基于平法施工圖自動生成鋼筋三維模型技術的研究及工程實踐應用

徐旻洋

(上?，F代建筑設計(集團)有限公司， 200041　上海)

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基于平法施工圖自動生成鋼筋三維模型技術的研究及工程實踐應用

徐旻洋

(上?，F代建筑設計(集團)有限公司， 200041上海)

【摘要】目前國內在工程建設領域一般還依賴傳統的二維CAD設計，結構專業鋼筋布置圖紙表達主要依靠平面整體表示方法。隨著工程項目的復雜性和對設計效率和質量要求的不斷提升，平法施工圖的不足逐漸顯露：表達不直觀；定位信息不全；對錯漏碰缺不易避免等，難以直接指導施工。作者通過平法施工圖自動生成鋼筋三維模型技術，在工程實踐中開展基于鋼筋三維模型的相關應用，以提升工程設計效率與質量。本文將以工程項目上海交通大學醫學院附屬瑞金醫院腫瘤(質子)中心為例，闡述平法施工圖自動生成鋼筋三維模型的方法，以及基于鋼筋三維模型開展的相關應用，包括：平法施工圖自動生成鋼筋三維模型；鋼筋與鋼筋之間、鋼筋與預埋件之間以及復雜配筋節點的碰撞校對；基于鋼筋三維模型的工程算量；配筋合規性檢查。

【關鍵詞】平法施工圖；鋼筋三維模型；鋼筋碰撞校對；鋼筋工程算量；配筋合規性檢查

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.02.012

引言

目前國內在工程建設領域一般還依賴傳統的二維CAD設計，即采用二維設計軟件完成工程施工圖設計。其中，結構專業鋼筋布置的圖紙表達主要依靠平面整體表示方法(簡稱“平法”)，為了規范各地的圖示方法，中華人民共和國建設部于2003年1月20日下發通知，批準《混凝土結構施工圖平面整體表示方法制圖規則和構造樣圖》作為國家建筑標準設計圖集(簡稱平法圖集，圖集號03G101-1)，于2003年2月15日執行。建筑結構施工圖平面整體設計方法已創建十幾年，對混凝土結構施工圖的傳統設計表達方法作了重大改革，它將結構構件的尺寸和配筋等，整體直接表達在各類構件在結構平面布置圖上，使用時需與標準構造詳圖配合。毋庸置疑，施工圖平法標注的標準化，推動了我國建筑行業的發展，據設計部門統計，使用施工圖平法標注后，圖紙數量減少65%～80%，綜合工作日減少70%，其效率顯而易見[1-4]。

平法的核心是表達鋼筋信息，平法改變了傳統的將各個構件逐個繪制詳圖的繁瑣方法，使單張圖紙的信息量高而集中，提高了設計效率[5]。但是，隨著計算機硬件和軟件技術的不斷進步，工程界對建設項目運行的效率和成本也提出了更高的要求。隨之，平法施工圖的不足逐漸顯露：表達不直觀，容易產生歧義；鋼筋定位信息不全，難以直接指導施工；二維施工圖紙對錯漏碰缺不易避免，給現場施工帶來很大的困難；必須借助第三方軟件才可以進行鋼筋、混凝土的算量。另一方面，很多新設計的建筑物體型越來越復雜，功能越來越龐大，施工越來越困難，傳統的二維設計已經難以勝任[6]。

面對種種現實，建筑信息模型(Building Information Modeling，簡稱BIM)技術的出現成為社會進步的必然，建筑信息模型是由幾何數據和非幾何數據兩部分組成的數字化建筑模型。BIM的涵義可以分為兩個層面：BIM是基于三維模型進行工程項目相關數據創建和使用的技術，可用于工程建設中的可視化、性能化分析、沖突檢查、標準檢查、工程算量、施工模擬、竣工模型等用途；BIM是項目全體參與人員協同工作的共享數據源，BIM可提高工程參與方的協同工作效率，并為設施從創建到拆除的全壽命期管理提供決策依據。隨著BIM技術在工程建設行業應用的不斷深入，已經取得了不少成果，包括：提高工程設計效率與質量、縮短設計周期、在一定程度上避免圖紙錯誤等，為設計人員更好地表達設計意圖創造了條件。

