三維可視化配筋在異形沉箱浮塢門設(shè)計中的應(yīng)用

錢原銘，朱 峰，陳良志

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東廣州 510000）

引言

隨著近年來計算機圖形學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，建筑信息模型（BIM）技術(shù)在基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域得到不斷的深化應(yīng)用，使得設(shè)計和施工的效率得到了大幅度的提升。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)平面配筋實施方案通常基于經(jīng)典結(jié)構(gòu)構(gòu)件配筋理論，根據(jù)工程師計算分析結(jié)果進行鋼筋配置、構(gòu)造優(yōu)化及算量統(tǒng)計。相比之下，現(xiàn)代BIM 技術(shù)可以充分依賴模型，采用算法將按照一定規(guī)則進行排布的鋼筋進行計算機自動建模、數(shù)量統(tǒng)計與可視化展示。三維可視化配筋技術(shù)的引入帶來的設(shè)計效率的提升主要體現(xiàn)在：1）程序化繪圖能夠大幅提高人工機械作業(yè)的生產(chǎn)效率，并降低人為偏差導(dǎo)致出錯的概率；2）利用計算機自身的高速度、高精度計算引擎，能夠?qū)崿F(xiàn)對復(fù)雜空間交錯配筋方案的快速核查，以實現(xiàn)消除鋼筋之間的軟碰撞和硬碰撞；3）支持設(shè)計方案的快速調(diào)整，并實現(xiàn)由配筋模型到施工圖的自動化生成，大幅降低設(shè)計過程中的重復(fù)勞動。

典型結(jié)構(gòu)構(gòu)件的三維可視化配筋技術(shù)應(yīng)用較為成熟，目前在傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)中已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用，例如：翁柳青等人在研究成果中介紹了PKPM 軟件在混凝土結(jié)構(gòu)與配筋設(shè)計中的應(yīng)用[1]；周建兵等人開展了基于PKPM 的結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計與分析計算等功能[2]。

此外，在大型水利工程領(lǐng)域，可視化配筋技術(shù)在大體積混凝土配筋方面也得到了較為深入的研究與應(yīng)用[3-4]。例如：陳強等人針對導(dǎo)流隧洞工程開展了三維配筋技術(shù)應(yīng)用[5]；李端陽等人開展了針對尾水管肘管的參數(shù)化三維配筋設(shè)計[6]。

在水運工程領(lǐng)域，目前BIM 技術(shù)與結(jié)構(gòu)設(shè)計融合已經(jīng)較為順暢[7-9]，但是基于結(jié)構(gòu)BIM 模型的深度應(yīng)用探索工作進展緩慢[10-11]，本文將結(jié)合工程實例，從鋼筋模型、圖紙、工程量及模型交付等方面，研究三維可視化配筋技術(shù)方案在水運工程異形沉箱結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，為類似項目提供案例借鑒和經(jīng)驗參考。

1 三維可視化配筋解決方案

HIDAS（Harbor Investigation and Design Application System）構(gòu)件配筋軟件是由中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院研發(fā)的三維可視化配筋系統(tǒng)，旨在改變現(xiàn)有水運工程結(jié)構(gòu)配筋工作模式，主要包含構(gòu)件建模模塊、三維配筋引擎、圖紙及鋼筋明細表統(tǒng)計等功能。該軟件的三維可視化配筋整體解決方案可以歸納為：構(gòu)件繪制（支持外部模型導(dǎo)入）→鋼筋三維配置→按照要求自動輸出鋼筋施工圖→自動統(tǒng)計得到鋼筋明細表。三維可視化配筋的整體實施方案與水運工程項目實施過程中的配筋圖設(shè)計過程一致，與設(shè)計人員當(dāng)前的工作習(xí)慣無縫銜接。

1）構(gòu)件建模模塊

HIDAS 三維配筋系統(tǒng)中開發(fā)集成了構(gòu)件建模模塊。構(gòu)件建模模塊具備常用三維建模軟件的各種功能，如圖形顯示、常見幾何造型建模、幾何約束求解、對象組織與管理、任務(wù)與命令管理、歷史管理、持久化管理、數(shù)學(xué)庫支持等。在幾何造型方面，HIDAS 構(gòu)件建模模塊提供了與當(dāng)今國際主流三維建模軟件相一致的基于草圖、約束、線框、特征和參數(shù)化的建模方式，可以滿足不同異形構(gòu)件的建模需求。同時HIDAS 構(gòu)件建模模塊也支持現(xiàn)行主流BIM 軟件成果的導(dǎo)入，如rvt 文件格式。

2）三維配筋模塊

HIDAS 三維配筋系統(tǒng)中開發(fā)集成了三維配筋模塊。根據(jù)水工結(jié)構(gòu)常見的鋼筋類型以及配筋設(shè)計的特點，三維配筋模塊提供了截面配筋、表面配筋、曲面配筋、草圖配筋、線框配筋、陣列配筋和依賴配筋七大類型的智能化配筋方式，具有很強的通用性和完善性，能很好地滿足水運工程領(lǐng)域的不同構(gòu)件類型的配筋設(shè)計需求，如圖1 所示。采用該技術(shù)建立的鋼筋模型直接與三維模型相關(guān)聯(lián)，當(dāng)模型僅發(fā)生幾何尺寸改變時，鋼筋能夠自動更新，最大程度地減少工程設(shè)計人員修改配筋的工作量，見圖2。

