亭子口大坝廊道自动化出图研究与实现

曾令华 杨新军

(长江勘测规划设计研究院,武汉 430010)

1 问题提出

大坝除需保证自身结构安全外,还要满足坝基灌浆、坝内交通、观测、设备摆放、排水等方面的要求,因此需要在坝内设置廊道系统。廊道在相交时,因断面尺寸不同,廊道接头型式也多种多样;受地形开挖等因素影响,还常产生斜廊道;另外,廊道还经常要开孔、开洞、开槽等。这样廊道不仅结构复杂,钢筋接头也千奇百怪,绘制钢筋图(表)更是费时费力的工作。

嘉陵江亭子口水利枢纽工程位于四川苍溪县内,大坝为混凝土重力坝,坝轴线总长995.4m,坝顶高程465m,最大坝高116m。河床中间布置表孔、底孔及消能建筑物,河床左侧布置坝后式电站厂房,河床右侧布置垂直升船机,两岸布置非溢流坝段。

坝址处于九龙山背斜东南翼,出露地层为白垩系下统苍溪组长石石英砂岩、粘土岩、粉砂岩和岩屑砂岩等。岩层近水平,微倾下游偏左岸,倾角1°～5°。岩体由软岩与中硬岩互层组成,岩层内均存在缓倾下游的软弱夹层,软弱夹层力学参数低,为解决大坝深层抗滑稳定问题,表、底孔均采用底流消能型式,并在河床坝段、消力池部位设置帷幕灌浆及排水廊道,采用封闭抽排方式,以降低坝基扬压力。大坝廊道系统比较复杂,施工图若仍采用传统手工绘制,将需要投入大量人力,也难以满足工程进度要求。

在20世纪90年代,武汉水利水电大学[1-3]对廊道CAD进行过专门研究。起初他们开发了参数化的 “混凝土坝内廊道配筋CAD系统”;后来为克服只能绘制特定几种体型廊道的不足,又采用积木式模块化方法开发了 “大体积水工结构配筋CAD系统”,试图通过有限个积木模块的拼接,满足工程多样化的需要。不过,由于实际工程中廊道的体型是变化多样的,很难穷举,甚至在施工图阶段也经常修改;尤其是相贯处的接头型式发生变化,原有系统须增加新的类型库,更不提随时可能的开孔开槽等情况。另外若仅用二维图形表达,对于设计人员检查在廊道相贯处的钢筋分布情况,不直观也不方便,不容易发现空间布置上可能的问题。重庆交通大学在CATIAV5上开发了 “水电站大坝廊道三维配筋CAD系统”[4],收集并建立相交廊道的数学模型,实现可视化操作。但由于钢筋样式被固定,设计人员不能对实际中可能出现的复杂情况进行有效干预,如孔槽、新的钢筋接头、任意添加剖切面等等。

为体现出效率上的优势,提高软件的通用、实用性,我们提出对任意廊道三维建模,在实体上按设计要求布设钢筋,定义剖切面,最后自动生成二维施工图。这涉及到许多技术问题,如钢筋的建模、空间布置,三维信息到二维转换,自动生成标注等等。本文将做介绍。

2 钢筋建模

2.1 钢筋与结构关系

廊道是典型的大体积结构配筋,钢筋主要依附在廊道结构表面。在顶部和侧墙布置倒U型竖向受力筋,及水平直线的架立筋;底板上纵横布置受力筋和架立筋。相贯接头处的钢筋形状比较复杂,但也还主要是贴结构面布置。因此钢筋与廊道面轮廓近似,在结构面上形成钢筋网。由于结构面几何信息已知,钢筋的几何信息就可以由它偏移而生成。本系统中钢筋面和结构面以共用的面编码建立联系[5],将钢筋信息和结构模型集成为一个统一的模型。

2.2 钢筋创建过程

系统根据已知的结构面信息生成钢筋信息,之间相距一个保护层,因此需考虑如何根据廊道结构面自动偏移生成钢筋。在廊道中,钢筋位于混凝土结构表面 (相距保护层)且钢筋沿结构表面分布排列。本系统利用这一特性由混凝土构造钢筋,即“面偏移→平面切片→交线后处理→生成钢筋”。具体步骤是:

(1)对需要布设钢筋的结构面进行偏移,得到“钢筋网面”。

(2)沿钢筋布设方向按间距步长 (扣除首尾保护层)定义若干平行平面。

(3)上述"钢筋网面"和平行平面进行求交运算,得到若干线,是为初始钢筋线。

(4)对相临面上初始钢筋线进行修补,消除交叉或裂缝后,使之相连接成钢筋。

(5)根据端头所在面是否相同及形状、距离关系,进行钢筋线的自动分组。

(6)根据设计要求进行端头延长/缩短/弯钩等处理,形成与实际一致的钢筋信息,进行三维显示,并在树视上添加新增钢筋节点。

2.3 钢筋编辑功能

根据廊道结构面自动生成的钢筋信息可能与实际工程要求有偏差,如实际中要求局部加密、修改钢筋长度、局部段重叠布置、同一根钢筋不同段保护层可能不一样等;为提高灵活性,还需提供钢筋编辑功能。系统提供了如下几个层次的钢筋编辑功能:

(1)钢筋组:拷贝、移动、分组、合并、加密、修改端头、改变偏移关系、修改保护层、修改钢筋参数等。

(2)钢筋段:面裁剪、延伸、合并、连接、增加段、弯折、修改保护层等。

3 信息转换

3.1 技术路线

钢筋的三维实体创建后,最终还是需要在平面图上反映,包括信息表,因此需要一个中间模块实现二三维的信息转换。为表达廊道断面布筋原则及钢筋信息,需要在断面定义剖切面;为表达顶面/底面的钢筋布置情况,需要定义顶面/底面投影面;有时为了反映侧墙钢筋布设情况,还需在侧墙定义立向投影面,同时把其上部的圆弧面上及附近钢筋一起输出。因此,采用剖切、投影,以及这两者结合的方式,可以实现三维空间钢筋到二维的信息转换。

3.2 技术难题

钢筋的三维信息转为二维是一个很繁琐的过程,需要解决信息的工程解释、剔除及扩展等一系列难题,比如:

(1)信息的工程解释:工程图是带有工程意义的抽象表达,除保证几何意义外,还应包含一些属性信息,如编号、直径、间距、数目等。

(2)钢筋可见性判断:先根据钢筋与剖面方向关系,判断出是点筋还是分布筋或截面筋。若钢筋与剖面相交,按点筋输出;否则,若钢筋与剖面距离小于1/2钢筋间距,输出线筋。

(3)投影面的扩展:在投影输出廊道底面钢筋时,按习惯还要求输出侧立面上的点/线筋;反之亦然。这时需将投影面 (底面/侧面)沿一个方向扩展。

(4)信息表。信息表除反映钢筋的长度等数据外,还要求绘制钢筋形状,并以合理的方位放置。

(5)钢筋编号。钢筋编号也在这阶段确定。用户要能干预某组钢筋的编号,以及设置空号,或者在某号后面加 “'” 。

(6)容差阙值。实现某些近似判断。如剖切时钢筋与剖面虽不平行但夹角很小,仍优先以线筋处理;长度相差很小的同组钢筋合并等。

4 工程图自动生成

本系统目标是自动生成二维工程图,不仅包括轮廓线几何信息,还有钢筋的标注信息。本系统利用OpenDwg在脱离CAD平台的情况下,写入包含这些信息的dwg文件。

系统首先读取前面转换过来的二维结构轮廓线、钢筋线点等几何信息,绘制几何图形。然后读取标注信息,判断出是点筋、截筋还是分布筋等标注类型,根据标注规则进行解释,确定标注的全部信息。为减少自动标注产生的文字重叠,本系统预先将图纸空间进行网格划分,新增标注体占用网格点须没有被占用,否则寻找新的标注位置或更改标注型式。通过以上分析,我们按如下步骤实现自动标注:(1)图纸初始化:将图形区域进行纵横网格划分,每个网格点赋初属性值为0(表示没有标注单元或其它图素覆盖该网格)。(2)绘制结构线及钢筋线点,设置它们所占用的网格点属性值为1,表示这些网格被占用。(3)根据三维传来的钢筋信息,确定标注型式、文本内容,并初定标注插入点坐标。(4)根据标注插入点,初定标注区域,计算该标注占用的网格点位置。(5)若占用的网格点属性值全为0,则该位置可以放置标注,并将这些网格点属性值设为1;否则,调整插入点位置,返回步骤 (3)。(6)在当前位置生成标注线、标注引线、箭头等元素,完成该标注。(7)取下一标注,返回步骤 (3),直至完成最后一个标注。

5 结 语

系统已运用于嘉陵江亭子口水利枢纽的大坝廊道设计中。目前已完成左、右非基础廊道及16#～21#坝段297高程以下所有廊道配筋设计。运用本系统,工程师只需关注三维空间钢筋布置原则及干涉情况,如一次性处理好廊道相贯处的钢筋拼接情况,图面标注和信息表都自动生成,工作效率成倍提高,较好满足了工程进度要求。

图1 自动生成的钢筋图及信息表

本系统根据水工建筑特点,将传统平面设计上升为可视三维设计,实现了任意廊道结构施工图全自动生成这一壮举。

基础廊道三维配筋模型 图3 排水廊道三维配筋模型

[1]李丽.积木式CAD软件在水工廊道设计中的应用.人民长江,1999,30(4):36～37

[2]夏唯等.廊道CAD软件的钢筋拼接设计.工程图学学报,200l,22(1):75～79

[3]张玉峰等.大体积水工结构配筋CAD研究.计算机辅助设计与图形学学报,2002,14(4):1～4

[4]杜廷娜等.水电站大坝廊道三维配筋CAD系统设计.重庆大学学报 (自然科学版),2007,30(10):82～86

[5]苏晓峰等.形状特征中的拓扑元素编码体系.计算机辅助设计与图形学学报,2000,12(2):137～141