但是，由于創建鋼筋三維模型存在的技術壁壘，如表1所示，且施工階段目前仍然依賴于傳統平法施工圖表達的現狀，導致結構專業游離于BIM大環境之外，設計模式以及工作方式較為傳統，基于鋼筋三維模型的應用難以在工程項目中開展，包括：鋼筋通過三維實體表達后，尺寸和定位準確，可以直接指導施工；鋼筋與其他建筑對象之間的碰撞校對；基于鋼筋三維模型直接進行任意等級、任意直徑鋼筋的算量；配筋合規性檢查(配筋是否符合國家規范要求)等。

鑒于以上工程現狀，作者希望通過平法施工圖自動生成鋼筋三維模型技術，在工程實踐中開展基于鋼筋三維模型的相關應用，以提升工程設計效率與質量。本文將以工程項目上海交通大學醫學院附屬瑞金醫院腫瘤(質子)中心為例，闡述平法施工圖自動生成鋼筋三維模型的方法，以及基于鋼筋三維模型開展的相關應用，包括：平法施工圖自動生成鋼筋三維模型；鋼筋與鋼筋之間、鋼筋與預埋件之間以及復雜配筋節點的碰撞校對；基于鋼筋三維模型的工程算量；配筋合規性檢查。

1項目概述

上海交通大學醫學院附屬瑞金醫院腫瘤(質子)中心項目(以下簡稱質子醫院)，總建筑面積為26 075m2，其中地上建筑面積13 415m2，地下建筑面積12 660m2。項目新建一幢地下1層地上3層的質子中心樓，一幢地下1層地上2層的能源中心樓，以及污水處理等配套工程。包括質子治療區(含質子治療設備)、門診診療區、醫技用房、科研培訓用房及后勤保障配套設施，項目效果圖如圖1所示。該工程位于上海市嘉定區馬陸鎮嘉定新城中心地帶，東至依瑪路，南至丁單路，西至合作路，北至雙丁路，用地面積約26 280m2。項目建設用地由嘉定區政府無償劃撥。項目涉及單位：建設單位，上海交通大學醫學院附屬瑞金醫院；代建單位，上海申康衛生基建管理有限公司；BIM咨詢及工程設計單位，華東建筑集團股份有限公司；監理單位，上海建科工程咨詢有限公司；施工單位，上海建工一建集團有限公司。

質子醫院被上海市市委指定為BIM技術應用試點項目，項目各參與方為響應市委號召，積極采用較為成熟的BIM技術，并貫徹執行于整個項目建設過程中。本項目將成為BIM技術應用的示范性項目，為未來政府性投資項目的BIM技術應用提供指導和示范。

質子治療設備及其周邊結構的設計部署是這個項目的重點及難點所在。質子治療設備屬于高精度儀器，放置于基地南部，成長條形布置，為避免質子能源中心及常規設備區對質子放療區的影響，將質子能源中心和常規設備區臨近質子放療區拓開11m的距離單獨建造。直線加速器(地下一層)上方不得有其他功能的人員經?；顒拥姆块g，方案將直線加速器設置于基地西部，上方為大片的綠地。如圖2所示，質子治療設備為圖中綠色設備，圖3為設備三維模型。

2平法施工圖自動生成鋼筋三維模型

以設計院提交的結構專業二維施工圖作為數據源，基于C#程序設計語言，開發用于讀取Autodesk CAD軟件中構件信息的插件，讀取DWG格式施工圖圖紙中的構件(梁、柱、墻、板)幾何信息和鋼筋信息(平法集中標注及原位標注、鋼筋詳圖表示)，如梁平法信息、柱配筋詳圖和墻配筋詳圖等，如圖4所示。

將讀取的信息輸出到構件信息表，如圖5所示。構件信息表采用XML，xml是一種標記語言，用于承載數據的，本身無格式但要符合標記語言的結構，可以通過CSS實現格式化顯示，主要用于不依賴格式的數據承載媒介。選用XML格式，是一種可以與設計人員交互的數據存儲方式，其中所列出的各類參數都可以修改。用于在導出數據后，方便結構工程師查看構件信息表，并確認信息是否正確。

