CAD三維建模在高鐵橋梁施工技術(shù)交底中的可視化應(yīng)用

吳建平 中鐵十七局集團有限公司

1 前言

在施工技術(shù)工作中，對下技術(shù)交底是一項非常重要且必不可少的工作。基于一般的書面性文字交底有時不能使被交底人很好的理解執(zhí)行，可能造成施工進(jìn)度緩慢，或因理解有誤而返工，造成一系列的損失，降低施工效益。若因此延誤工期，會讓施工單位承擔(dān)工期違約責(zé)任，使企業(yè)遭受經(jīng)濟與名譽的雙重?fù)p失。

由于二維圖形缺乏立體感，致使多數(shù)人需要經(jīng)過專業(yè)訓(xùn)練才能看懂其中所表示的確切意義；而三維圖形則不同，大多數(shù)人能一眼看明白其中含義。為了更快更準(zhǔn)確的掌握施工步驟及圖紙要求，現(xiàn)采用CAD三維建模與書面文字結(jié)合的方式來編寫施工技術(shù)交底書；利用三維建模直觀、可視化的優(yōu)點來進(jìn)行快速交底，進(jìn)而達(dá)到確保工程質(zhì)量、加快施工進(jìn)度、提高生產(chǎn)效率的目的。

2 建立實體三維模型

三維建模，就是利用三維數(shù)據(jù)將現(xiàn)實中的真實物體或場景在計算機中重建，借此模型，可以簡化認(rèn)知，更好更快的實現(xiàn)我們的研究目標(biāo)。三維建模在許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)在我們探討一下它在高鐵工程橋梁下部結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用：通過建立三維實體模型可以幫助我們更直觀、更立體的理解平面圖紙，進(jìn)而更好的指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

依照施工圖紙上的尺寸數(shù)據(jù)依次建立各結(jié)構(gòu)模型，建立模型時一般采用線框?qū)ο蠛蛯嶓w對象兩種方法進(jìn)行構(gòu)建。兩種方法各有優(yōu)缺點，比如使用線框?qū)ο蠼⒑唵文Ｐ蜁r方便快捷，但遇到復(fù)雜的、不規(guī)則模型時采用實體對象建立反而更容易，而且由實體對象建立的模型其信息更完整、歧義最少。因此在建模時這兩種方法可穿插使用，來提高建模效率。

對于同一個三維實體的構(gòu)建，可以有多種方式來完成其模型的建立，因此需要先分析此結(jié)構(gòu)的獨特點，從而采用簡單的操作方式來執(zhí)行。以圓端形實體墩身墩帽模型來說，如果直接采用曲面建模來執(zhí)行，則會加大建模難度。而如果我們換個思路，化繁為簡，可以先用二維線框來建立一個平面圖元，接下來使用創(chuàng)建面域“reg”命令將這個圖元創(chuàng)建為面域，再輸入“rev”旋轉(zhuǎn)命令將此面域沿旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)180°，就得到半個墩帽圓弧段模型，最后沿墩身中心軸進(jìn)行鏡像“mirror”命令，即可得到左右兩半模型。此方法雖然步驟較多，但思路清晰，命令簡單，可操作性強。

在以上建模思路的指導(dǎo)下，我們可以比較容易建立出樁基、承臺及墩身的三維模型，為我們下一步編制三維圖文式的技術(shù)交底書做好素材準(zhǔn)備。

3 編制三維圖文結(jié)合式的施工技術(shù)交底

3.1 鉆孔樁的作業(yè)

以新建鐵路連鎮(zhèn)段施工圖簡支箱梁A型承臺（4.8 m×10.05 m×2.0 m）為例，建立鉆孔樁（8根φ1.0 m）模型。如圖1、圖 2、圖 3。

圖1 8根φ1.0 m鉆孔樁平面圖

通過以上建立的可視化模型，很快的就可以反映出實際施工中需要哪些重要的參數(shù)。以反循環(huán)鉆孔灌注樁為例，其作業(yè)內(nèi)容包括：樁位放樣、場地平整、埋設(shè)護筒、鉆機就位、泥漿制備、鉆進(jìn)、制作鋼筋籠、清孔、下鋼筋籠、灌注水下混凝土、拔除護筒等。其中重點控制的技術(shù)要點有以下兩點：