圖1 三維智能化配筋方式

圖2 三維鋼筋模型

3）施工圖繪制模塊

HIDAS 三維配筋系統(tǒng)中開發(fā)集成了施工圖繪制模塊。通過對已經(jīng)完成三維配筋的模型進行剖切、投影等操作即可得到帶有全面配筋信息的二維施工配筋圖紙。基于自動生成的二維施工配筋圖紙，可以便捷的手動添加尺寸標注、點鋼筋標注、線鋼筋標注等，如圖3 所示。與此同時，自動生成的二維圖紙與三維模型數(shù)據(jù)保持相互關(guān)聯(lián)的狀態(tài)，當(dāng)三維模型發(fā)生改動后，通過重新生成二維施工配筋圖紙即可實現(xiàn)相關(guān)二維圖元數(shù)據(jù)的自動更新。最終生成的二維施工配筋圖紙可以保存成dwg 格式。

圖3 配筋圖繪制及標注界面

4）鋼筋明細統(tǒng)計模塊

HIDAS 三維配筋系統(tǒng)中開發(fā)集成了鋼筋明細統(tǒng)計模塊。通過分類統(tǒng)計鋼筋圖元的種類和具體尺寸，可以按照預(yù)定義的規(guī)則自動快速輸出模型中所有的鋼筋明細表，并可以直接輸出為dwg 格式文件。此外，由于鋼筋配置方式與模型幾何外形保持關(guān)聯(lián)，因此鋼筋明細表可以根據(jù)模型的修改進行自動更新，大幅減少事后手工鋼筋統(tǒng)計的重復(fù)勞動，且提高設(shè)計效率。

2 工程案例

2.1 項目簡介

某沉管預(yù)制廠深塢區(qū)采用全鋼筋混凝土沉箱結(jié)構(gòu)作為該塢區(qū)的活動式浮塢門結(jié)構(gòu)，浮塢門沉箱長83 m，寬25.2 m，高29.1 m，空箱重量達到2萬t，見圖4。浮塢門在使用過程中需要考慮結(jié)構(gòu)起浮→拖運→坐底→止水→蓄水等一系列工況下的機構(gòu)受力情況，尤其是在蓄水狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)承受的塢內(nèi)外水頭差達到14.50 m，因此，需要依賴結(jié)構(gòu)配筋方案實現(xiàn)對復(fù)雜組合工況下結(jié)構(gòu)的強度和裂縫進行綜合控制，配筋設(shè)計過程中面臨諸多挑戰(zhàn)。

圖4 深塢浮塢門異形沉箱結(jié)構(gòu)

2.2 配筋設(shè)計難點

合理的配筋方案能夠為結(jié)構(gòu)提供足夠的結(jié)構(gòu)強度和抗裂安全性，但是合理的配筋方案依賴于精細的鋼筋優(yōu)化配置，配筋設(shè)計難點主要包括：

1）自重的精細化控制。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在保障結(jié)構(gòu)自身強度的同時，還要盡量減少結(jié)構(gòu)自重，鋼筋重量和分布既直接影響結(jié)構(gòu)的強度，又影響結(jié)構(gòu)的自重，因此需要開展精細化設(shè)計。

2）局部結(jié)構(gòu)的加強。結(jié)構(gòu)靠海側(cè)設(shè)置的10.5 m高鋼筋混凝土扶壁用于承擔(dān)塢內(nèi)蓄水期間所產(chǎn)生的14.5 m 的水頭差荷載。混凝土扶壁結(jié)構(gòu)沿著高度方向變壁厚、后方采用階梯狀肋板支撐，因此扶壁結(jié)構(gòu)的局部配筋方案相當(dāng)復(fù)雜，構(gòu)造鋼筋和箍筋的設(shè)置，以及鋼筋空間布置的相互影響，會對結(jié)構(gòu)的裂縫控制產(chǎn)生影響。

3）從施工便利性考慮，由于工期很短，結(jié)構(gòu)配筋成果的準確性和工程量表中鋼筋形狀的可加工性，對施工的便利性影響很大。

因此采用HIDAS 三維配筋技術(shù)完成施工圖設(shè)計成果。

2.3 三維可視化配筋設(shè)

1）模型與計算交互

異形沉箱深塢浮塢門結(jié)構(gòu)采用Revit 軟件進行正向設(shè)計，完成了全尺寸結(jié)構(gòu)空間BIM 模型建立，并對模型各個部分賦予必要的關(guān)鍵設(shè)計信息，主要包括幾何信息、材料性能、構(gòu)件截面等。項目組成員在分析了有限元軟件的數(shù)據(jù)接口基礎(chǔ)上，通過插件編寫，將BIM 結(jié)構(gòu)模型的幾何尺寸、材料屬性、連接關(guān)系等導(dǎo)入有限元計算軟件中，通過針對各類預(yù)設(shè)工況開展分析計算，對比組合計算結(jié)果，得到沿著結(jié)構(gòu)整體連續(xù)分布的內(nèi)力分析結(jié)果，如彎矩、剪力等，見圖5。使得原本需要工程師花費大量時間進行有限元計算模型重復(fù)構(gòu)建的過程可以基于已有的BIM 模型自動高效生成，大大降低了結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析的實施周期和難度，有效提高了設(shè)計質(zhì)量。

