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，會讓施工單位承擔工期違約責任，使企業(yè)遭受經(jīng)濟與名譽的雙重損失。

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)點來進行快速交底，進而達到確保工程質(zhì)量、加快施工進度、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，可以簡化認知，更好更快的實現(xiàn)我們的研究目標。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，進而更好的指導現(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、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=護筒標高-設(shè)計樁底標高。

（2）吊筋計算=護筒標高-樁頂設(shè)計標高-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：測量并標出環(huán)切線。

②環(huán)向切割：以環(huán)切線為基準進行環(huán)向切割。

③開槽：切割后，在環(huán)向切割線上部用風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準，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，我們可以提前進行三維建模。找出沖突點，先在模型中進行合理的調(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)，之后亦能進一步分析計算彎矩、撓度等力學性能。

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，進而指導現(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，以此來準確而快速的進行對下交底，進而達到加快施工進度、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。