基于3DE的樁基工程三維建模程序開發研究

劉慶舒，謝昔奎，陳改霞

（1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072；2.首輔工程設計有限公司，四川 成都 610000）

0 前 言

運用計算機信息技術，提高土木工程行業信息化水平，可以有效地提高行業技術水平和工程建設生產組織方式，提高工程公司企業管理水平和核心競爭力。應用建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術可以大大提高工程行業信息化水平。BIM技術最基礎的特征之一是三維可視化。計算機輔助設計（Computer Aided Design）軟件的應用大大方便了土木工程行業的三維設計［1］。

目前市面上有多種通用的三維設計軟件，比如Revit、Bentley、3DExperience等。市場上出現了一些獨立平臺上的巖土三維設計軟件，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計集成、與BIM平臺集成方相比還有欠缺。目前有研究者針對“工程量清單項（比如，研究鋼筋、錨桿、梁）”開展基于三維設計基礎平臺土木工程全專業的設計軟件研究［2］。

本文基于通用平臺3DExperience開展樁基工程三維設計技術研究。

1 3DE平臺知識工程

在3DExperience平臺中，知識工程是通過一系列的參數化、規則管理、知識管理工具、內置編程語言、開發接口等工具，進行組織、復用設計過程和知識的方法。3DExperience中有參數和公式、設計表、規則、操作等基礎知識工程工具，有超級副本（PC）、用戶自定義特征（UDF）和工程模板等高級知識工程工具。3DExperience還提供EKL、VBA等內置的開發語言以及C++開發接口。基于3DE平臺的知識工程可以開展一系列的三維設計定制［3］。

從使用的便利性而言，非專業軟件開發人員一般采用超級副本（PC）、用戶自定義特征（UDF）和工程模板等高級知識工程工具構建基本模型單元，然后采用EKL語言實現三維設計的建模邏輯［4］。

2 樁基工程設計概況

樁基是一種常見的深基礎形式，可以根據樁的受力情況、施工方法、功能、材料、斷面形式進行分類。不同的樁有不同的設計方法。設計中需要考慮樁基形式的合理選擇，持力層與樁長的合理選擇，樁的布置，水平承載能力復核，樁基施工設計，樁基施工對周邊環境的影響，技術經濟對比等。根據樁的不同功能，還需要考慮不同的設計重點。

就樁的幾何設計而言，主要在于樁基橫斷面選擇、樁長設計、樁的布置。這些參數需根據工程的功能要求，地形、地質條件，可施工性，技術經濟比較來計算分析確定。計算分析過程中，根據試算的參數開展三維建模并進行循環反復的計算分析。因此，三維建模可以從設計計算中獨立出來，單獨進行研究［5］。

3 單樁模型

從樁的橫截面來區分，可以分為圓樁、矩形樁和異形樁。下面以圓樁為例進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，然后利用3DE平臺草圖中的參數化實現相同的應用。圓樁定義的參數如表1所示，參數具體含義參見圖1。

圖1 單樁模型

表1 圓樁參數

在3DE平臺中，新建一個產品，基于一個“孤立（isolated）”的點Point（x，y，z），樁徑D和樁長L，外露長度Delta做一個掃略實體，將其定義為樁基UDF，將表1中所有的參數發布為UDF的參數。再新建一個產品，在其中調用樁基UDF生成樁基實體（見圖1）。然后，基于第二個新建的產品定義樁基工程模板。使用EKL語言調用該模板即可快速生成樁基產品。