最后再基于三維建模軟件Autodesk REVIT和Nemetschek Allplan的二次開發，導入構件信息表中的數據，依據工程圖紙和國家標準系列圖集(11G101-1、11G101-2、11G101-3、12G901)，創建混凝土和鋼筋三維模型。

其中，凡是涉及鋼筋的任何細部構造要求，都務求做到與規范或國家標準圖集相一致，能真實的通過施工圖信息生成鋼筋三維模型，用以開展后續工程應用。在過程中，主要考慮到的鋼筋配置信息為：所有鋼筋的混凝土保護層厚度；縱向鋼筋(插筋)的布置與長度、錨固長度、彎鉤內直徑、連接接頭的相互錯開、鋼筋機械連接區段長度、位于同一連接區段內的縱向鋼筋接頭百分率、負筋的接長位置等等；箍筋的設置包括數量、肢數；在柱和梁內箍筋的加密區與非加密區布置；柱符合箍筋采用的大箍套小箍的組合方式、柱封閉箍筋彎鉤位置沿柱豎向按順時針方向(或逆時針方向)順序排布等[7-8]。

鋼筋通過三維實體表達后，尺寸和定位準確，可以直接指導施工，可以極大的改善施工過程中鋼筋綁扎隨意、質量低下的問題，對施工質量的提升具有重大意義。

3基于鋼筋三維模型的碰撞校對

在質子醫院項目中，基于鋼筋三維模型的碰撞校對主要分為兩種：鋼筋與鋼筋之間的碰撞校對；鋼筋與預埋件之間的碰撞校對。

鋼筋與鋼筋之間的碰撞校對應用面極廣，只要有梁柱墻板連接的地方，就容易發生鋼筋與鋼筋之間的碰撞，如圖6a所示，是一個梁柱鋼筋節點。在二維施工圖中，只能分別在梁平法配筋圖和柱配筋詳圖中查看其配筋情況，很容易存在鋼筋碰撞的現象。通過鋼筋三維模型的建立和碰撞檢測工具的應用，可以迅速查得鋼筋碰撞位置，并加以修改完善，通過軟件重新輸出構件信息表，并更新到二維平法施工圖中。

鋼筋與預埋件之間的碰撞，雖不常見，但是處理起來難度較高。質子醫院項目中，由于在B1層布置了質子治療設備，該設備質量超大，且對精度要求極高，因此B1層質子治療倉的結構布置也較為特殊。除了采用2.8m厚的超厚剪力墻外，還在墻和樓板中預埋了大型鋼板及型鋼構件，如圖6所示，用于保證質子治療設備的正常運行。

大型鋼板和型鋼構件的預埋對墻體鋼筋布置造成了很大的困難。其中，大型鋼板都是貼在墻體或者樓板的一側布置，對于鋼筋布置影響不算太大，相當于是增加了一個洞口；型鋼構件的預埋對鋼筋布置的影響就大得多了，一方面它不是貼在墻體一側布置，相當于是被鋼筋“包裹”住的，另一方面它與墻體成角度布置。所以，在有型鋼構件預埋的區域，設計人員在做鋼筋配置的過程中，很難僅通過二維圖紙避開預埋型鋼，需要耗費大量的時間和精力，還容易造成設計失誤。

基于鋼筋三維模型的設計可以大大提高解決此類問題的效率。通過鋼筋三維模型的建立，可以準確判斷鋼筋與墻體預埋件之間的碰撞關系，并直接在三維空間中修改鋼筋的布置方式。在完成對鋼筋與其他對象的碰撞校對，并修改完善后，通過軟件重新輸出構件信息表，并更新到二維平法施工圖中。