圖5 深塢浮塢門異性沉箱結(jié)構(gòu)

2）三維可視化配筋

通過針對異形沉箱浮塢門三維有限元模型計算分析所得到的結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算結(jié)果，設(shè)計人員擬定初步的鋼筋配置方案，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合BIM 模型開發(fā)基于正截面偏心受力模式下的高分辨率結(jié)構(gòu)承載力和抗裂快速驗算系統(tǒng)，以計算模型單元尺寸為顆粒度，快速驗算整個沉箱任意位置的承載力狀態(tài)和裂縫分布情況，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，如圖6 所示。對于驗算結(jié)果部滿足要求的區(qū)域，則優(yōu)化調(diào)整鋼筋配置方案，直到驗算結(jié)果滿足設(shè)計要求，實現(xiàn)鋼筋配置精細化設(shè)計。

圖6 結(jié)構(gòu)承載力和抗裂快速驗算結(jié)果

根據(jù)上述得到的配筋方案，在HIDAS 配筋軟件中進行三維配筋。在配筋模型中，鋼筋的粗密程度、是否便于施工、不同的鋼筋是否碰撞，這些在二維圖紙中難以發(fā)現(xiàn)的問題在三維的模型中可以借助計算機強大的算力實現(xiàn)快速校驗，并通過可視化技術(shù)直觀呈現(xiàn)設(shè)計成果，如圖7 和圖8 所示，確保設(shè)計質(zhì)量大幅提高。

圖7 塢門局部鋼筋細化模型（頂端連接梁處）

圖8 塢門加強階梯與側(cè)墻鋼筋模型

3）自動化成果輸出

HIDAS 平臺所研發(fā)的工程出圖技術(shù)，可以通過對三維模型開展剖切、投影等操作得到二維的配筋施工圖紙，例如在本案例中，通過指定沿著結(jié)構(gòu)橫向的剖面對結(jié)構(gòu)進行剖切，即可得到異形沉箱典型的橫斷面施工配筋圖。除此以外，通過指定局部區(qū)域，HIDAS 三維配筋系統(tǒng)可以輸出局部詳細鋼筋配置的投影圖，例如沉箱結(jié)構(gòu)的孔洞局部配筋，如圖9 所示。

圖9 隔板預(yù)留孔加強筋布置圖

HIDAS 三維配筋系統(tǒng)能夠根據(jù)三維模型中所具體配置的鋼筋種類和數(shù)量，進行自動化的分類統(tǒng)計，并生成對于型號、規(guī)格、數(shù)量的鋼筋表和材料表。鋼筋明細表中，不但給出鋼筋的直徑、數(shù)量，并包含鋼筋簡圖，以便后續(xù)施工流程中工程人員對照表中成果進行備料施工。

2.4 項目實施效果

本研究所依托的某沉管預(yù)制廠深塢區(qū)采用全鋼筋混凝土沉箱結(jié)構(gòu)設(shè)計項目配筋工作按照傳統(tǒng)的二維設(shè)計估算約需300 個人工時，但是采用可視化三維鋼筋設(shè)計方案，最后花費60 個人工時，在顯著提升了效率的同時，工程方案做的更加細致，設(shè)計成果質(zhì)量也得到有效保障。同時，設(shè)計成果中所提供的詳細材料列表可以指導(dǎo)現(xiàn)場施工過程中鋼筋的下料和加工工作，有效減少因設(shè)計失誤產(chǎn)生的溝通成本和返工成本，極大保障施工進度。

3 結(jié)語

1）與現(xiàn)有BIM 配筋技術(shù)相比，HIDAS 構(gòu)件配筋軟件集成適用于水運行業(yè)設(shè)計所需的豐富三維配筋繪圖功能，系統(tǒng)包含了水工結(jié)構(gòu)常見的鋼筋類型以及配筋設(shè)計流程，提供了多種三維智能化配筋方式，具有很強的通用性和完善性，能很好地滿足不同構(gòu)件類型的配筋設(shè)計需求；

2）本項目三維可視化配筋技術(shù)的應(yīng)用，有效解決了水運工程鋼筋混凝土重力式異形沉箱結(jié)構(gòu)的空間配筋難度大、鋼筋種類多、圖紙表達困難等問題。鑒于目前國內(nèi)尚無類似巨型浮塢門三維配筋工程先例，該成果將對類似工程提供借鑒；

3）HIDAS 構(gòu)件配筋軟件的三維可視化配筋方案與水運工程配筋施工圖的設(shè)計流程相一致，與實際項目相結(jié)合的使用效果表明：根據(jù)三維鋼筋模型得到施工圖，設(shè)計效率大大提升，同時也能有效地保證了施工精度。