水工三维配筋研究

柏 杨 郑斐冉 郝枫楠

（华北水利水电大学 河南郑州 450011 黄河勘测规划设计有限公司 河南郑州 450003）

水工三维配筋研究

柏 杨 郑斐冉 郝枫楠

（华北水利水电大学 河南郑州 450011 黄河勘测规划设计有限公司 河南郑州 450003）

当前计算机CAD技术已经渗透到各行各业，极大的提高了社会生产力，近年来CAD技术的三维化成为新的趋势，并且已经在航空航天、汽车制造等行业广泛应用，大大缩短了产品设计周期、降低了设计成本。然而三维CAD技术在工程领域尤其是水工设计领域的运用依然很不成熟，水工钢筋图仍然大量使用传统方法绘制，耗时耗力。在这种情况下积极借鉴三维CAD技术在工业设计领域的成熟技术，将其引入到水工设计中去是十分有意义的。本文阐述了计算机辅助配筋软件的发展概况，介绍了VisualFL三维配筋系统在水工设计中的应用，实现“三维建模、三维配筋、二维出图”的设计流程。

水工设计；VisualFL；三维配筋

1.计算机辅助配筋软件发展现状

在水工设计中，钢筋图的绘制是一项极为繁琐的工作，它的主要难点就在于钢筋是分布于钢混结构内部的，设计人员必须凭借空间想象能力将这种分布在脑海中构建出来并且通过截取典型剖面的方法将其表达到二维图纸上，除此之外还要将所有同规格的钢筋汇总编号，统计出每种钢筋的钢筋量，汇编成钢筋表，在遇到形状不规则的钢混结构体时钢筋图的绘制十分困难并且极易出错。因此发展计算机辅助配筋技术是十分有现实意义的。我国西北勘测设计院于80年代末开发了廊道配筋系统，中南勘测设计院于90年代初开发了隧道计算和配筋系统，以及武汉大学的丁宇明教授等多年在廊道CAD方面进行了大量的研究工作，提出了“积木式”的解决方案，也取得了一定研究成果,同时武汉大学也在水工专用数据库上面做出过一些有意义的探索[1-3]。河海大学在板梁和闸门的CAD系统也进行了很多研究工作。天津勘测设计院进行了厂房CAD的研究和应用。这些软件一般只是专注于解决某一特定结构的配筋问题，不能在各种水工结构中普遍适用。VisualFL三维配筋可以直接利用CATIA中建立的三维模型，通过面配筋、线配筋等功能实现在三维模型中排布钢筋，并通过剖视、投影功能实现任意截面的钢筋分布图绘制，真正实现了对各种水工结构的适配。

2.钢混结构分析

钢筋混凝土结构主要包括受压的混凝土和受拉的钢筋，混凝土结构形成了水工建筑物的的外在轮廓，要完整准确的描绘出布置在混凝土内部的钢筋是较困难的，需要设计人员具备较强的空间想象能力。在钢混结构中，钢筋一般是在结构体表面下布筋，且必须留有一定厚度的混凝土保护层(钢筋外边缘至混凝土表面的距离)，以防止钢筋受到锈蚀，钢筋的布置走向和附近混凝土的表面形状轮廓近似，包括纵向钢筋和横向钢筋，以满足力学及构造要求。以涵洞为例，纵向钢筋多为贯通筋，一般与涵洞轴线方向平行布置；横向钢筋多为架立筋，一般与涵洞轴线方向垂直布置，两者纵横交错，在空间上形成了一种三维网状结构。

3.三维配筋的基本原理

3.1 剖面法

钢筋的分布是一个三维的空间网状结构，而最终施工单位需要的只是一张平面的施工图纸，因此就需要在钢混结构上选取典型剖面，并绘制出剖视图或投影图，将三维网状结构表达到平面图纸上去，此即剖面法的基本出发点。同样以涵洞段的横向受力钢筋为例，可以通过一系列与涵洞轴线垂直的平面剖切涵洞结构，剖切面与涵洞的外表面和内表面会形成一系列截交线，这些截交线的形状走向与钢筋是类似的，对这些截交线进行锚固处理（延长、加圆钩、栅钩等）后就可以得到相应钢筋的形状，然后再偏移一个保护层厚度，就可以得到横向受力钢筋的实际分布情况。不难想象，作为与涵洞轴线平行的纵向钢筋，在剖切面上会以点筋的形式出现，这样就完成了纵横两种钢筋的表达，通过对所有典型断面的剖切，就可以得到涵洞的完整钢筋分布图。总结下来步骤就是“平面剖切-交线偏移-钢筋锚固”。VisualFL三维配筋系统可以直接读取在CATIA中建立的钢混结构三维模型，然后使用剖面法对三维模型进行剖切，就可以到得到一系列的钢筋图形信息。

