水工三維配筋研究

柏 楊 鄭斐冉 郝楓楠

（華北水利水電大學 河南鄭州 450011 黃河勘測規劃設計有限公司 河南鄭州 450003）

水工三維配筋研究

柏 楊 鄭斐冉 郝楓楠

（華北水利水電大學 河南鄭州 450011 黃河勘測規劃設計有限公司 河南鄭州 450003）

當前計算機CAD技術已經滲透到各行各業，極大的提高了社會生產力，近年來CAD技術的三維化成為新的趨勢，并且已經在航空航天、汽車制造等行業廣泛應用，大大縮短了產品設計周期、降低了設計成本。然而三維CAD技術在工程領域尤其是水工設計領域的運用依然很不成熟，水工鋼筋圖仍然大量使用傳統方法繪制，耗時耗力。在這種情況下積極借鑒三維CAD技術在工業設計領域的成熟技術，將其引入到水工設計中去是十分有意義的。本文闡述了計算機輔助配筋軟件的發展概況，介紹了VisualFL三維配筋系統在水工設計中的應用，實現“三維建模、三維配筋、二維出圖”的設計流程。

水工設計；VisualFL；三維配筋

1.計算機輔助配筋軟件發展現狀

在水工設計中，鋼筋圖的繪制是一項極為繁瑣的工作，它的主要難點就在于鋼筋是分布于鋼混結構內部的，設計人員必須憑借空間想象能力將這種分布在腦海中構建出來并且通過截取典型剖面的方法將其表達到二維圖紙上，除此之外還要將所有同規格的鋼筋匯總編號，統計出每種鋼筋的鋼筋量，匯編成鋼筋表，在遇到形狀不規則的鋼混結構體時鋼筋圖的繪制十分困難并且極易出錯。因此發展計算機輔助配筋技術是十分有現實意義的。我國西北勘測設計院于80年代末開發了廊道配筋系統，中南勘測設計院于90年代初開發了隧道計算和配筋系統，以及武漢大學的丁宇明教授等多年在廊道CAD方面進行了大量的研究工作，提出了“積木式”的解決方案，也取得了一定研究成果,同時武漢大學也在水工專用數據庫上面做出過一些有意義的探索[1-3]。河海大學在板梁和閘門的CAD系統也進行了很多研究工作。天津勘測設計院進行了廠房CAD的研究和應用。這些軟件一般只是專注于解決某一特定結構的配筋問題，不能在各種水工結構中普遍適用。VisualFL三維配筋可以直接利用CATIA中建立的三維模型，通過面配筋、線配筋等功能實現在三維模型中排布鋼筋，并通過剖視、投影功能實現任意截面的鋼筋分布圖繪制，真正實現了對各種水工結構的適配。

2.鋼混結構分析

鋼筋混凝土結構主要包括受壓的混凝土和受拉的鋼筋，混凝土結構形成了水工建筑物的的外在輪廓，要完整準確的描繪出布置在混凝土內部的鋼筋是較困難的，需要設計人員具備較強的空間想象能力。在鋼混結構中，鋼筋一般是在結構體表面下布筋，且必須留有一定厚度的混凝土保護層(鋼筋外邊緣至混凝土表面的距離)，以防止鋼筋受到銹蝕，鋼筋的布置走向和附近混凝土的表面形狀輪廓近似，包括縱向鋼筋和橫向鋼筋，以滿足力學及構造要求。以涵洞為例，縱向鋼筋多為貫通筋，一般與涵洞軸線方向平行布置；橫向鋼筋多為架立筋，一般與涵洞軸線方向垂直布置，兩者縱橫交錯，在空間上形成了一種三維網狀結構。

3.三維配筋的基本原理

3.1 剖面法

鋼筋的分布是一個三維的空間網狀結構，而最終施工單位需要的只是一張平面的施工圖紙，因此就需要在鋼混結構上選取典型剖面，并繪制出剖視圖或投影圖，將三維網狀結構表達到平面圖紙上去，此即剖面法的基本出發點。同樣以涵洞段的橫向受力鋼筋為例，可以通過一系列與涵洞軸線垂直的平面剖切涵洞結構，剖切面與涵洞的外表面和內表面會形成一系列截交線，這些截交線的形狀走向與鋼筋是類似的，對這些截交線進行錨固處理（延長、加圓鉤、柵鉤等）后就可以得到相應鋼筋的形狀，然后再偏移一個保護層厚度，就可以得到橫向受力鋼筋的實際分布情況。不難想象，作為與涵洞軸線平行的縱向鋼筋，在剖切面上會以點筋的形式出現，這樣就完成了縱橫兩種鋼筋的表達，通過對所有典型斷面的剖切，就可以得到涵洞的完整鋼筋分布圖。總結下來步驟就是“平面剖切-交線偏移-鋼筋錨固”。VisualFL三維配筋系統可以直接讀取在CATIA中建立的鋼混結構三維模型，然后使用剖面法對三維模型進行剖切，就可以到得到一系列的鋼筋圖形信息。

