尾水管肘管三维配筋参数化设计研究与应用

李端阳，郑 泽

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

计算机三维辅助设计技术在工程各领域得到广泛应用，水利水电工程近年来也充分利用三维辅助设计技术进行参数化设计、仿真、计算，为水利水电工程设计提供了便利，减少了人力成本，提高了设计质量，缩短了设计周期。

三维参数化就是将几何及尺寸关系以参数的形式嵌入到三维模型中，从而体现工程师的设计意图，通过参数的修改能够快速完成对三维模型的修改、重用。参数化建模与三维设计并没有必然联系，不用参数化建模也可以实现三维设计，但从系统实现的复杂性、操作的易用性、处理速度可行性、软硬件技术的支持性等几个角度综合考虑，就目前的技术水平和能力看，参数化建模是三维设计得以真正成为生产力的不可或缺的基础。

1 研究背景

尾水管是水电站厂房的重要组成部分之一，一般由锥管段、肘管段和扩散段组成，其中肘管体型尤为复杂。近年来金属里衬的肘管成为市场主流，金属里衬由厂家制造，沿管线方向各断面呈不规则的流线型变化，结构十分复杂，目前主要采用传统二维CAD制图手段进行结构配筋，通过二维CAD手段难以表现复杂的空间钢筋型式，钢筋长度也难以准确计算，工作量也较大，严重影响设计效率及质量。

国内外科研机构针对复杂水工结构配筋，也开发了一些水工配筋CAD系统，很好的利用了计算机辅助制图，简化了配筋的设计工作。但三维参数化模型及配筋成果无法深入应用，三维设计思路并未贯穿整个设计流程，钢筋图、编号等仍然基于二维绘图环境，难以解决不直观、不能准确描述钢筋空间布置的问题，后期校核、修改等也存在一定的困难。

为改善以上问题，本文提出“三维配筋设计，三维钢筋表达”的设计表达方法，采用断面线对三维尾水管肘管模型绘制主筋，采用基准腰线法绘制分布筋，以三维形式绘制钢筋，对二维中很难表达的三维空间曲线构型的钢筋，可实现所见即所得，极大的提高了尾水管配筋的工作效率，保证了设计质量，使设计成果更加便于指导施工，工程量的统计也更加精准、贴合实际。三维参数化模型及配筋成果以.dgn文件保存后，可在三维设计软件Microstation（以下简称MS）中编辑、参考，承载更多设计信息，深入运用到BIM的全生命周期中。

2 参数化建模工具简介

GenerativeComponents（以下简称GC）是基于MS平台的参数化和关联的设计系统，为有效开发比较设计方案提供许多全新的方式。它采用图形方式展示设计组件及其相关关系，从而捕获设计意图。使用GC可以有效的展示和重用新颖的设计方案，无须手动为每个方案重新构建模型，是一款图形、脚本、变成相结合的参数化三维建模工具，可记录每个特征元素的创建方式。当设计人员对模型输入参数做出更改时，该系统可以重新自动生成三维模型元素。

GC具有以下特征：基于几何或特征的传统建模；参数化和关联控制系统；新特征类型的可扩展性，无须最终用户使用反射和代码生成方式编程，即可制作工具；支持面向对象的软件设计约定编写脚本和编程；可自我记录。

传统的CAD软件不会记住如何生成基本工具，有关如何创建基本工具的信息一般属于临时信息，而GC则不同，基本工具的创建方式信息属于永久性信息。对象可以记住自身的创建方式。更新方法由生成几何体形状、尺寸和位置所需的信息以及相关公式组成。每个更新方法中的参数都具有唯一性，可以动态更新，或者根据需要加以更新。

在BIM相关软件中，与GC类似的软件有GrassHopper和Dynamo，基本上可以实现相同的功能，本文使用GC来作为参数化建模的工具。

图1 某工程尾水管单线图

3 三维金属里衬肘管的绘制

肘管单线图根据水轮机试验效果确定，由若干横断面组成，厂家提供的图纸一般由侧视图、顶视图、尾水管断面形状示意图以及尾水管断面数据表组成，如图1所示，根据单线图图纸，可以确定金属里衬肘管建立的三维坐标系、各断面位置、形状。

根据这些特征，一般的三维建模手段是①画出轴线；②逐个画出各断面；③逐个移动到轴线相应位置并旋转至相应角度；④使用断面放样的方式形成B样条曲面；⑤使之闭合成体。整个建模过程非常繁琐，如果过程中某参数需要修改，这个繁琐的过程就还需要再经历一番。使用参数化建模工具GC，可以记录这个繁琐的过程，如果在建模后期涉及到模型参数的修改，直接修改参数即可，中间过程可自动完成，因此可以方便的创建金属里衬肘管的三维模型，大大降低了建模工作量，提高了建模精度，后期只要修改断面参数，模型就可实现自动更新。

尾水管参数化建模的一般步骤是：①将厂家提供断面数据输入Excel表格；②使用GC读取Excel表格中的参数；③使用经过记录或者编程的建模脚本，经过一系列GC特征操作完成三维模型。该过程不是本文介绍重点，感兴趣的读者可参考引用文献［3］，在此不再赘述。GC绘制尾水管体型如图2所示。