調用模板時需先將模板作為資源加載，EKL語言調用模板的關鍵語句如圖2所示。

圖2 EKL語言調用模板的關鍵語句

4 基于表格布置研究

工程設計中，為了便于施工人員、概預算人員使用設計信息，文件中常采用表格形式描述設計信息。比如樁基設計中，工程設計人員需要根據特殊的點位布樁，通過在圖紙上讀取坐標寫入表格，再根據功能需要、計算分析等確定樁基設計其他參數。專業軟件通常也采用表格來布置樁基。特別是設計中需要調整個別設計參數、施工過程中產生變更的情況，設計人員一般只調整設計表格中的參數，并不會更新相關圖紙中的參數。三維設計中，為了確保三維模型與設計信息的一致性，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問題：一是根據表格生成模型，二是根據表格調整模型。對第一類問題，遍歷表格，依次調用模板，并對參數賦值即可。對第二類問題，可通過樁的編號判斷是否有新增或刪除樁基，然后新增和刪除對應的樁基，之后再遍歷一遍表格，修改對應的參數即可（為了簡化流程，這一步不再判斷是否為新增、是否有參數調整）。

5 樁基線性布置研究

在線形工程中，有時根據邊坡穩定性需要沿線性方向設置抗滑樁，有時根據擋護結構基地穩定性需要沿擋墻底部設置線性的樁基托梁。在基坑工程中，為了減少開挖對周邊環境的影響，需要沿基坑周邊線性地布置圍護樁。如果采用手工布置樁基，效率太低，需要對樁基線形布置進行研究。

工程中，通常根據地形、地質情況選定不利的位置布設樁基，并沿指定線性延展。在三維建模時，可以在指定曲線上選定一個基準點，然后通過沿曲線平移規定的間距的方式來生成布置樁基的點。最后調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，可以通過指定點沿兩個垂直的方向進行擴展實現快速建模。具體實現時需要區分矩形或梅花形布置、從角點開始擴展和從中心點開始擴展等方式，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 附屬構件建模

一般地，樁基工程中除了樁身，還有冠梁、墊層、承臺等附屬構件。從工程實踐來看，這些附屬構件可簡化處理。在建模中，墊層和承臺簡化為長方體，冠梁簡化為掃略。與樁身建模一樣，先分別建立墊層、冠梁和承臺的UDF模型、工程模板，再通過EKL語言調用即可生產需要的模型。

8 三維模型的組織及工程量統計

為了便于模型的組織，將一“組”樁基設置在同一個“產品（product）”下，在同一個產品中再插入冠梁等附屬構件。該產品作為樁基工程，插入到更大的“站點（site）”“橋梁”“道路”等節點中。

通過遍歷目錄樹獲取每根樁基的參數、附屬構件的參數，然后分類統計即可形成樁基工程的工程數量表。

9 樁基工程三維建模應用

某橋長約2.1 km，共計51座橋墩，樁基300余根。采用本軟件基于表格進行快速建模，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約120 m，共設置抗滑樁20余根。采用本軟件進行快速建模并計量、出圖，應用效果良好。抗滑樁模型如圖6所示。

圖6 某公路邊坡樁板墻模型示意

10 結論及展望

基于上述分析，筆者基于3DE平臺快速建立了大量地基處理、橋梁工程、支擋結構中的樁基三維模型。在軟件開發和應用中，有如下結論和建議：

（1）3DE平臺中，采用EKL語言調用用戶自定義特征（UDF）和工程模板建立的基礎模型進行快速建模，技術路線是可行的。

（2）通過對樁基幾何設計各參數及建模邏輯關系的分析，按選定的技術路線進行開發，實現了樁基工程三維設計的快速建模，大大提高了樁基工程建模的效率。

（3）本技術方法可以預留樁基BIM信息，為后續BIM應用提供基礎數據。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，未明確樁基幾何設計參數與功能、地質等的相互關系，數值仿真方面還有欠缺。本建模軟件奠定了三維設計軟件的基礎，后續可以根據需要開展相關研究，將該三維建模軟件形成專業的三維設計軟件。

（5）應用本研究的方法可以對土木工程行業各種基礎的建模進行二次開發，形成一整套基于“工程量清單項”的三維建模庫和插件，大大提高土木工程行業三維建模的效率和通用性。