黃志澎，張志偉，文伏靈

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

我國(guó)土木水利工程等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)數(shù)十年的飛速發(fā)展，創(chuàng)造了基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)史上一個(gè)又一個(gè)的奇跡。對(duì)于土木工程，特別是國(guó)家大型綜合水電站工程具有大量的大體積水工混凝土結(jié)構(gòu)，且結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜多樣，鋼筋圖數(shù)量極大、鋼筋圖設(shè)計(jì)過程繁瑣、容易出錯(cuò)、設(shè)計(jì)效率低下、設(shè)計(jì)周期縮短、設(shè)計(jì)任務(wù)繁重等問題長(zhǎng)期困擾著工程設(shè)計(jì)人員。同時(shí)，如何對(duì)數(shù)量龐大、信息龐雜的鋼筋模型和數(shù)據(jù)進(jìn)行有效地組織管理，將鋼筋信息無縫傳遞和交付到采購(gòu)、加工、施工環(huán)節(jié)，給系統(tǒng)集成和項(xiàng)目管理提出了很高的要求。

近幾年來，土木工程項(xiàng)目的勘測(cè)設(shè)計(jì)周期相對(duì)較短，技施階段的鋼筋圖急劇增加。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)涉及多個(gè)專業(yè)(包括水道、壩工、廠房、建筑等)，各專業(yè)的鋼筋圖工作量大,提高鋼筋圖設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量是控制性因素。水電工程鋼筋圖設(shè)計(jì)過程，設(shè)計(jì)和校審的重復(fù)工作量極大。

由于缺少三維鋼筋設(shè)計(jì)的有效工具和手段，有以下瓶頸問題：

(1)對(duì)水電工程數(shù)量眾多的結(jié)構(gòu)，繪制結(jié)構(gòu)剖面，布置鋼筋，進(jìn)行鋼筋算量等工作，依靠人工繪制，過程繁瑣，容易出錯(cuò)，且技術(shù)含量低。

(2)設(shè)計(jì)效率低。對(duì)于土木水利工程項(xiàng)目，建筑物非標(biāo)結(jié)構(gòu)多，鋼筋圖可復(fù)用性低，難以在質(zhì)量、效率、復(fù)用上取得突破。

(3)校審負(fù)荷大?！板e(cuò)、漏、碰”檢查困難，特別是對(duì)復(fù)雜水工結(jié)構(gòu)，需要進(jìn)行多次校核和修改。

(4)無法高效形成一個(gè)有效的數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)流，嚴(yán)重制約了后續(xù)的工程量多維度統(tǒng)計(jì)和工程造價(jià)、技術(shù)交底、現(xiàn)場(chǎng)施工指導(dǎo)等高價(jià)值的應(yīng)用拓展。

針對(duì)傳統(tǒng)鋼筋圖繪制方法中，設(shè)計(jì)人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，鋼筋的“錯(cuò)、漏、重”檢查困難等弊端，實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)二維平面設(shè)計(jì)到三維鋼筋數(shù)字化設(shè)計(jì)施工一體化、數(shù)字交付的跨越，通過建立與實(shí)際結(jié)構(gòu)一致的三維鋼筋模型，輔助設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)三維布筋、二維出圖、工程量自動(dòng)統(tǒng)計(jì)、多人并行協(xié)同、基于項(xiàng)目級(jí)的工程量和造價(jià)的精細(xì)管控，指導(dǎo)施工人員現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，并進(jìn)行數(shù)字交付和下料施工管理，是本解決方案的重點(diǎn)。

2 鋼筋數(shù)字化設(shè)計(jì)解決方案

鑒于上述現(xiàn)狀和原因，研發(fā)了能夠滿足多專業(yè)、各種結(jié)構(gòu)的RebarSmart鋼筋數(shù)字化設(shè)計(jì)交付系統(tǒng)。該系統(tǒng)為土木水利工程行業(yè)提供“一站式”的三維布筋；二維出圖；數(shù)字交付的全面、成熟、可靠解決方案，包括設(shè)計(jì)、施工、造價(jià)、采購(gòu)、施工(安裝)、數(shù)字交付、運(yùn)維管理的整個(gè)全生命周期管理全過程(見圖1)。

