外,還要求繪制鋼筋形狀,并以合理的方位放置。

(5)鋼筋編號。鋼筋編號也在這階段確定。用戶要能干預某組鋼筋的編號,以及設置空號,或者在某號后面加 “'” 。

(6)容差闕值。實現某些近似判斷。如剖切時鋼筋與剖面雖不平行但夾角很小,仍優先以線筋處理;長度相差很小的同組鋼筋合并等。

4 工程圖自動生成

本系統目標是自動生成二維工程圖,不僅包括輪廓線幾何信息,還有鋼筋的標注信息。本系統利用OpenDwg在脫離CAD平臺的情況下,寫入包含這些信息的dwg文件。

系統首先讀取前面轉換過來的二維結構輪廓線、鋼筋線點等幾何信息,繪制幾何圖形。然后讀取標注信息,判斷出是點筋、截筋還是分布筋等標注類型,根據標注規則進行解釋,確定標注的全部信息。為減少自動標注產生的文字重疊,本系統預先將圖紙空間進行網格劃分,新增標注體占用網格點須沒有被占用,否則尋找新的標注位置或更改標注型式。通過以上分析,我們按如下步驟實現自動標注:(1)圖紙初始化:將圖形區域進行縱橫網格劃分,每個網格點賦初屬性值為0(表示沒有標注單元或其它圖素覆蓋該網格)。(2)繪制結構線及鋼筋線點,設置它們所占用的網格點屬性值為1,表示這些網格被占用。(3)根據三維傳來的鋼筋信息,確定標注型式、文本內容,并初定標注插入點坐標。(4)根據標注插入點,初定標注區域,計算該標注占用的網格點位置。(5)若占用的網格點屬性值全為0,則該位置可以放置標注,并將這些網格點屬性值設為1;否則,調整插入點位置,返回步驟 (3)。(6)在當前位置生成標注線、標注引線、箭頭等元素,完成該標注。(7)取下一標注,返回步驟 (3),直至完成最后一個標注。

5 結 語

系統已運用于嘉陵江亭子口水利樞紐的大壩廊道設計中。目前已完成左、右非基礎廊道及16#～21#壩段297高程以下所有廊道配筋設計。運用本系統,工程師只需關注三維空間鋼筋布置原則及干涉情況,如一次性處理好廊道相貫處的鋼筋拼接情況,圖面標注和信息表都自動生成,工作效率成倍提高,較好滿足了工程進度要求。

圖1 自動生成的鋼筋圖及信息表

本系統根據水工建筑特點,將傳統平面設計上升為可視三維設計,實現了任意廊道結構施工圖全自動生成這一壯舉。

基礎廊道三維配筋模型 圖3 排水廊道三維配筋模型

[1]李麗.積木式CAD軟件在水工廊道設計中的應用.人民長江,1999,30(4):36～37

[2]夏唯等.廊道CAD軟件的鋼筋拼接設計.工程圖學學報,200l,22(1):75～79

[3]張玉峰等.大體積水工結構配筋CAD研究.計算機輔助設計與圖形學學報,2002,14(4):1～4

[4]杜廷娜等.水電站大壩廊道三維配筋CAD系統設計.重慶大學學報 (自然科學版),2007,30(10):82～86

[5]蘇曉峰等.形狀特征中的拓撲元素編碼體系.計算機輔助設計與圖形學學報,2000,12(2):137～141