3.2 鋼筋圖形分組

在鋼筋圖中，一個重要內容就是鋼筋表，它是施工投資預算和施工圖階段工程量計算的重要依據，在鋼筋表中鋼筋是進行分組表示的，分組原則是在鋼筋類型相同（鋼筋級別、直徑相同）的前提下將形狀相似（等長或長度連續排列的直線、弧線）的鋼筋編為一組，這種鋼筋匯編的過程是十分繁瑣的，而要實現計算機自動匯編鋼筋就涉及到一個圖形相似匹配的問題。在上一節通過剖面法得到了一系列的鋼筋圖形信息，VisualFL通過幾何編碼的方式來進行圖形匹配，從而實現鋼筋分組。

鋼筋的特征分為實體屬性和幾何屬性，實體屬性包括直徑、鋼筋級別等，幾何屬性即鋼筋特征曲線的幾何屬性。在用字符串編碼時應該將鋼筋的實體屬性和幾何屬性都表達出來：用C表示閉環鋼筋，用O表示開環鋼筋；用四位數字表示直徑（單位統一為毫米）；用兩位數字表示鋼筋級別；用三位數字表示鋼筋共有幾段；用L表示直線鋼筋，用C表示曲線鋼筋。對于開環鋼筋，顯然有兩種編碼方式，即從首端或末端開始兩種，而同一根鋼筋的編碼應具有唯一性，因此應當只保留其中較大的一個作為該開環鋼筋的編碼。對于閉環鋼筋，分為兩種情況：若鋼筋存在拐點即閉環不全為圓弧段，那么從閉環的每一個拐點進行編碼，然后比較所有的編碼，保留其中最大的一個作為該閉環鋼筋的編碼。若鋼筋不存在拐點即閉環完全由圓弧段組成，選取其中直徑最大的一段圓弧，從該圓弧的兩個端點分別沿逆時針和順時針方向編碼，在得到的四組編碼中保留最大的一個作為該閉環鋼筋的編碼。以直徑18mm的三級幾字形鋼筋為例，鋼筋為開環用O表示；直徑為18mm，表示為0018；為三級鋼，表示為03；共有五段，表示為005；這五段分別為直線段、直線段、弧線段、直線段、直線段，表示為 LLCLL，由此得到該開環鋼筋的一個編碼為O001803005LLCLL，顯然對于這種軸對稱圖形從兩端編碼的結果是完全一致的，因此最終的字符串編碼即為O001803005LLCLL。由此鋼筋圖形被轉換為字符編碼，通過對字符串對比即可將所有鋼筋編組，并生成鋼筋表。

3.3 鋼筋出圖

通過VBA二次開發技術定制專業工具，可以將VisualFL中生成的鋼筋圖形和鋼筋表信息導入到AutoCAD中，按照傳統二維出圖方式出圖，達到“三維建模、三維配筋、二維出圖”的目的。

4.總結

總結VisualFL的設計流程，可以用十二個字表達，那就是“三維建模、三維配筋、二維出圖”，三維配筋的過程是十分直觀的，但是最終還是要在二維圖紙上表達出來，二維出圖的工作量占了相當大的一部分，專家審查會看的是紙質圖集、現場施工依據的也是紙質圖集。可以暢想如果有一天全社會都真正實現了無紙化辦公，現場施工可以通過平板電腦甚至VR技術閱讀圖紙，那么將實現建設項目全周期的三維化，也許這才是三維設計的最終進化形態，我期待著這一天的到來。

[1] 張玉峰,丁宇明,阮新建.鋼筋混凝土結構 CAD 軟件研究[J].工程圖學學報,1995，2:78-84.

[2] 阮新建，張恣蘭.壩內斜交廊道鋼筋CAD 軟件研究[J].武漢水利電力大學學報,1995,28(5):488-493.

[3] 夏唯,丁宇明.廊道 CAD 軟件的模塊拼接技術[J].武漢水利電力大學學報,1998,31(5): 99-102.

G322

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1007-6344（2016）03-0340-01

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