圖1 鋼筋數(shù)字化設(shè)計(jì)交付解決方案

該解決方案具備土木水利工程鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的數(shù)字設(shè)計(jì)和數(shù)字交付能力，并支持有限元分析、工程量和造價(jià)、數(shù)控加工、指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工、工程總承包、數(shù)字工程移交等接口，貫穿鋼筋工程整個(gè)全生命周期過程，形成了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的全信息模型和數(shù)據(jù)庫(kù)，為協(xié)同設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工、管理等提供及時(shí)、準(zhǔn)確、可追溯、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)信息中心服務(wù)(見圖2)。

圖2 鋼筋數(shù)字化設(shè)計(jì)交付的技術(shù)架構(gòu)

以鋼筋對(duì)象為基本信息單元構(gòu)建數(shù)據(jù)交換接口，形成了以數(shù)據(jù)服務(wù)為核心的鋼筋數(shù)據(jù)中心構(gòu)建方案，將鋼筋數(shù)據(jù)與應(yīng)用系統(tǒng)分離，數(shù)據(jù)服務(wù)獨(dú)立于硬件平臺(tái)、操作系統(tǒng)和編程語(yǔ)言，為造價(jià)、采購(gòu)、加工等應(yīng)用提供數(shù)據(jù)服務(wù)(見圖3)。

例如，可以根據(jù)整個(gè)工程項(xiàng)目級(jí)的全信息鋼筋混凝土模型和屬性數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)工程量在各階段單項(xiàng)工程的歸集和對(duì)比，提高對(duì)總承包的整體把控能力和精細(xì)化成本控制能力。如各種結(jié)構(gòu)的鋼筋工程量和含筋率數(shù)據(jù)等，對(duì)工程量管理實(shí)現(xiàn)一體化、精細(xì)化的高效管控，工程量變更過程得到控制，提高設(shè)計(jì)精細(xì)化水平，減少設(shè)計(jì)變更。

圖3 鋼筋數(shù)字中心

通過RebarSmart系統(tǒng)、全信息鋼筋混凝土模型及數(shù)據(jù)庫(kù)，建立信息一體化的高效多維度生產(chǎn)管控模式，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)施工一體化，支撐工程總承包業(yè)務(wù)，延伸產(chǎn)業(yè)鏈，創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益和工程效益(見圖4)。

圖4 鋼筋混凝土的設(shè)計(jì)施工一體化

水利土木工程的數(shù)字移交系統(tǒng)覆蓋的范圍和對(duì)象很廣，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)全信息模型的數(shù)字移交只是作為其中的一部分?；谌畔⒌匿摻罨炷聊Ｐ秃弯摻顢?shù)據(jù)庫(kù)(見圖5)，包括鋼筋模型組織形式、記錄和管理鋼筋信息的方式、向施工單位或業(yè)主單位移交數(shù)字模型的技術(shù)方案等，集成設(shè)計(jì)圖紙、采購(gòu)下料、數(shù)控加工、成本費(fèi)用等信息和接口，形成鋼筋數(shù)字移交系統(tǒng)和方案。

圖5 鋼筋數(shù)字交付系統(tǒng)界面

建立二維圖與三維模型關(guān)聯(lián)驅(qū)動(dòng)關(guān)系(見圖6)，保證圖紙的正確性。三維模型更改，二維圖通過關(guān)聯(lián)鏈逆向追溯，正向更新，提高效率。

