李端陽，鄭 澤

（中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222）

計算機三維輔助設計技術在工程各領域得到廣泛應用，水利水電工程近年來也充分利用三維輔助設計技術進行參數化設計、仿真、計算，為水利水電工程設計提供了便利，減少了人力成本，提高了設計質量，縮短了設計周期。

三維參數化就是將幾何及尺寸關系以參數的形式嵌入到三維模型中，從而體現工程師的設計意圖，通過參數的修改能夠快速完成對三維模型的修改、重用。參數化建模與三維設計并沒有必然聯(lián)系，不用參數化建模也可以實現三維設計，但從系統(tǒng)實現的復雜性、操作的易用性、處理速度可行性、軟硬件技術的支持性等幾個角度綜合考慮，就目前的技術水平和能力看，參數化建模是三維設計得以真正成為生產力的不可或缺的基礎。

1 研究背景

尾水管是水電站廠房的重要組成部分之一，一般由錐管段、肘管段和擴散段組成，其中肘管體型尤為復雜。近年來金屬里襯的肘管成為市場主流，金屬里襯由廠家制造，沿管線方向各斷面呈不規(guī)則的流線型變化，結構十分復雜，目前主要采用傳統(tǒng)二維CAD制圖手段進行結構配筋，通過二維CAD手段難以表現復雜的空間鋼筋型式，鋼筋長度也難以準確計算，工作量也較大，嚴重影響設計效率及質量。

國內外科研機構針對復雜水工結構配筋，也開發(fā)了一些水工配筋CAD系統(tǒng)，很好的利用了計算機輔助制圖，簡化了配筋的設計工作。但三維參數化模型及配筋成果無法深入應用，三維設計思路并未貫穿整個設計流程，鋼筋圖、編號等仍然基于二維繪圖環(huán)境，難以解決不直觀、不能準確描述鋼筋空間布置的問題，后期校核、修改等也存在一定的困難。

為改善以上問題，本文提出“三維配筋設計，三維鋼筋表達”的設計表達方法，采用斷面線對三維尾水管肘管模型繪制主筋，采用基準腰線法繪制分布筋，以三維形式繪制鋼筋，對二維中很難表達的三維空間曲線構型的鋼筋，可實現所見即所得，極大的提高了尾水管配筋的工作效率，保證了設計質量，使設計成果更加便于指導施工，工程量的統(tǒng)計也更加精準、貼合實際。三維參數化模型及配筋成果以.dgn文件保存后，可在三維設計軟件Microstation（以下簡稱MS）中編輯、參考，承載更多設計信息，深入運用到BIM的全生命周期中。

2 參數化建模工具簡介

GenerativeComponents（以下簡稱GC）是基于MS平臺的參數化和關聯(lián)的設計系統(tǒng)，為有效開發(fā)比較設計方案提供許多全新的方式。它采用圖形方式展示設計組件及其相關關系，從而捕獲設計意圖。使用GC可以有效的展示和重用新穎的設計方案，無須手動為每個方案重新構建模型，是一款圖形、腳本、變成相結合的參數化三維建模工具，可記錄每個特征元素的創(chuàng)建方式。當設計人員對模型輸入參數做出更改時，該系統(tǒng)可以重新自動生成三維模型元素。

GC具有以下特征：基于幾何或特征的傳統(tǒng)建模；參數化和關聯(lián)控制系統(tǒng)；新特征類型的可擴展性，無須最終用戶使用反射和代碼生成方式編程，即可制作工具；支持面向對象的軟件設計約定編寫腳本和編程；可自我記錄。

傳統(tǒng)的CAD軟件不會記住如何生成基本工具，有關如何創(chuàng)建基本工具的信息一般屬于臨時信息，而GC則不同，基本工具的創(chuàng)建方式信息屬于永久性信息。對象可以記住自身的創(chuàng)建方式。更新方法由生成幾何體形狀、尺寸和位置所需的信息以及相關公式組成。每個更新方法中的參數都具有唯一性，可以動態(tài)更新，或者根據需要加以更新。

在BIM相關軟件中，與GC類似的軟件有GrassHopper和Dynamo，基本上可以實現相同的功能，本文使用GC來作為參數化建模的工具。

圖1 某工程尾水管單線圖

3 三維金屬里襯肘管的繪制

肘管單線圖根據水輪機試驗效果確定，由若干橫斷面組成，廠家提供的圖紙一般由側視圖、頂視圖、尾水管斷面形狀示意圖以及尾水管斷面數據表組成，如圖1所示，根據單線圖圖紙，可以確定金屬里襯肘管建立的三維坐標系、各斷面位置、形狀。

根據這些特征，一般的三維建模手段是①畫出軸線；②逐個畫出各斷面；③逐個移動到軸線相應位置并旋轉至相應角度；④使用斷面放樣的方式形成B樣條曲面；⑤使之閉合成體。整個建模過程非常繁瑣，如果過程中某參數需要修改，這個繁瑣的過程就還需要再經歷一番。使用參數化建模工具GC，可以記錄這個繁瑣的過程，如果在建模后期涉及到模型參數的修改，直接修改參數即可，中間過程可自動完成，因此可以方便的創(chuàng)建金屬里襯肘管的三維模型，大大降低了建模工作量，提高了建模精度，后期只要修改斷面參數，模型就可實現自動更新。

尾水管參數化建模的一般步驟是：①將廠家提供斷面數據輸入Excel表格；②使用GC讀取Excel表格中的參數；③使用經過記錄或者編程的建模腳本，經過一系列GC特征操作完成三維模型。該過程不是本文介紹重點，感興趣的讀者可參考引用文獻［3］，在此不再贅述。GC繪制尾水管體型如圖2所示。

