基于3DE的桩基工程三维建模程序开发研究

刘庆舒，谢昔奎，陈改霞

（1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072；2.首辅工程设计有限公司，四川 成都 610000）

0 前 言

运用计算机信息技术，提高土木工程行业信息化水平，可以有效地提高行业技术水平和工程建设生产组织方式，提高工程公司企业管理水平和核心竞争力。应用建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技术可以大大提高工程行业信息化水平。BIM技术最基础的特征之一是三维可视化。计算机辅助设计（Computer Aided Design）软件的应用大大方便了土木工程行业的三维设计［1］。

目前市面上有多种通用的三维设计软件，比如Revit、Bentley、3DExperience等。市场上出现了一些独立平台上的岩土三维设计软件，并能与Autodesk公司的AutoCAD交互，提供三维展示、二维出图等，但在与其他土木工程三维设计集成、与BIM平台集成方相比还有欠缺。目前有研究者针对“工程量清单项（比如，研究钢筋、锚杆、梁）”开展基于三维设计基础平台土木工程全专业的设计软件研究［2］。

本文基于通用平台3DExperience开展桩基工程三维设计技术研究。

1 3DE平台知识工程

在3DExperience平台中，知识工程是通过一系列的参数化、规则管理、知识管理工具、内置编程语言、开发接口等工具，进行组织、复用设计过程和知识的方法。3DExperience中有参数和公式、设计表、规则、操作等基础知识工程工具，有超级副本（PC）、用户自定义特征（UDF）和工程模板等高级知识工程工具。3DExperience还提供EKL、VBA等内置的开发语言以及C++开发接口。基于3DE平台的知识工程可以开展一系列的三维设计定制［3］。

从使用的便利性而言，非专业软件开发人员一般采用超级副本（PC）、用户自定义特征（UDF）和工程模板等高级知识工程工具构建基本模型单元，然后采用EKL语言实现三维设计的建模逻辑［4］。

2 桩基工程设计概况

桩基是一种常见的深基础形式，可以根据桩的受力情况、施工方法、功能、材料、断面形式进行分类。不同的桩有不同的设计方法。设计中需要考虑桩基形式的合理选择，持力层与桩长的合理选择，桩的布置，水平承载能力复核，桩基施工设计，桩基施工对周边环境的影响，技术经济对比等。根据桩的不同功能，还需要考虑不同的设计重点。

就桩的几何设计而言，主要在于桩基横断面选择、桩长设计、桩的布置。这些参数需根据工程的功能要求，地形、地质条件，可施工性，技术经济比较来计算分析确定。计算分析过程中，根据试算的参数开展三维建模并进行循环反复的计算分析。因此，三维建模可以从设计计算中独立出来，单独进行研究［5］。

3 单桩模型

从桩的横截面来区分，可以分为圆桩、矩形桩和异形桩。下面以圆桩为例进行单桩的三维模型介绍。矩形桩和异形桩可以增加横截面参数，然后利用3DE平台草图中的参数化实现相同的应用。圆桩定义的参数如表1所示，参数具体含义参见图1。

图1 单桩模型

表1 圆桩参数

在3DE平台中，新建一个产品，基于一个“孤立（isolated）”的点Point（x，y，z），桩径D和桩长L，外露长度Delta做一个扫略实体，将其定义为桩基UDF，将表1中所有的参数发布为UDF的参数。再新建一个产品，在其中调用桩基UDF生成桩基实体（见图1）。然后，基于第二个新建的产品定义桩基工程模板。使用EKL语言调用该模板即可快速生成桩基产品。

调用模板时需先将模板作为资源加载，EKL语言调用模板的关键语句如图2所示。

图2 EKL语言调用模板的关键语句

4 基于表格布置研究

工程设计中，为了便于施工人员、概预算人员使用设计信息，文件中常采用表格形式描述设计信息。比如桩基设计中，工程设计人员需要根据特殊的点位布桩，通过在图纸上读取坐标写入表格，再根据功能需要、计算分析等确定桩基设计其他参数。专业软件通常也采用表格来布置桩基。特别是设计中需要调整个别设计参数、施工过程中产生变更的情况，设计人员一般只调整设计表格中的参数，并不会更新相关图纸中的参数。三维设计中，为了确保三维模型与设计信息的一致性，有必要研究基于表格布置桩基的方法。

