RebarSmart钢筋数字化设计交付解决方案 及水电工程应用

黄志澎，张志伟，文伏灵

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

我国土木水利工程等基础设施建设数十年的飞速发展，创造了基础设施建设史上一个又一个的奇迹。对于土木工程，特别是国家大型综合水电站工程具有大量的大体积水工混凝土结构，且结构形式复杂多样，钢筋图数量极大、钢筋图设计过程繁琐、容易出错、设计效率低下、设计周期缩短、设计任务繁重等问题长期困扰着工程设计人员。同时，如何对数量庞大、信息庞杂的钢筋模型和数据进行有效地组织管理，将钢筋信息无缝传递和交付到采购、加工、施工环节，给系统集成和项目管理提出了很高的要求。

近几年来，土木工程项目的勘测设计周期相对较短，技施阶段的钢筋图急剧增加。钢筋混凝土结构设计涉及多个专业(包括水道、坝工、厂房、建筑等)，各专业的钢筋图工作量大,提高钢筋图设计效率和质量是控制性因素。水电工程钢筋图设计过程，设计和校审的重复工作量极大。

由于缺少三维钢筋设计的有效工具和手段，有以下瓶颈问题：

(1)对水电工程数量众多的结构，绘制结构剖面，布置钢筋，进行钢筋算量等工作，依靠人工绘制，过程繁琐，容易出错，且技术含量低。

(2)设计效率低。对于土木水利工程项目，建筑物非标结构多，钢筋图可复用性低，难以在质量、效率、复用上取得突破。

(3)校审负荷大。“错、漏、碰”检查困难，特别是对复杂水工结构，需要进行多次校核和修改。

(4)无法高效形成一个有效的数据源和数据流，严重制约了后续的工程量多维度统计和工程造价、技术交底、现场施工指导等高价值的应用拓展。

针对传统钢筋图绘制方法中，设计人员劳动强度大，效率低，钢筋的“错、漏、重”检查困难等弊端，实现从传统二维平面设计到三维钢筋数字化设计施工一体化、数字交付的跨越，通过建立与实际结构一致的三维钢筋模型，辅助设计人员实现三维布筋、二维出图、工程量自动统计、多人并行协同、基于项目级的工程量和造价的精细管控，指导施工人员现场作业，并进行数字交付和下料施工管理，是本解决方案的重点。

2 钢筋数字化设计解决方案

鉴于上述现状和原因，研发了能够满足多专业、各种结构的RebarSmart钢筋数字化设计交付系统。该系统为土木水利工程行业提供“一站式”的三维布筋；二维出图；数字交付的全面、成熟、可靠解决方案，包括设计、施工、造价、采购、施工(安装)、数字交付、运维管理的整个全生命周期管理全过程(见图1)。

图1 钢筋数字化设计交付解决方案

该解决方案具备土木水利工程钢筋混凝土结构的数字设计和数字交付能力，并支持有限元分析、工程量和造价、数控加工、指导现场施工、工程总承包、数字工程移交等接口，贯穿钢筋工程整个全生命周期过程，形成了钢筋混凝土结构的全信息模型和数据库，为协同设计、采购、施工、管理等提供及时、准确、可追溯、统一的数据信息中心服务(见图2)。

图2 钢筋数字化设计交付的技术架构

以钢筋对象为基本信息单元构建数据交换接口，形成了以数据服务为核心的钢筋数据中心构建方案，将钢筋数据与应用系统分离，数据服务独立于硬件平台、操作系统和编程语言，为造价、采购、加工等应用提供数据服务(见图3)。

例如，可以根据整个工程项目级的全信息钢筋混凝土模型和属性数据，实现工程量在各阶段单项工程的归集和对比，提高对总承包的整体把控能力和精细化成本控制能力。如各种结构的钢筋工程量和含筋率数据等，对工程量管理实现一体化、精细化的高效管控，工程量变更过程得到控制，提高设计精细化水平，减少设计变更。

图3 钢筋数字中心

通过RebarSmart系统、全信息钢筋混凝土模型及数据库，建立信息一体化的高效多维度生产管控模式，实现设计施工一体化，支撑工程总承包业务，延伸产业链，创造巨大的经济效益和工程效益(见图4)。