图4 主筋投影线绘制

图2 金属里衬肘管段三维模型

4 尾水管肘管配筋设计

4.1 钢筋型式

钢筋与混凝土结构表面具有近似特征，肘管的配筋以其内部结构表面为基准，为防止钢筋锈蚀，设置一定厚度的钢筋保护层。在肘管结构设计中，必须同时设置横向钢筋和纵向钢筋，以满足结构力学性能及构造要求。本文以垂直水流方向为钢筋主筋，顺水流方向为分布筋。

4.2 主筋布置

主筋断面间钢筋尺寸按两断面尺寸内插，主筋分为4种型式，如图3所示。

型式1：圆形断面或接近圆形断面采用封闭型式；

型式2：两侧半圆，上下直线型式；

型式3：1／4圆弧 +直线段 +1／4圆弧，上下直线型式；

型式4：当圆弧半径较小时，可采用两侧、上下直线型式。

主筋配筋采用断面法，主要技术思路为：

图3 主筋型式图

根据厂家给出的断面数据绘制内外侧肘管关键点，以内外侧关键点为基础，计及保护层厚度和主筋直径，绘制外侧主筋，间距200mm左右；对应绘制内侧主筋间距150mm左右，断面间关键点按两断面间尺寸内插得到，如图4（b）所示。

在保证厂家给出的断面处主筋的同时，根据内外侧对应主筋关键点方向绘制主筋投影线，如间距小于70mm，自动间隔截断（如图4（c）所示）。

根据相似性原理，将三维肘管结构面向内侧偏移一定距离，计及保护层厚度和主筋直径，将偏移所得的三维空间曲面称为“肘管布筋投影面”如图5所示。

图5 肘管布筋投影面

图6 单侧主筋弧段

将主筋投影线投影至偏移后三维曲面，得到主筋弧段投影线，根据前述主筋型式分类，当圆弧半径较小时，两侧需采用直线型式，此处需采用编程手段加以判断，程序代码如图6所示。

同理，绘制另外一侧主筋弧段，根据四种主筋型式，绘制主筋直线段，弧线段、直线段。全部完成后，钢筋延长10倍主筋直径作为锚固；根据一定规则，在直线出口段增加孔口加强筋，至此主筋绘制完毕，如图7所示。

图7 主筋三维模型

4.3 分布筋布置

分布筋一般控制在进口处间距200mm左右，由于出口处钢筋间距大大超出200mm，需增补分布筋。肘管分布筋一般为空间曲线，具体设计思路如下：

不同于主筋投影线，为布置分布筋，首先通过连接对应的“内外侧主筋关键点”形成“分布筋断面线”；

将“分布筋断面线”投影至“肘管布筋投影面”，生成“分布筋基准断面”；

以尾水管进口断面与X轴、Y轴相交的4个点为分布筋的基准起点，同样在相邻断面上布置4个点，由对应点对基准断面进行剖分，相连形成上、下、左、右四条基准腰线；

建立分布筋：以肘管进口为基准，绘制分布筋绑扎轨迹点，在GC中采用Point特征中的Point-ByNumbersAlongCurve方法，点数取 Floor（or Ceiling）（Curve.Length／200mm），根据具体情况选择上取整（Ceiling）或下取整（Floor），具体编码如图8所示。

图8 建立分布筋关键代码

插补钢筋：根据程序判断出口处是否需要增补分布筋，增补分布筋后间距不应大于200mm，亦不应小于70mm；

对分布筋起始和终止处增加锚固长度，分布筋三维模型如图9所示。

图9 分布筋三维模型

4.4 最终模型

将主筋及分布筋模型同时显示，取保护层厚度150mm，钢筋最大间隔200mm，锚固长度为10倍钢筋直径；如保护层厚度不变，钢筋最大间隔改为300mm，通过修改GC参数化程序初始参数，经过约1min的重新计算，三维配筋模型自动生成，如图10所示。

图10 最终配筋模型

5 结语

尾水管配筋作为水电站厂房施工图阶段最复杂的设计工作之一，是设计单位长期以来的难题，工作量大、工作效率低、设计质量差，传统成果依托于二维设计绘图环境，不直观、可视性差、难以表达钢筋的空间结构，甚至难以准确计算某一根钢筋长度。

本文根据“三维设计，三维表达”的设计思路，依托CFCAD及前人二维设计条件下的经验，采用“断面法”、“基准腰线法”，通过参数化技术手段，实现了尾水管最复杂的肘管段三维配筋设计，成果实现三维表达配筋设计，自动统计工程量，通过简单的扩展可快速生成钢筋图、钢筋断面、分组、编号等功能。本文程序针对云南戈兰滩水电站工程厂房肘管设计进行了计算对比实验，配筋结果与二维设计吻合。经测试，该程序重用性好、操作简单、逻辑性强，对提高设计效率与设计质量有显著的效果。

肘管参数化三维体型及配筋模型，能够以.dgn文件形式无缝连接MS，融合水工结构信息和钢筋信息于一体的参数化模型，能为水利水电数字化产品数据管理（PDM）和施工进度仿真等提供支持，为水利工程的设计、分析、管理等其他应用奠定基础。

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