（1）設(shè)計孔深=護筒標(biāo)高-設(shè)計樁底標(biāo)高。

（2）吊筋計算=護筒標(biāo)高-樁頂設(shè)計標(biāo)高-1.03。

圖2 φ1.0 m樁基鋼筋籠模型

圖3 8根φ1.0 m鉆孔樁三維模型

3.2 樁頭環(huán)切及破樁作業(yè)

通過建立模型，很直觀的可以讓被交底人了解到樁頭環(huán)切及破樁的步驟和控制要點如下：

①測量放線：測量并標(biāo)出環(huán)切線。

②環(huán)向切割：以環(huán)切線為基準(zhǔn)進(jìn)行環(huán)向切割。

③開槽：切割后，在環(huán)向切割線上部用風(fēng)鎬小心地鑿出一條環(huán)形槽，槽寬10 cm左右，深度以找出主筋為標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)計樁頂處形成一條保護隔離帶，如圖4、5所示。

④剝樁頭→樁頭切斷→起吊樁頭→樁頂修整找平。

⑤以圖紙設(shè)計角度將樁頭鋼筋彎折。

圖4樁頭環(huán)切模型

圖5 破樁完成效果圖

3.3 建立承臺模型

承臺模型的建立，有助于更直觀的模擬出立模后，模板內(nèi)的施工操作空間，為綁扎鋼筋或者混凝土澆筑振搗時時如何利用空間進(jìn)行操作提供依據(jù)，如圖6、圖7所示。

圖6承臺模型圖

圖7樁基承臺整體模型

3.4 墩身預(yù)埋筋模型

通過墩身預(yù)埋筋模型的建立，可以準(zhǔn)確的從模型中得知圓弧段各部位的鋼筋間距及尺寸。鋼筋安裝采用定位胎具法，放樣出中心線后，正確組裝安放定位胎具，再綁扎承臺鋼筋時同步進(jìn)行墩身預(yù)埋筋的安裝，如圖8、圖9所示。

圖8墩身預(yù)埋筋平面圖

圖9墩身預(yù)埋筋模型

3.5 墩身模型

墩身尤其是墩帽模型建立后，可以從模型中直接量測各圓弧段的截面尺寸，直觀的反應(yīng)出了墩帽鋼筋在圓弧段的分布情況和保護厚度，以及吊圍欄預(yù)埋螺栓的空間三維位置是否與鋼筋相互干擾，進(jìn)而可以提前調(diào)整鋼筋的綁扎間距，避開預(yù)埋螺栓，讓施工操作有了預(yù)見性和提前預(yù)判性，避免了返工，起到了一定的經(jīng)濟效果，如圖10、圖11所示。

圖10墩帽模型

圖11墩身模型

4 三維建模在施工中的其他應(yīng)用

4.1 解決“不兼容”問題

在連續(xù)梁等復(fù)雜結(jié)構(gòu)施工時，由于節(jié)點構(gòu)造復(fù)雜，鋼筋分布密集，特別在梁柱節(jié)點處，鋼筋縱橫交錯，箍筋綁扎不便時，我們可以提前進(jìn)行三維建模。找出沖突點，先在模型中進(jìn)行合理的調(diào)整，這樣在現(xiàn)場綁扎時即可按照模型調(diào)整后的空間布局進(jìn)行施工。同理，如果結(jié)構(gòu)鋼筋與預(yù)留孔道有類似沖突等問題時，我們也能運用提前建模的方式來解決。

4.2 不規(guī)則結(jié)構(gòu)的體積/慣性矩等計算問題

施工中很多方面都要涉及到混凝土方量的計算問題，可是有些不規(guī)則結(jié)構(gòu)的體積很難通過一般的公式計算出來，這時可以通過三維建模，接著輸入“massprop”命令就能直接顯示出體積（圖12）。輸入物體密度參數(shù)同時還能得到其質(zhì)量數(shù)據(jù)。接著輸入“Y”命令，還能將這些數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Excel中建立數(shù)據(jù)庫（圖 13）。

圖12 執(zhí)行"masspeop"命令得到實體的各種特性數(shù)據(jù)