图4 钢筋混凝土的设计施工一体化

水利土木工程的数字移交系统覆盖的范围和对象很广，钢筋混凝土结构全信息模型的数字移交只是作为其中的一部分。基于全信息的钢筋混凝土模型和钢筋数据库(见图5)，包括钢筋模型组织形式、记录和管理钢筋信息的方式、向施工单位或业主单位移交数字模型的技术方案等，集成设计图纸、采购下料、数控加工、成本费用等信息和接口，形成钢筋数字移交系统和方案。

图5 钢筋数字交付系统界面

建立二维图与三维模型关联驱动关系(见图6)，保证图纸的正确性。三维模型更改，二维图通过关联链逆向追溯，正向更新，提高效率。

RebarSmart系统是通用、高效的布筋设计工具和全信息混凝土结构模型管理系统。通过提供各种灵活高效的布筋工具，对各种型式混凝土结构进行数字化布筋设计，特别是对各种复杂、非标的水工结构，实现三维布筋、自动标注、快速统计、与“错、漏、重”检查、模型/图纸/工程量表三者关联。该系统包含了一系列高效、灵活的布筋算法和工具，具有完整、丰富的功能和菜单(见图7～9)。

RebarSmart系统主要有以下功能特点：

(1)参数化，交互式三维布筋。

(2)钢筋模型轻量化。

图6 以模型为源数据的逆向追溯，正向更新

图7 RebarSmart系统的布筋设计功能示意

图8 系统菜单界面

图9 高效、灵活的布筋算法和工具

(3)钢筋材料表自动统计。

(4)二维图标注、钢筋表与三维钢筋的关联。

(5)钢筋标注的“错、漏、重”检查。

(6)支持基于钢筋三维模型的有限元计算。

(7)支持后续的工程算量、造价、采购、指导精细化施工及数字交付应用。

3 工程应用

以溪洛渡水电工程为例，说明RebarSmart钢筋数字化设计交付解决方案和系统在大型综合水电工程大体积复杂结构设计的业务过程和应用流程。

溪洛渡水电站是我国“西电东送”骨干工程，位于四川和云南交界的金沙江上。工程以发电为主，兼有防洪、拦沙和改善下游航运条件等综合效益，并可为下游电站进行梯级补偿。电站主要供电华东、华中地区，兼顾川、滇两省用电需要，是金沙江“西电东送”距离最近的骨干电源之一，也是金沙江上最大的一座水电站。水库坝顶高程610 m，最大坝高285.5 m，坝顶中心线弧长698.09 m；左右两岸布置地下厂房，各安装9台单机容量77万kW的水轮发电机组，总装机1 386万kW，仅次于中国三峡和巴西伊泰普水电站，在世界在建和已建电站中居第三位。

电站采用自上而下的模型结构组织方式，层次明确，比较适合大型、多人、多任务的工程项目逐级分解，实现跨专业、专业内的协同工作(见图10～13)。在VPM协同设计系统环境中进行多专业并行的结构设计和钢筋数字化设计，具有实时协同、在线设计的特点，可以提高协同工作的效率，很好地保证数据单源性，并实时更新，缩短设计周期。

并行设计是缩短设计周期，减少设计差错的保证，基于VPM协同设计，通过发布与引用机制，可直接引用他人的结构模型和布筋成果，减少重复工作。

图10 大型复杂结构工程PBS结构树分解及多人并行的布筋

实现了多人并行的布筋设计，有效地解决了并行协同设计的关键技术问题。对同一结构可以并行布筋，提高设计效率。其中，坝体结构如图12所示。

采用本系统进行钢筋数字化设计主要为坝工专业中坝体复杂的孔口群和廊道结构。结构设计和钢筋设计的流程如图14所示。

图11 电站三维模型

图12 上游面坝体结构示意

图13 下游面坝体结构示意

图14 拱坝结构设计和钢筋设计的流程

3.1 孔口群的钢筋数字化设计应用

溪洛渡高拱坝孔口尺寸大、形状复杂，外荷载作用下孔口周边的应力分布极为复杂，对孔口进行配筋难度较大。为此采用对孔口群进行了参数化设计(见图15、16)、数值有限元分析、数字化三维钢筋设计和校审，整个设计流程见图17。

图15 溪洛渡高拱坝的坝身孔口群三维模型

图16 坝体深孔群(1～8号)三维模型

为满足应力精度的计算要求，采用子模型和拉应力图形面积配筋方法。子模型的计算精度较整体模型的计算精度要高，尤其在结构应力梯度较大的部位。首先对整个坝体进行整体模型计算(见图18、19)，然后将关注的孔口和闸墩结构作为子模型单独取出加密，进一步计算孔口和闸墩应力(见图20)。

