水工結構全自動布筋設計方法

楊新軍,朱文婷

(1.長江勘測規劃設計研究院,湖北武漢 430010;2.河海大學土木與交通學院,江蘇南京 210098)

CAD技術的發展已突破一貫的二維交互設計模式,要求實現全過程三維可視化設計,包括利用三維模型生成工程圖。鑒于三維設計在鋼結構、管道等結構的成功應用[1-2],采用三維技術實現水工結構設計成為現實要求。長江勘測規劃設計研究院主持研制的水工建筑物三維可視化CAD系統,針對水工結構復雜多變的特點,在已建模的水工建筑物上布設立體鋼筋,可針對任意體型的水工建筑物進行結構設計,已應用于其承擔的眾多開工項目中[3]。設計人員通過拾取布筋結構面,指定布筋方向和范圍,系統可創建出鋼筋立體模型,并自動生成二維施工圖及信息表,顯著提高了設計工作效率。但是該系統存在以下不足:用戶需要逐個拾取面,比較繁瑣,特別是在結構復雜、結構面很多時人工交互工作量非常大,甚至容易漏面或重復布筋。鑒于此,本文對此進行改進,提出全自動布筋方法。采用該方法,設計人員只需指定某方向的配筋參數(鋼筋直徑、間距等),無需逐一選面,該方向鋼筋可全部自動生成。在實際工程中的應用表明,改進后的系統不僅效率高,操作也更加簡單。

1 設計方案

1.1 鋼筋建模原理

三維鋼筋的構造應自動化程度高,用戶操作簡單快捷,否則難以提高效率,影響其實用性和生命力。當前流行的三維造型系統中,最常見的基本造型方法是拉伸、掃掠、放樣、曲面等。圖1顯示了幾種常見實體建模方法:拉伸——先在1個拉伸草圖平面上繪制閉合的拉伸輪廓線,然后拉伸草圖輪廓線沿垂直于草圖平面的方向拉伸形成1個拉伸實體;掃掠——先在互不平行的2個草圖平面上分別繪出掃掠輪廓線(閉合)和掃掠路徑線,然后掃掠輪廓線沿掃掠路徑線掃掠生成掃掠實體;放樣——先在n個草圖平面上作n個閉合的放樣輪廓,然后平滑放樣形成1個實體,使各個放樣輪廓線位于該實體表面。

鋼筋在混凝土中是一系列的線,因此鋼筋建模主要是如何構造出這些線的立體信息[4]。對于水工建筑這樣的大體積混凝土結構而言,控制性的受拉區通常位于混凝土結構外表面,因此鋼筋主要位于結構面上,且按某一方向分布排列。因此,在構造鋼筋時可以基于這種相似性,提取結構面沿鋼筋排列方向的離散信息,為生成鋼筋線提供支持。在操作上,通過一系列垂直于鋼筋排列方向的切面(平面)截切結構外表面,得到一系列的截交線(這些截交線的形狀與鋼筋的形狀是相似的);再對這些截交線進行適當修正,就可以得到所需的鋼筋線,如圖2所示。

圖1 幾種常見實體建模方法

圖2 切面截切結構表面得到鋼筋線

1.2 相關術語定義

全自動布筋設計方法涉及以下術語:切面、環和鈍點。將切面定義為沿鋼筋布設方向建立足夠大的平面。如圖2所示,切面法線方向與鋼筋排列方向相同。切面按實際鋼筋間距依次與結構體表面進行求交運算,得到的交線集就是原始鋼筋線。環是有序線段的集合。若環的首尾點重合,稱作閉環。每個切面與結構體相交得到的交線集構成至少1個閉環。鈍點是環上的1個端點,它相鄰的2條線段在實體側的夾角大于180°。1個環上至少有1個端點是鈍點。如圖3所示,A點是鈍點,B,C,D點都不是鈍點。

圖3 鈍點及判斷方法

鈍點可采用如下方法判斷:將某點相鄰的2條線段延長,若延長后的2個端點在混凝土結構內,則該點是鈍點;反之,則不是鈍點。因此,只要判斷出向交點方向延長后的端點位置關系,就可以判斷出該點是否為鈍點。

1.3 鋼筋線創建原理

位于鈍點兩側相鄰面上的2段鋼筋(如圖3的A點),為防止受拉后混凝土崩裂,它們不能連接成一根鋼筋,之間必須斷開,并作延長處理(錨固);不是鈍點的地方則可以連接(如圖3的 B點)。這2種處理方式分別稱為“剪刀筋”處理和連接處理。鋼筋的首尾端點通常是鈍點,故鋼筋的首段搜索從環上的鈍點開始。

圖4(a)為切面與結構面求交后的鋼筋線環(原始鋼筋線),圖4(b)為修改后完整的鋼筋線。從圖4可以發現,只要對前者進行適當處理,如對相鄰原始鋼筋線進行連接或“剪刀筋”處理,就可以獲得滿足設計要求的完整鋼筋。因此,只要判斷出交點是否為鈍點,確定相鄰鋼筋段的關系,就可以構造出鋼筋的完整形狀。這意味著只要選好配筋方向和起始范圍,計算機就可以創建出結構體各表面在此范圍內某一方向的所有鋼筋。此方法不用逐個選面,也不會漏掉面,可以大幅度提高操作效率。

