三維鋼筋數字化設計系統在多諾面板堆石壩鋼筋圖設計中的應用研究

王 蕊, 馮 學 敏, 黃 志 澎

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司,四川 成都 610072)

1 工程概況

多諾水電站位于四川省九寨溝縣黑河上游,是黑河-白水江流域梯級電站龍頭水庫,電站采用混合式開發方式,由攔河大壩、泄洪洞、放空洞等建筑物組成,工程規模屬中型,裝機容量2×50 MW,工程等別為三等,首部樞紐的攔河大壩座落在深厚覆蓋層上的鋼筋混凝土面板堆石壩,最大壩高112.5 m,上游壩坡1∶1.4,下游平均壩坡為1∶1.5,設置三級馬道,面板壩壩體斷面分成四個主要區:即墊層區、過渡區、主堆石區及次堆石區。面板中部配單層雙向鋼筋,面板縱向配筋率采用0.4%,橫向配筋率采用0.35%[1]。電站大壩結構采用全三維正向設計,面板堆石壩模型見圖1。

圖1 多諾水電站的面板堆石壩模型

2 RebarSmart 軟件簡介

目前鋼筋圖的繪制主要采用AutoCAD軟件,設計人員在典型剖面上繪制鋼筋,然后對鋼筋型式、等級、數量、長度進行復核和修改。當鋼筋型號、型式、配筋規則變更,設計人員需修改更新每個剖面圖的鋼筋信息,并重新統計鋼筋數量,效率低下,錯誤率高,工作強度大[2]。

大型水電站設計涉及專業性強,存在大量的復雜非標結構,鋼筋圖具有復用性低,圖紙量大的特點,采用傳統方式進行鋼筋圖設計、校審工作量極大,“錯、漏、碰”檢查困難[3]。

為了解決以上問題,中國電建成都院基于達索3D Experience平臺(以下簡稱3DE)開發了具有自主知識產權的RebarSmar鋼筋數字化設計和數據集成系統,實現了復雜混凝土結構的三維布筋、三維校審、二維出圖、自動標注、工程量統計、關聯更新、下料加工、數據交付的完整流程,實現了三維鋼筋設計的參數化、一體化和智能化,極大地提升鋼筋設計效率和質量。三維鋼筋設計系統架構見圖2,三維鋼筋數字化設計工具條見圖3,鋼筋二維圖工具條見圖4。

圖2 三維鋼筋設計系統架構

圖3 三維鋼筋數字化設計工具條

圖4 鋼筋二維圖工具條

3 RebarSmart軟件在多諾水電站面板堆石壩面板結構配筋設計中應用

3.1 數字化鋼筋三維布置

多諾水電站的堆石壩面板結構位于壩體上游面,具有防滲作用。為符合壩體變形和施工條件,應根據需要對面板進行分縫分塊處理。因此,每個面板、趾板結構均為非標結構,不同部位的外觀、長度均不同,即使是同一個面板結構,其厚度隨著高度變化,在不同部位的布筋型式和鋼筋參數也不同。采用傳統方式對每個非標結構進行鋼筋圖設計,效率低下且易出錯?；赗ebarSmart軟件的高效布筋算法和靈活布筋功能,可以快速實現三維布筋和工程量計算。

通過3DE平臺完成多諾水電站的面板壩結構設計,面板、趾板結構圖見圖5。根據結構分析計算成果確定鋼筋的布置參數,包括鋼筋形式、鋼筋直徑、鋼筋等級、鋼筋保護層厚度、鋼筋輔助延長方向及長度、尾部彎鉤角度及長度等。確定好布置參數后,通過RebarSmart軟件進行完成三維鋼筋設計。通過預覽方式查看鋼筋布置結果,可再次編輯調整,還可根據自身需求對鋼筋模型進行分色顯示和顯隱管理,如三維模型的全部顯示、部分顯示、只顯示鋼筋軸線等[4]。提高了設計人員檢查鋼筋布置的合理性。面板結構上部的鋼筋設計見圖6,面板結構下部的鋼筋設計見圖7,趾板結構的鋼筋設計見圖8。