RebarSmart系統(tǒng)是通用、高效的布筋設(shè)計(jì)工具和全信息混凝土結(jié)構(gòu)模型管理系統(tǒng)。通過提供各種靈活高效的布筋工具，對(duì)各種型式混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)字化布筋設(shè)計(jì)，特別是對(duì)各種復(fù)雜、非標(biāo)的水工結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)三維布筋、自動(dòng)標(biāo)注、快速統(tǒng)計(jì)、與“錯(cuò)、漏、重”檢查、模型/圖紙/工程量表三者關(guān)聯(lián)。該系統(tǒng)包含了一系列高效、靈活的布筋算法和工具，具有完整、豐富的功能和菜單(見圖7～9)。

RebarSmart系統(tǒng)主要有以下功能特點(diǎn)：

(1)參數(shù)化，交互式三維布筋。

(2)鋼筋模型輕量化。

圖6 以模型為源數(shù)據(jù)的逆向追溯，正向更新

圖7 RebarSmart系統(tǒng)的布筋設(shè)計(jì)功能示意

圖8 系統(tǒng)菜單界面

圖9 高效、靈活的布筋算法和工具

(3)鋼筋材料表自動(dòng)統(tǒng)計(jì)。

(4)二維圖標(biāo)注、鋼筋表與三維鋼筋的關(guān)聯(lián)。

(5)鋼筋標(biāo)注的“錯(cuò)、漏、重”檢查。

(6)支持基于鋼筋三維模型的有限元計(jì)算。

(7)支持后續(xù)的工程算量、造價(jià)、采購(gòu)、指導(dǎo)精細(xì)化施工及數(shù)字交付應(yīng)用。

3 工程應(yīng)用

以溪洛渡水電工程為例，說明RebarSmart鋼筋數(shù)字化設(shè)計(jì)交付解決方案和系統(tǒng)在大型綜合水電工程大體積復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的業(yè)務(wù)過程和應(yīng)用流程。

溪洛渡水電站是我國(guó)“西電東送”骨干工程，位于四川和云南交界的金沙江上。工程以發(fā)電為主，兼有防洪、攔沙和改善下游航運(yùn)條件等綜合效益，并可為下游電站進(jìn)行梯級(jí)補(bǔ)償。電站主要供電華東、華中地區(qū)，兼顧川、滇兩省用電需要，是金沙江“西電東送”距離最近的骨干電源之一，也是金沙江上最大的一座水電站。水庫(kù)壩頂高程610 m，最大壩高285.5 m，壩頂中心線弧長(zhǎng)698.09 m；左右兩岸布置地下廠房，各安裝9臺(tái)單機(jī)容量77萬kW的水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)1 386萬kW，僅次于中國(guó)三峽和巴西伊泰普水電站，在世界在建和已建電站中居第三位。

電站采用自上而下的模型結(jié)構(gòu)組織方式，層次明確，比較適合大型、多人、多任務(wù)的工程項(xiàng)目逐級(jí)分解，實(shí)現(xiàn)跨專業(yè)、專業(yè)內(nèi)的協(xié)同工作(見圖10～13)。在VPM協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)環(huán)境中進(jìn)行多專業(yè)并行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和鋼筋數(shù)字化設(shè)計(jì)，具有實(shí)時(shí)協(xié)同、在線設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，可以提高協(xié)同工作的效率，很好地保證數(shù)據(jù)單源性，并實(shí)時(shí)更新，縮短設(shè)計(jì)周期。

并行設(shè)計(jì)是縮短設(shè)計(jì)周期，減少設(shè)計(jì)差錯(cuò)的保證，基于VPM協(xié)同設(shè)計(jì)，通過發(fā)布與引用機(jī)制，可直接引用他人的結(jié)構(gòu)模型和布筋成果，減少重復(fù)工作。

圖10 大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)工程PBS結(jié)構(gòu)樹分解及多人并行的布筋

實(shí)現(xiàn)了多人并行的布筋設(shè)計(jì)，有效地解決了并行協(xié)同設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)問題。對(duì)同一結(jié)構(gòu)可以并行布筋，提高設(shè)計(jì)效率。其中，壩體結(jié)構(gòu)如圖12所示。