图18 整体结构的有限元计算分析结果(上游面)

图19 坝体结构的有限元计算分析结果(下游面)

图20 孔口群的有限元子模型

根据应力计算结果，进行主拉应力图形面积计算配筋面积，结合工程类比，确定不同孔口结构、不同部位的配筋参数。然后使用RebarSmart系统进行钢筋数字化设计和出图(见图21～23)。

3.2 廊道及电梯井群的钢筋数字化设计应用

根据坝基灌浆、坝内排水、观测检查、机电设备布置、坝内交通等方面的需要，在溪洛渡高拱坝的坝体内设置各种用途的廊道系统。受到工具和手段的限制，以往廊道设计者大多注重廊道自身完善性,考虑廊道体型、尺寸满足设计规范要求，未能进一步进行精细化设计，如廊道交叉等复杂部位的优化和数字化钢筋设计。

图21 2号深孔及其出口闸墩的三维模型

图22 2号深孔的出口闸墩三维钢筋模型

图23 2号深孔的出口闸墩的三维钢筋出图示意

溪洛渡廊道系统的形状复杂，廊道周边的坝体应力分布复杂，对廊道进行配筋难度较大，特别是转弯、突变、交叉等部位。为此采用对廊道系统进行参数化设计(见图24、25)、数值有限元分析、数字化三维钢筋设计和校审。这对提高拱坝设计质量、廊道运行能力有重要的意义。

图24 坝体廊道及坝肩廊道群的三维设计模型

图25 交叉部位的廊道结构设计模型

对溪洛渡电梯井和廊道的结构，进行三维布筋、算量、出图，应用流程如图26所示。

图26坝身廊道及电梯井的三维设计及布筋流程

采用子模型和拉应力图形面积配筋方法，确定廊道和电梯井的各断面配筋参数。首先对整个坝体进行整体模型计算(见图18、19)，然后将关注的廊道和电梯井结构作为子模型单独取出加密，进一步计算廊道周边应力(见图27)。根据应力计算结果(见图28)，进行主拉应力图形面积计算配筋面积(见图29～31)，结合工程类比，确定廊道、电梯井的不同部位的配筋参数(见图32)。然后使用RebarSmart系统进行钢筋数字化设计和出图(见图33、34)。

图27 电梯井及廊道的有限元子模型

图28 廊道附近区域的应力云图

图29 某个廊道剖面应力分布/积分示意

图30 溪洛渡电梯井的某个剖面应力分布/积分示意

图31 溪洛渡电梯井的某个剖面应力分布/积分示意

位置断面尺寸配筋方案断面A1～A3高程1 778.25～1 829.25 m的斜基础廊道断面A4～A25高程1 778.25～1 829.25 m的斜基础廊道断面A26～A29高程1 778.25～1 829.25 m的斜基础廊道受力筋 双层Ф32@15 cm架力筋 双层Ф20@20 cm受力筋 双层Ф20@20 cm架力筋 双层Ф20@20 cm受力筋 双层Ф28@20 cm架力筋 双层Ф20@20 cm

图32根据廊道或电梯井的剖面应力积分得到配筋参数

图33 廊道结构与钢筋模型(布筋过程场景)

图34廊道结构与钢筋模型(布筋后)

4 结 语

RebarSmart数字化钢筋设计交付系统及解决方案实现了“三维布筋、三维校审、自动标注、工程量统计、下料加工、数字交付”等功能和完整流程，适用于土木水利工程大体积、复杂结构的钢筋图设计，也适用于规则标准结构的钢筋图设计，以及基于项目级的全信息的钢筋混凝土模型管理和数字交付。

RebarSmart系统在水电水利工程设计中得到广泛应用，亦可适用于土木水利行业的各个土建专业，包括水利、水电、建筑、市政、港航、桥梁、桥隧、风电等专业。钢筋设计实现了从二维设计向全三维数字设计和交付的革新，显著提升了设计质量和效率，创造了良好经济效益。该解决方案和系统将有效提升土木水利工程钢筋设计效率和质量、缩短设计周期和降低设计成本，提升钢筋设计手段和水平，并为数字移交、施工管理、成本控制等水电站全生命周期管理创造条件，具有良好的发展前景。