對圖12中A型承臺三維實體模型執(zhí)行“massprop”命令，即可得到圖12所示的各項特性數(shù)據(jù)。如承臺體積V承臺 =1005×480×200=96480000（cm3）=96.48（m3），與“massprop”得到的體積數(shù)據(jù)相等。很明顯，對于更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，執(zhí)行“massprop”命令可以更快捷方便的得到我們需要的數(shù)據(jù)。

接著輸入“Y”,還能將實體的這些特性數(shù)據(jù)以.mpr的格式輸出保存至Excel中，方便我們調(diào)用這些數(shù)據(jù)。如果使用編碼系統(tǒng)，還可以將這些數(shù)據(jù)輸出到CAE/CAPP等數(shù)據(jù)庫中，便于CAE/CAPP的信息處理。

圖13 將“massprop”命令的得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入至Excel表中

CAD三維建模中“massprop”命令的功能是異常強大的，不僅可以得到我們常用的體積數(shù)據(jù)，還能得到在力學(xué)分析時需要的慣性矩、慣性積及慣性半徑等數(shù)據(jù)。以慣性矩計算為例，使用“UCS”命令將三維坐標(biāo)移至圖4.1中承臺上表面中心處，X軸與承臺寬平行、Y軸與承臺長度方向平行。則圖形對Y軸和對X軸的慣性矩及其極慣性矩分別為：

通常使用的微積分計算慣性矩、極慣性矩及慣性半徑的方法計算繁瑣、運算量大，而一旦模型建立出來，通過“massprop”命令我們就能很容易的得到這些數(shù)據(jù)，之后亦能進(jìn)一步分析計算彎矩、撓度等力學(xué)性能。

此外，如果推廣研究領(lǐng)域的話，還可以通過AutoCAD輸出實體模型數(shù)據(jù)，提供給計算機輔助制造程序使用或進(jìn)行有限元分析。

4.3 通過透視圖觀察結(jié)構(gòu)內(nèi)部

這種觀察方式類似“VR”眼鏡模擬成像技術(shù)，讓我們擁有了一雙“透視眼”，可以清楚地看到實體工程內(nèi)部構(gòu)造，加深現(xiàn)場施工技術(shù)人員對平面圖紙的理解。具體操作為：先通過AutoCAD建立結(jié)構(gòu)模型，模型建立完成后，將視覺樣式選擇為“X射線”，在這種模型樣式中即可進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)部觀察。

圖14通過建模我們可以清楚的觀察到（64+128+64）m連續(xù)梁0#塊中預(yù)應(yīng)力波紋管的布置情況。這為我們在安裝0#塊預(yù)應(yīng)力波紋管前熟悉內(nèi)部構(gòu)造做好準(zhǔn)備，提前考慮安裝次序，避免和其他構(gòu)件安裝產(chǎn)生沖突。

以此推廣，在其他實體工程施工之前，我們同樣可以運用這種方式進(jìn)行建模。透視圖能幫助我們更好地了解結(jié)構(gòu)內(nèi)部之間的空間位置關(guān)系，進(jìn)而指導(dǎo)現(xiàn)場實際工作，提高施工效率。

圖14（64+128+64）m連續(xù)梁0#塊中預(yù)應(yīng)力波紋管布置情況

5 結(jié)束語

基于CAD三維建模技術(shù)成熟，建模速度快，模型豐富，效果圖形象逼真等優(yōu)點。我們可以將此運用到高鐵橋墩的施工中，通過CAD三維建模與書面文字結(jié)合的方式來編寫施工技術(shù)交底書，以此來準(zhǔn)確而快速的進(jìn)行對下交底，進(jìn)而達(dá)到加快施工進(jìn)度、提高生產(chǎn)效率的目的，這與目前流行的BIM技術(shù)有異曲同工之妙。我們還能借助CAD三維建模可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性等功能，解決現(xiàn)場施工中的“不兼容”問題；憑借其強大的參數(shù)化性，可以較為容易的得到實體模型面積、體積、慣性矩等有用數(shù)據(jù)。因此，將CAD三維建模應(yīng)用到高鐵施工中將使我們解決施工難題又多了一種強大工具。