采用本系統(tǒng)進(jìn)行鋼筋數(shù)字化設(shè)計(jì)主要為壩工專業(yè)中壩體復(fù)雜的孔口群和廊道結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和鋼筋設(shè)計(jì)的流程如圖14所示。

圖11 電站三維模型

圖12 上游面壩體結(jié)構(gòu)示意

圖13 下游面壩體結(jié)構(gòu)示意

圖14 拱壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和鋼筋設(shè)計(jì)的流程

3.1 孔口群的鋼筋數(shù)字化設(shè)計(jì)應(yīng)用

溪洛渡高拱壩孔口尺寸大、形狀復(fù)雜，外荷載作用下孔口周邊的應(yīng)力分布極為復(fù)雜，對(duì)孔口進(jìn)行配筋難度較大。為此采用對(duì)孔口群進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計(jì)(見圖15、16)、數(shù)值有限元分析、數(shù)字化三維鋼筋設(shè)計(jì)和校審，整個(gè)設(shè)計(jì)流程見圖17。

圖15 溪洛渡高拱壩的壩身孔口群三維模型

圖16 壩體深孔群(1～8號(hào))三維模型

為滿足應(yīng)力精度的計(jì)算要求，采用子模型和拉應(yīng)力圖形面積配筋方法。子模型的計(jì)算精度較整體模型的計(jì)算精度要高，尤其在結(jié)構(gòu)應(yīng)力梯度較大的部位。首先對(duì)整個(gè)壩體進(jìn)行整體模型計(jì)算(見圖18、19)，然后將關(guān)注的孔口和閘墩結(jié)構(gòu)作為子模型單獨(dú)取出加密，進(jìn)一步計(jì)算孔口和閘墩應(yīng)力(見圖20)。

圖18 整體結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算分析結(jié)果(上游面)

圖19 壩體結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算分析結(jié)果(下游面)

圖20 孔口群的有限元子模型

根據(jù)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行主拉應(yīng)力圖形面積計(jì)算配筋面積，結(jié)合工程類比，確定不同孔口結(jié)構(gòu)、不同部位的配筋參數(shù)。然后使用RebarSmart系統(tǒng)進(jìn)行鋼筋數(shù)字化設(shè)計(jì)和出圖(見圖21～23)。

3.2 廊道及電梯井群的鋼筋數(shù)字化設(shè)計(jì)應(yīng)用

根據(jù)壩基灌漿、壩內(nèi)排水、觀測(cè)檢查、機(jī)電設(shè)備布置、壩內(nèi)交通等方面的需要，在溪洛渡高拱壩的壩體內(nèi)設(shè)置各種用途的廊道系統(tǒng)。受到工具和手段的限制，以往廊道設(shè)計(jì)者大多注重廊道自身完善性,考慮廊道體型、尺寸滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，未能進(jìn)一步進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，如廊道交叉等復(fù)雜部位的優(yōu)化和數(shù)字化鋼筋設(shè)計(jì)。

圖21 2號(hào)深孔及其出口閘墩的三維模型

圖22 2號(hào)深孔的出口閘墩三維鋼筋模型

圖23 2號(hào)深孔的出口閘墩的三維鋼筋出圖示意

溪洛渡廊道系統(tǒng)的形狀復(fù)雜，廊道周邊的壩體應(yīng)力分布復(fù)雜，對(duì)廊道進(jìn)行配筋難度較大，特別是轉(zhuǎn)彎、突變、交叉等部位。為此采用對(duì)廊道系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)(見圖24、25)、數(shù)值有限元分析、數(shù)字化三維鋼筋設(shè)計(jì)和校審。這對(duì)提高拱壩設(shè)計(jì)質(zhì)量、廊道運(yùn)行能力有重要的意義。