圖4 主筋投影線繪制

圖2 金屬里襯肘管段三維模型

4 尾水管肘管配筋設計

4.1 鋼筋型式

鋼筋與混凝土結構表面具有近似特征，肘管的配筋以其內部結構表面為基準，為防止鋼筋銹蝕，設置一定厚度的鋼筋保護層。在肘管結構設計中，必須同時設置橫向鋼筋和縱向鋼筋，以滿足結構力學性能及構造要求。本文以垂直水流方向為鋼筋主筋，順水流方向為分布筋。

4.2 主筋布置

主筋斷面間鋼筋尺寸按兩斷面尺寸內插，主筋分為4種型式，如圖3所示。

型式1：圓形斷面或接近圓形斷面采用封閉型式；

型式2：兩側半圓，上下直線型式；

型式3：1／4圓弧 +直線段 +1／4圓弧，上下直線型式；

型式4：當圓弧半徑較小時，可采用兩側、上下直線型式。

主筋配筋采用斷面法，主要技術思路為：

圖3 主筋型式圖

根據廠家給出的斷面數據繪制內外側肘管關鍵點，以內外側關鍵點為基礎，計及保護層厚度和主筋直徑，繪制外側主筋，間距200mm左右；對應繪制內側主筋間距150mm左右，斷面間關鍵點按兩斷面間尺寸內插得到，如圖4（b）所示。

在保證廠家給出的斷面處主筋的同時，根據內外側對應主筋關鍵點方向繪制主筋投影線，如間距小于70mm，自動間隔截斷（如圖4（c）所示）。

根據相似性原理，將三維肘管結構面向內側偏移一定距離，計及保護層厚度和主筋直徑，將偏移所得的三維空間曲面稱為“肘管布筋投影面”如圖5所示。

圖5 肘管布筋投影面

圖6 單側主筋弧段

將主筋投影線投影至偏移后三維曲面，得到主筋弧段投影線，根據前述主筋型式分類，當圓弧半徑較小時，兩側需采用直線型式，此處需采用編程手段加以判斷，程序代碼如圖6所示。

同理，繪制另外一側主筋弧段，根據四種主筋型式，繪制主筋直線段，弧線段、直線段。全部完成后，鋼筋延長10倍主筋直徑作為錨固；根據一定規(guī)則，在直線出口段增加孔口加強筋，至此主筋繪制完畢，如圖7所示。

圖7 主筋三維模型

4.3 分布筋布置

分布筋一般控制在進口處間距200mm左右，由于出口處鋼筋間距大大超出200mm，需增補分布筋。肘管分布筋一般為空間曲線，具體設計思路如下：

不同于主筋投影線，為布置分布筋，首先通過連接對應的“內外側主筋關鍵點”形成“分布筋斷面線”；

將“分布筋斷面線”投影至“肘管布筋投影面”，生成“分布筋基準斷面”；

以尾水管進口斷面與X軸、Y軸相交的4個點為分布筋的基準起點，同樣在相鄰斷面上布置4個點，由對應點對基準斷面進行剖分，相連形成上、下、左、右四條基準腰線；

建立分布筋：以肘管進口為基準，繪制分布筋綁扎軌跡點，在GC中采用Point特征中的Point-ByNumbersAlongCurve方法，點數取 Floor（or Ceiling）（Curve.Length／200mm），根據具體情況選擇上取整（Ceiling）或下取整（Floor），具體編碼如圖8所示。

圖8 建立分布筋關鍵代碼

插補鋼筋：根據程序判斷出口處是否需要增補分布筋，增補分布筋后間距不應大于200mm，亦不應小于70mm；

對分布筋起始和終止處增加錨固長度，分布筋三維模型如圖9所示。

圖9 分布筋三維模型

4.4 最終模型

將主筋及分布筋模型同時顯示，取保護層厚度150mm，鋼筋最大間隔200mm，錨固長度為10倍鋼筋直徑；如保護層厚度不變，鋼筋最大間隔改為300mm，通過修改GC參數化程序初始參數，經過約1min的重新計算，三維配筋模型自動生成，如圖10所示。

圖10 最終配筋模型

5 結語

尾水管配筋作為水電站廠房施工圖階段最復雜的設計工作之一，是設計單位長期以來的難題，工作量大、工作效率低、設計質量差，傳統(tǒng)成果依托于二維設計繪圖環(huán)境，不直觀、可視性差、難以表達鋼筋的空間結構，甚至難以準確計算某一根鋼筋長度。

本文根據“三維設計，三維表達”的設計思路，依托CFCAD及前人二維設計條件下的經驗，采用“斷面法”、“基準腰線法”，通過參數化技術手段，實現了尾水管最復雜的肘管段三維配筋設計，成果實現三維表達配筋設計，自動統(tǒng)計工程量，通過簡單的擴展可快速生成鋼筋圖、鋼筋斷面、分組、編號等功能。本文程序針對云南戈蘭灘水電站工程廠房肘管設計進行了計算對比實驗，配筋結果與二維設計吻合。經測試，該程序重用性好、操作簡單、邏輯性強，對提高設計效率與設計質量有顯著的效果。

肘管參數化三維體型及配筋模型，能夠以.dgn文件形式無縫連接MS，融合水工結構信息和鋼筋信息于一體的參數化模型，能為水利水電數字化產品數據管理（PDM）和施工進度仿真等提供支持，為水利工程的設計、分析、管理等其他應用奠定基礎。

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