基于表格布置桩基需要解决两个问题：一是根据表格生成模型，二是根据表格调整模型。对第一类问题，遍历表格，依次调用模板，并对参数赋值即可。对第二类问题，可通过桩的编号判断是否有新增或删除桩基，然后新增和删除对应的桩基，之后再遍历一遍表格，修改对应的参数即可（为了简化流程，这一步不再判断是否为新增、是否有参数调整）。

5 桩基线性布置研究

在线形工程中，有时根据边坡稳定性需要沿线性方向设置抗滑桩，有时根据挡护结构基地稳定性需要沿挡墙底部设置线性的桩基托梁。在基坑工程中，为了减少开挖对周边环境的影响，需要沿基坑周边线性地布置围护桩。如果采用手工布置桩基，效率太低，需要对桩基线形布置进行研究。

工程中，通常根据地形、地质情况选定不利的位置布设桩基，并沿指定线性延展。在三维建模时，可以在指定曲线上选定一个基准点，然后通过沿曲线平移规定的间距的方式来生成布置桩基的点。最后调用模板快速生成桩基，如图3所示。

图3 桩基线性布置

6 桩基平面网状布置研究

在地基处理中，需要按矩形或梅花形布置桩基；在桥梁工程中，桥梁桩基也是平面布置的。在三维建模时，可以通过指定点沿两个垂直的方向进行扩展实现快速建模。具体实现时需要区分矩形或梅花形布置、从角点开始扩展和从中心点开始扩展等方式，桩基高程又分为指定高程和与地面相交高程等模式。最后调用模板快速生成桩基，如图4所示。

图4 基坑桩基处理平面布置

7 附属构件建模

一般地，桩基工程中除了桩身，还有冠梁、垫层、承台等附属构件。从工程实践来看，这些附属构件可简化处理。在建模中，垫层和承台简化为长方体，冠梁简化为扫略。与桩身建模一样，先分别建立垫层、冠梁和承台的UDF模型、工程模板，再通过EKL语言调用即可生产需要的模型。

8 三维模型的组织及工程量统计

为了便于模型的组织，将一“组”桩基设置在同一个“产品（product）”下，在同一个产品中再插入冠梁等附属构件。该产品作为桩基工程，插入到更大的“站点（site）”“桥梁”“道路”等节点中。

通过遍历目录树获取每根桩基的参数、附属构件的参数，然后分类统计即可形成桩基工程的工程数量表。

9 桩基工程三维建模应用

某桥长约2.1 km，共计51座桥墩，桩基300余根。采用本软件基于表格进行快速建模，效率极高，模型如图5所示。

图5 某桥梁桩基模型示意

某公路边坡桩板墙支挡工程长约120 m，共设置抗滑桩20余根。采用本软件进行快速建模并计量、出图，应用效果良好。抗滑桩模型如图6所示。

图6 某公路边坡桩板墙模型示意

10 结论及展望

基于上述分析，笔者基于3DE平台快速建立了大量地基处理、桥梁工程、支挡结构中的桩基三维模型。在软件开发和应用中，有如下结论和建议：

（1）3DE平台中，采用EKL语言调用用户自定义特征（UDF）和工程模板建立的基础模型进行快速建模，技术路线是可行的。

（2）通过对桩基几何设计各参数及建模逻辑关系的分析，按选定的技术路线进行开发，实现了桩基工程三维设计的快速建模，大大提高了桩基工程建模的效率。

（3）本技术方法可以预留桩基BIM信息，为后续BIM应用提供基础数据。桩基BIM信息可以包括桩基的几何形状、尺寸、材料、施工方法等。

（4）本研究中，未明确桩基几何设计参数与功能、地质等的相互关系，数值仿真方面还有欠缺。本建模软件奠定了三维设计软件的基础，后续可以根据需要开展相关研究，将该三维建模软件形成专业的三维设计软件。

（5）应用本研究的方法可以对土木工程行业各种基础的建模进行二次开发，形成一整套基于“工程量清单项”的三维建模库和插件，大大提高土木工程行业三维建模的效率和通用性。