圖24 壩體廊道及壩肩廊道群的三維設(shè)計(jì)模型

圖25 交叉部位的廊道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型

對(duì)溪洛渡電梯井和廊道的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行三維布筋、算量、出圖，應(yīng)用流程如圖26所示。

圖26壩身廊道及電梯井的三維設(shè)計(jì)及布筋流程

采用子模型和拉應(yīng)力圖形面積配筋方法，確定廊道和電梯井的各斷面配筋參數(shù)。首先對(duì)整個(gè)壩體進(jìn)行整體模型計(jì)算(見圖18、19)，然后將關(guān)注的廊道和電梯井結(jié)構(gòu)作為子模型單獨(dú)取出加密，進(jìn)一步計(jì)算廊道周邊應(yīng)力(見圖27)。根據(jù)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果(見圖28)，進(jìn)行主拉應(yīng)力圖形面積計(jì)算配筋面積(見圖29～31)，結(jié)合工程類比，確定廊道、電梯井的不同部位的配筋參數(shù)(見圖32)。然后使用RebarSmart系統(tǒng)進(jìn)行鋼筋數(shù)字化設(shè)計(jì)和出圖(見圖33、34)。

圖27 電梯井及廊道的有限元子模型

圖28 廊道附近區(qū)域的應(yīng)力云圖

圖29 某個(gè)廊道剖面應(yīng)力分布/積分示意

圖30 溪洛渡電梯井的某個(gè)剖面應(yīng)力分布/積分示意

圖31 溪洛渡電梯井的某個(gè)剖面應(yīng)力分布/積分示意

位置斷面尺寸配筋方案斷面A1～A3高程1 778.25～1 829.25 m的斜基礎(chǔ)廊道斷面A4～A25高程1 778.25～1 829.25 m的斜基礎(chǔ)廊道斷面A26～A29高程1 778.25～1 829.25 m的斜基礎(chǔ)廊道受力筋 雙層Ф32@15 cm架力筋 雙層Ф20@20 cm受力筋 雙層Ф20@20 cm架力筋 雙層Ф20@20 cm受力筋 雙層Ф28@20 cm架力筋 雙層Ф20@20 cm

圖32根據(jù)廊道或電梯井的剖面應(yīng)力積分得到配筋參數(shù)

圖33 廊道結(jié)構(gòu)與鋼筋模型(布筋過程場(chǎng)景)

圖34廊道結(jié)構(gòu)與鋼筋模型(布筋后)

4 結(jié) 語(yǔ)

RebarSmart數(shù)字化鋼筋設(shè)計(jì)交付系統(tǒng)及解決方案實(shí)現(xiàn)了“三維布筋、三維校審、自動(dòng)標(biāo)注、工程量統(tǒng)計(jì)、下料加工、數(shù)字交付”等功能和完整流程，適用于土木水利工程大體積、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鋼筋圖設(shè)計(jì)，也適用于規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的鋼筋圖設(shè)計(jì)，以及基于項(xiàng)目級(jí)的全信息的鋼筋混凝土模型管理和數(shù)字交付。

RebarSmart系統(tǒng)在水電水利工程設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用，亦可適用于土木水利行業(yè)的各個(gè)土建專業(yè)，包括水利、水電、建筑、市政、港航、橋梁、橋隧、風(fēng)電等專業(yè)。鋼筋設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了從二維設(shè)計(jì)向全三維數(shù)字設(shè)計(jì)和交付的革新，顯著提升了設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，創(chuàng)造了良好經(jīng)濟(jì)效益。該解決方案和系統(tǒng)將有效提升土木水利工程鋼筋設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量、縮短設(shè)計(jì)周期和降低設(shè)計(jì)成本，提升鋼筋設(shè)計(jì)手段和水平，并為數(shù)字移交、施工管理、成本控制等水電站全生命周期管理創(chuàng)造條件，具有良好的發(fā)展前景。