圖4 鋼筋線及結構線

2 實現方法

改進后的鋼筋創建算法包括:原始鋼筋線生成、鋼筋連接、鋼筋分組和鋼筋端頭處理等。

2.1 原始鋼筋線生成

鋼筋線由切面與各結構表面布爾求交計算生成[5],因此需要確定好切面位置。通常情況下,配筋范圍總距離扣除首尾保護層厚度后,除以鋼筋間距得到切面數目,取整后再除總距離,得到調整后的實際間距,根據此實際間距可以定出所有切面位置。但是,若起始范圍內有一些孔洞,則其附近切面位置可能距離孔洞邊緣不一定恰好是保護層厚度(很近或很遠),這時需要調整切面位置。本文將配筋起始范圍劃分成幾個區域,在各區域內根據孔洞位置,分別確定切面實際間距,這樣切面位置與附近孔洞邊緣的距離就是保護層厚度。

確定好配筋范圍內的所有切面后,其與各結構面分別求交,生成若干交線,即為原始鋼筋線。原始鋼筋線還要根據需要進行修正,例如同一結構面上的鋼筋被非孔洞斷開且斷開距離很小時,需要恢復連接;若鋼筋長度由外表面控制,則要將線的端點坐標替換成它與外表面的交點坐標。

2.2 鋼筋連接

前面生成的交線是一些孤立的線段,需要適當連接才能構成完整的鋼筋線。有些相鄰的鋼筋線又需斷開成2段(即所謂“剪刀筋”)。具體步驟如下:①將原始鋼筋線首尾依次連接,形成一系列封閉環;②尋找環上一鈍點,從這點開始逆時針搜索,依次尋找相鄰邊,直到找到邊的另一個端點為鈍點,其間找到的線連接成線串,形成一根完整的鋼筋;③從剩余鈍點開始繼續步驟②中的搜索,直至該環上所有邊都已搜索完成;④取下一個環開始繼續搜索。

2.3 鋼筋分組

為便于鋼筋在圖紙上的表達和統計,相同和相似的鋼筋應并入同一組。采用以下2個條件判斷:①各段所屬面相同;②鋼筋的起始面相同。具體步驟如下:①新建鋼筋組,將第一根鋼筋加入該組。②接下一根鋼筋處理,若其各段所屬結構面與前面已創建的某鋼筋組相同,則此根鋼筋加入該組,否則新建鋼筋組并將該鋼筋加入。持續操作直至所有鋼筋都已處理完畢。③對前面各組鋼筋進行修正,若相鄰鋼筋實際距離大于鋼筋間距,則新建鋼筋組并將該組內后面的鋼筋移入新鋼筋組。

2.4 鋼筋端頭處理

鋼筋端頭處理有延長、彎折和不處理3種,可由用戶選擇。但有時根據情況要做些強制處理,如鋼筋首尾端點若重合,表明為封閉鋼筋(如箍筋),應在彎折處理后延長1個焊接長度,延長后鋼筋端頭若到了結構體外,則要另作彎折處理。

3 工程應用實例

改進后的程序已運用在長江勘測規劃設計研究院承擔的烏江銀盤船閘、南水北調中線工程等項目的施工圖設計中[6]。設計時只需指定各方向的配筋參數(直徑、間距、保護層厚度等),無需選面,鋼筋可全部自動生成,而且不會出現在某一面上重復配筋的情況,大幅度提高了設計效率,簡化了人機交互操作程度。對少部分與設計意圖有差異的鋼筋,工程師可運用系統提供的功能進行可視化修改。圖5是采用本文方法得出的南水北調嚴陵河退水閘自動布筋結果。

圖5 南水北調嚴陵河退水閘自動布筋結果

4 結 語

本文提出了全自動布筋設計方法,采用該方法用戶只需定義某方向的布筋參數(鋼筋直徑、間距等),就可以實現自動布設鋼筋。該方法的不足是一次操作中所有鋼筋的排列方向必須相同。但在有些結構(如尾水管、蝸殼、牛腿)中,部分鋼筋的排列方向是不斷變化的。因此應用在這類結構中的部分鋼筋和本文設計要求有差異,尚需利用系統提供的可視化編輯功能修改,或者用傳統方法交互布筋。如何針對具體結構的體型和配筋特點,增加特殊部件的參數化配筋功能將是下一步工作即部件配筋研究的重點。

[1]SACKS R,EASTMAN CM,LEEG.Parametric 3D modeling in building construction with examples from precast concrete[J].Automation in Construction,2004,13(1):291-312.

[2]SACKS R,BARAK R.Impact of three-dimensional parametric modeling of buildings on productivity in structural engineering practice[J].Automation in Construction,2008,17(4):439-449.

[3]曾令華,楊新軍,亭子口大壩廊道自動化出圖研究與實現[J].水利技術監督 2010,18(5):34-36.

[4]錢玉森,李戰軍,鐘毅芳,等.水工鋼筋混凝土結構三維配筋CAD系統的方案及其實現[J].水利學報,1999,30(5):26-29.

[5]楊新軍,李進超,李江鷹.結構配筋程序化設計在三峽永久船閘中的應用[J].人民長江,1998,29(11):12-13.

[6]長江勘測規劃設計研究院.調水工程渠道及引水建筑物三維設計使用手冊[M].武漢:長江勘測規劃設計研究院,2011.