圖5 面板、趾板結構圖

圖6 面板結構上部的鋼筋設計

圖7 面板結構下部的鋼筋設計

圖8 趾板結構的鋼筋設計

當鋼筋的任意參數發生變化,可根據變化的參數選擇相應的快速修改工具,“修改鋼筋等級”“修改鋼筋直徑”“批量修改鋼筋編號”,也可使用“全參數編輯鋼筋”修改所有參數或批量更新,鋼筋編輯工具見圖9。

圖9 鋼筋編輯工具

3.2 數字化鋼筋三維校審

基于布置好的三維鋼筋模型,RebarSmart軟件提供了“創建校審視圖”“屬性查看”“模型范圍查看”等工具,三維鋼筋校審工具見圖10,輔助校審人員進行三維校審。其中“創建校審視圖”能記錄當前視圖視點、視角信息以及所有鋼筋組的顯隱、顏色、參數等信息,通過不同視圖切換,快速定位工作視圖或所檢查的部位,面板結構三維校審視圖見圖11,趾板結構三維校審視圖見圖12,該功能幫助校審人員記錄校審過程,極大的提高了鋼筋校審人員的工作效率。

圖10 三維鋼筋校審工具

圖11 面板結構三維校審視圖

圖12 趾板結構三維校審視圖

3.3 數字化鋼筋二維出圖

基于三維鋼筋模型,利用創建三維剖切面功能,通過手動選擇或批量選擇三維結構和鋼筋對象,自動抽取要出圖的鋼筋對象,生成三維剖切面,然后投影生成二維鋼筋圖,面板結構鋼筋的斜面展開圖見圖13,面板結構鋼筋的剖面圖見圖14,趾板結構圖見圖15,趾板結構鋼筋圖見圖16。

圖13 面板結構鋼筋的斜面展開圖

圖14 面板結構鋼筋的剖面圖

圖15 趾板結構圖

圖16 趾板結構鋼筋圖

在3DE的工程制圖模塊中,運用標注工具完成二維鋼筋圖的標注。軟件根據鋼筋的表達方式,提供點筋標注和線筋標注;根據標注對象數量,提供單選和框選兩種選擇對象方式;根據選擇的標注對象,軟件自動識別、標注鋼筋信息,如編號、等級、直徑、間距。

此外,通過鋼筋統計工具,可一鍵創建鋼筋明細表和鋼筋材料表,自動生成鋼筋型式圖,自動統計鋼筋信息[5],包括鋼筋編號、直徑、長度、根數、重量等。提高了算量的速度和準確性。一鍵生成鋼筋表見圖17,一鍵生成工程量表見圖18。

圖17 一鍵生成鋼筋表

圖18 一鍵生成工程量表

3.4 鋼筋模型與圖紙的關聯更新

Rebarsmart軟件以三維鋼筋全信息模型為唯一數據源,實現了關聯驅動、逆向追溯、正向更新功能,保證了模型、圖紙、工程量的一致性。模型與圖紙關聯更新見圖19。

圖19 模型與圖紙關聯更新

當結構模型或布筋參數發生變化,只需批量更新三維鋼筋模型和二維鋼筋圖,便可達到二維圖中鋼筋標注信息、鋼筋材料表、明細表同步更新,保證圖紙的正確性,解決傳統二維設計變更修改出現“錯、漏、缺”,效率低等問題。

該系統在該項目實現了結構設計、鋼筋設計、工程出圖的全過程三維數字化設計,顯著提高設計效率,大幅減少了設校審時間。建議下一步研究更高效的三維布筋工具和算法,實現典型結構的一鍵布筋和自動成圖,并研究鋼筋下料優化和數控加工接口,形成專業的鋼筋數字化設計工具;建立項目級的鋼筋數據中心,為方案比選、工程量管理和采購提供數據支撐,提升工程數據平臺服務能力。

4 結 語

RebarSmart軟件為土木水利水電工程的大型復雜結構的鋼筋數字化設計和數據集成提供一站式的解決方案,實現了三維布筋、三維校審、二維出圖、自動標注、工程量統計、關聯更新、下料加工、數據交付的完整流程,顯著提升了中國土木水利水電行業的鋼筋數字化設計出圖效率,具有廣闊的應用前景[6]。

隨著軟件系統的不斷完善和提高,未來可應用于施工或EPC總承包領域,為材料統計、鋼筋下料、數控加工、物流配送、裝配式安裝等提供管理手段和數據支撐。