通過這種基于平法施工圖快速生成三維鋼筋模型的方式，可以迅速得到鋼筋與其他對象的碰撞結果，并優化結構設計。提升設計質量。

4基于鋼筋三維模型的工程算量

根據建設部頒布的《建設工程工程量清單計價規范》(GB50500-2003)第四章混凝土及鋼筋混凝土工程中規定，投標方發布工程量清單時，鋼筋工程必須作為單獨的一個清單子目列出來。但計算鋼筋的工程量是一項非常繁瑣的工作，而且工程圖紙又以平面整體方法表示，對于鋼筋里面的一些錨固、搭接長度、箍筋的加密長度等參數又不在工程圖紙上表示出來，計算鋼筋工程量是一項非常困難的工作。

鋼筋工程量的計算主要取決于鋼筋下料長度的計算，以往借助平法圖集查找相關公式和參數，通過手工計算求出各類鋼筋的長度，再乘以相應的根數和理論重量，就能得到鋼筋重量。

鋼筋工程量=鋼筋下料長度(m)*相應鋼筋每米重量(kg/m)

式中，鋼筋下料長度(m)=構件圖示尺寸-混凝土保護層厚度+鋼筋彎鉤增加長度+彎起鋼筋彎起部分的增加長度-量度差(鋼筋彎曲調整值)+圖中已注明的搭接長度。

本文所提出的方法是基于鋼筋三維模型直接進行任意等級、任意直徑鋼筋的工程算量。將基于平法施工圖生成的構件信息表，導入到Nemetschek Allplan，即可對各類鋼筋混凝土構件的鋼筋工程量作出詳細準確的統計。Allpna是一款側重于預制構件拆分及加工的三維設計軟件，對于鋼筋的空間布置及定義、錨固長度、彎鉤內直徑、鋼筋機械連接區段長度、位于同一連接區段內的縱向鋼筋接頭百分率、箍筋的加密區與非加密區布置等都可以通過構件信息表導入過程中的參數設定完成設置，如圖7所示。

通過鋼筋三維模型，以及基于Allplan軟件的二次開發，可根據輸入的構件信息及參數，直接得出工程項目鋼筋列表，包括鋼筋直徑、彎折示意、單根長度、數量、重量等信息，如圖8所示。

鋼筋的工程量計算完全根據輸入的信息和軟件自動計算方法決定，去除了人員因素，實現鋼筋算量工作的程序化，在大大降低工作量的算量難度的基礎上，提升了鋼筋工程算量的效率及準確性。

5基于鋼筋三維模型的配筋合規性檢查

在工程設計過程中，經常由于建筑方案的調整或者其他原因，需要調整結構構件的截面設置和鋼筋配置情況。但是，在調整配筋過程中，容易發生配筋結果不再符合國家相關規范的情況，即發生超筋、少筋等現象。此類設計失誤必須在施工前檢測出并做出修改，否則極易造成工程質量問題。

對于正常的結構設計過程，在調整構件對象的截面尺寸后，應該重新進行結構設計并重新配筋，但在實際設計過程中，設計人員經常貪圖快捷直接手動修改鋼筋配置，容易導致超筋或少筋的出現。在質子醫院項目中，由于B1層特殊設備的存在，設備安置處周邊的結構設計異常復雜，調整頻繁，極易發生設計失誤的現象。

基于此，開發了基于鋼筋三維模型的配筋合規性檢查插件。通過上文所述的構件信息表中的構件和鋼筋信息，形成構件計算表，如圖9所示。在計算表中，包括每個待檢查構件的編號信息、截面信息、配筋信息，根據國家規范的相關規定，通過計算程序驗證構件是否存在超筋或少筋的情況。針對不滿足規范要求的構件對象，將作出提示并等待修改完成后重新校核?，F在的程序設定雖然只進行超筋及少筋的檢測，但時具有極高的工程應用價值。

6結論

本文通過平法施工圖自動生成鋼筋三維模型技術，以上海交通大學醫學院附屬瑞金醫院腫瘤(質子)中心為例，在工程實踐中開展基于鋼筋三維模型的相關應用。

1)以結構專業二維施工圖作為數據源，開發用于讀取Autodesk CAD軟件中構件信息的插件，讀取DWG格式施工圖圖紙中的構件(梁、柱、墻、板)幾何信息和鋼筋信息(平法集中標注及原位標注、鋼筋詳圖表示)，生成構件信息表，并在三維建模軟件中自動創建混凝土和鋼筋三維模型。