3.2 钢筋图形分组

在钢筋图中，一个重要内容就是钢筋表，它是施工投资预算和施工图阶段工程量计算的重要依据，在钢筋表中钢筋是进行分组表示的，分组原则是在钢筋类型相同（钢筋级别、直径相同）的前提下将形状相似（等长或长度连续排列的直线、弧线）的钢筋编为一组，这种钢筋汇编的过程是十分繁琐的，而要实现计算机自动汇编钢筋就涉及到一个图形相似匹配的问题。在上一节通过剖面法得到了一系列的钢筋图形信息，VisualFL通过几何编码的方式来进行图形匹配，从而实现钢筋分组。

钢筋的特征分为实体属性和几何属性，实体属性包括直径、钢筋级别等，几何属性即钢筋特征曲线的几何属性。在用字符串编码时应该将钢筋的实体属性和几何属性都表达出来：用C表示闭环钢筋，用O表示开环钢筋；用四位数字表示直径（单位统一为毫米）；用两位数字表示钢筋级别；用三位数字表示钢筋共有几段；用L表示直线钢筋，用C表示曲线钢筋。对于开环钢筋，显然有两种编码方式，即从首端或末端开始两种，而同一根钢筋的编码应具有唯一性，因此应当只保留其中较大的一个作为该开环钢筋的编码。对于闭环钢筋，分为两种情况：若钢筋存在拐点即闭环不全为圆弧段，那么从闭环的每一个拐点进行编码，然后比较所有的编码，保留其中最大的一个作为该闭环钢筋的编码。若钢筋不存在拐点即闭环完全由圆弧段组成，选取其中直径最大的一段圆弧，从该圆弧的两个端点分别沿逆时针和顺时针方向编码，在得到的四组编码中保留最大的一个作为该闭环钢筋的编码。以直径18mm的三级几字形钢筋为例，钢筋为开环用O表示；直径为18mm，表示为0018；为三级钢，表示为03；共有五段，表示为005；这五段分别为直线段、直线段、弧线段、直线段、直线段，表示为 LLCLL，由此得到该开环钢筋的一个编码为O001803005LLCLL，显然对于这种轴对称图形从两端编码的结果是完全一致的，因此最终的字符串编码即为O001803005LLCLL。由此钢筋图形被转换为字符编码，通过对字符串对比即可将所有钢筋编组，并生成钢筋表。

3.3 钢筋出图

通过VBA二次开发技术定制专业工具，可以将VisualFL中生成的钢筋图形和钢筋表信息导入到AutoCAD中，按照传统二维出图方式出图，达到“三维建模、三维配筋、二维出图”的目的。

4.总结

总结VisualFL的设计流程，可以用十二个字表达，那就是“三维建模、三维配筋、二维出图”，三维配筋的过程是十分直观的，但是最终还是要在二维图纸上表达出来，二维出图的工作量占了相当大的一部分，专家审查会看的是纸质图集、现场施工依据的也是纸质图集。可以畅想如果有一天全社会都真正实现了无纸化办公，现场施工可以通过平板电脑甚至VR技术阅读图纸，那么将实现建设项目全周期的三维化，也许这才是三维设计的最终进化形态，我期待着这一天的到来。

[1] 张玉峰,丁宇明,阮新建.钢筋混凝土结构 CAD 软件研究[J].工程图学学报,1995，2:78-84.

[2] 阮新建，张恣兰.坝内斜交廊道钢筋CAD 软件研究[J].武汉水利电力大学学报,1995,28(5):488-493.

[3] 夏唯,丁宇明.廊道 CAD 软件的模块拼接技术[J].武汉水利电力大学学报,1998,31(5): 99-102.

G322

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1007-6344（2016）03-0340-01

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