2)基于鋼筋三維模型的碰撞校對，包括鋼筋與鋼筋之間的碰撞和鋼筋與預埋件之間的碰撞。通過鋼筋三維模型的建立，可以準確判斷鋼筋與鋼筋或預埋件之間的碰撞關系，直接在三維空間中修改鋼筋的布置方式，并更新到二維平法施工圖中。以此迅速得到鋼筋與其他對象的碰撞結果，優化結構設計，提升設計質量。

3)通過鋼筋三維模型，以及基于Nemetschek Allplan軟件的二次開發，可根據輸入的構件信息及參數，直接得出工程項目鋼筋列表，包括鋼筋直徑、彎折示意、單根長度、數量、重量等信息。鋼筋的工程量計算完全根據輸入的信息和軟件自動計算方法決定，去除了人員因素，實現鋼筋算量工作的程序化，在大大降低工作量的算量難度的基礎上，提升了鋼筋工程算量的效率及準確性。

4)針對結構設計中經常出現的超筋和少筋現象，通過構件信息表中的構件和鋼筋信息，形成配筋合規性檢查計算表，根據國家規范的相關規定，通過計算程序驗證構件是否存在超筋或少筋的情況，并提示修改配筋，具有極高的工程應用價值。

7展望

本文所述的構件信息表，包含了構件信息和配筋信息。展望以后的鋼筋加工方式：將鋼筋信息，包括鋼筋長度、錨固長度、彎鉤內直徑、箍筋數量、肢數、加密區與非加密區布置等信息，直接傳遞給預制工廠生產線上的中央處理器，再通過中央處理器按照鋼筋類型分配給不同的鋼筋加工設備完成相應的鋼筋加工工作。例如，通過自動化鋼筋彎折機完成鋼筋調直、定尺、彎箍、折斷等工作；通過鋼筋桁架鋪設設備完成鋼筋桁架焊接工作。

通過這種工作模式，鋼筋加工直接由工廠預制生產線完成，再運輸到施工現場進行綁扎或者直接在工廠完成鋼筋籠制作，可以大大提高工程施工精度、保障完工質量，有效提升管理效率。

參考文獻

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The Research and Engineering Practice of Automatic Generating from Flat Overall Representation to Reinforced Three-Dimensional Model

Xu Minyang

(ShanghaiXianDaiArchitecturalDesign(Group)Co.，Ltd.，Shanghai200041，China)

Key Words：Flat Overall Representation；Reinforced Three-dimensional Model；Reinforced Collision Calibration；Reinforced Engineering Budgeting；Reinforced Compliance Check

Abstract:Traditional two-dimensional CAD design is still the main trend in the current domestic construction field，and the reinforced drawings mainly rely on flat overall representation in structure industry.As the complexity of engineering projects and the requirement of efficiency and quality continuously rise，the disadvantages of flat overall representation method are gradually revealed，including that it is not intuitive，incomplete of location information，difficult to avoid collision or directly guide construction.This article discusses the automatic generating from flat overall representation to reinforced three-dimensional model，the engineering practice of reinforced three-dimensional model and the relevant improvement of design efficiency and quality.The Cancer(proton)Center，Shanghai Jiao Tong University Affiliated Ruijin Hospital case is used to expound the process of automatic generating and the application of three-dimensional model，including reinforced collision calibration between bar and bar，bar and embedded part，and in complex nodes，engineering budgeting based on reinforced three-dimensional model，and reinforced compliance check.

【基金項目】上海市科學技術委員會科研計劃項目“房屋建筑工程信息模型應用基礎關鍵技術研究與示范”(編號： 15DZ1203400)

【作者簡介】徐旻洋(1989-)，男，助理工程師，主要從事建筑信息化方面的研究工作。

【中圖分類號】TU318; TU17

【文獻標識碼】A

【文章編號】1674-7461(2016)02-0077-07