三维可视化配筋在异形沉箱浮坞门设计中的应用

钱原铭，朱 峰，陈良志

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东广州 510000）

引言

随着近年来计算机图形学技术的不断发展和进步，建筑信息模型（BIM）技术在基础建设领域得到不断的深化应用，使得设计和施工的效率得到了大幅度的提升。传统的结构平面配筋实施方案通常基于经典结构构件配筋理论，根据工程师计算分析结果进行钢筋配置、构造优化及算量统计。相比之下，现代BIM 技术可以充分依赖模型，采用算法将按照一定规则进行排布的钢筋进行计算机自动建模、数量统计与可视化展示。三维可视化配筋技术的引入带来的设计效率的提升主要体现在：1）程序化绘图能够大幅提高人工机械作业的生产效率，并降低人为偏差导致出错的概率；2）利用计算机自身的高速度、高精度计算引擎，能够实现对复杂空间交错配筋方案的快速核查，以实现消除钢筋之间的软碰撞和硬碰撞；3）支持设计方案的快速调整，并实现由配筋模型到施工图的自动化生成，大幅降低设计过程中的重复劳动。

典型结构构件的三维可视化配筋技术应用较为成熟，目前在传统建筑结构中已经得到了较为广泛的应用，例如：翁柳青等人在研究成果中介绍了PKPM 软件在混凝土结构与配筋设计中的应用[1]；周建兵等人开展了基于PKPM 的结构配筋设计与分析计算等功能[2]。

此外，在大型水利工程领域，可视化配筋技术在大体积混凝土配筋方面也得到了较为深入的研究与应用[3-4]。例如：陈强等人针对导流隧洞工程开展了三维配筋技术应用[5]；李端阳等人开展了针对尾水管肘管的参数化三维配筋设计[6]。

在水运工程领域，目前BIM 技术与结构设计融合已经较为顺畅[7-9]，但是基于结构BIM 模型的深度应用探索工作进展缓慢[10-11]，本文将结合工程实例，从钢筋模型、图纸、工程量及模型交付等方面，研究三维可视化配筋技术方案在水运工程异形沉箱结构中的应用，为类似项目提供案例借鉴和经验参考。

1 三维可视化配筋解决方案

HIDAS（Harbor Investigation and Design Application System）构件配筋软件是由中交第四航务工程勘察设计院研发的三维可视化配筋系统，旨在改变现有水运工程结构配筋工作模式，主要包含构件建模模块、三维配筋引擎、图纸及钢筋明细表统计等功能。该软件的三维可视化配筋整体解决方案可以归纳为：构件绘制（支持外部模型导入）→钢筋三维配置→按照要求自动输出钢筋施工图→自动统计得到钢筋明细表。三维可视化配筋的整体实施方案与水运工程项目实施过程中的配筋图设计过程一致，与设计人员当前的工作习惯无缝衔接。

1）构件建模模块

HIDAS 三维配筋系统中开发集成了构件建模模块。构件建模模块具备常用三维建模软件的各种功能，如图形显示、常见几何造型建模、几何约束求解、对象组织与管理、任务与命令管理、历史管理、持久化管理、数学库支持等。在几何造型方面，HIDAS 构件建模模块提供了与当今国际主流三维建模软件相一致的基于草图、约束、线框、特征和参数化的建模方式，可以满足不同异形构件的建模需求。同时HIDAS 构件建模模块也支持现行主流BIM 软件成果的导入，如rvt 文件格式。

2）三维配筋模块

HIDAS 三维配筋系统中开发集成了三维配筋模块。根据水工结构常见的钢筋类型以及配筋设计的特点，三维配筋模块提供了截面配筋、表面配筋、曲面配筋、草图配筋、线框配筋、阵列配筋和依赖配筋七大类型的智能化配筋方式，具有很强的通用性和完善性，能很好地满足水运工程领域的不同构件类型的配筋设计需求，如图1 所示。采用该技术建立的钢筋模型直接与三维模型相关联，当模型仅发生几何尺寸改变时，钢筋能够自动更新，最大程度地减少工程设计人员修改配筋的工作量，见图2。

图1 三维智能化配筋方式

图2 三维钢筋模型

3）施工图绘制模块

HIDAS 三维配筋系统中开发集成了施工图绘制模块。通过对已经完成三维配筋的模型进行剖切、投影等操作即可得到带有全面配筋信息的二维施工配筋图纸。基于自动生成的二维施工配筋图纸，可以便捷的手动添加尺寸标注、点钢筋标注、线钢筋标注等，如图3 所示。与此同时，自动生成的二维图纸与三维模型数据保持相互关联的状态，当三维模型发生改动后，通过重新生成二维施工配筋图纸即可实现相关二维图元数据的自动更新。最终生成的二维施工配筋图纸可以保存成dwg 格式。

图3 配筋图绘制及标注界面

4）钢筋明细统计模块

HIDAS 三维配筋系统中开发集成了钢筋明细统计模块。通过分类统计钢筋图元的种类和具体尺寸，可以按照预定义的规则自动快速输出模型中所有的钢筋明细表，并可以直接输出为dwg 格式文件。此外，由于钢筋配置方式与模型几何外形保持关联，因此钢筋明细表可以根据模型的修改进行自动更新，大幅减少事后手工钢筋统计的重复劳动，且提高设计效率。

2 工程案例

2.1 项目简介

某沉管预制厂深坞区采用全钢筋混凝土沉箱结构作为该坞区的活动式浮坞门结构，浮坞门沉箱长83 m，宽25.2 m，高29.1 m，空箱重量达到2万t，见图4。浮坞门在使用过程中需要考虑结构起浮→拖运→坐底→止水→蓄水等一系列工况下的机构受力情况，尤其是在蓄水状态下，结构承受的坞内外水头差达到14.50 m，因此，需要依赖结构配筋方案实现对复杂组合工况下结构的强度和裂缝进行综合控制，配筋设计过程中面临诸多挑战。

图4 深坞浮坞门异形沉箱结构

2.2 配筋设计难点

合理的配筋方案能够为结构提供足够的结构强度和抗裂安全性，但是合理的配筋方案依赖于精细的钢筋优化配置，配筋设计难点主要包括：

1）自重的精细化控制。钢筋混凝土结构在保障结构自身强度的同时，还要尽量减少结构自重，钢筋重量和分布既直接影响结构的强度，又影响结构的自重，因此需要开展精细化设计。

2）局部结构的加强。结构靠海侧设置的10.5 m高钢筋混凝土扶壁用于承担坞内蓄水期间所产生的14.5 m 的水头差荷载。混凝土扶壁结构沿着高度方向变壁厚、后方采用阶梯状肋板支撑，因此扶壁结构的局部配筋方案相当复杂，构造钢筋和箍筋的设置，以及钢筋空间布置的相互影响，会对结构的裂缝控制产生影响。

3）从施工便利性考虑，由于工期很短，结构配筋成果的准确性和工程量表中钢筋形状的可加工性，对施工的便利性影响很大。

因此采用HIDAS 三维配筋技术完成施工图设计成果。

2.3 三维可视化配筋设

1）模型与计算交互

异形沉箱深坞浮坞门结构采用Revit 软件进行正向设计，完成了全尺寸结构空间BIM 模型建立，并对模型各个部分赋予必要的关键设计信息，主要包括几何信息、材料性能、构件截面等。项目组成员在分析了有限元软件的数据接口基础上，通过插件编写，将BIM 结构模型的几何尺寸、材料属性、连接关系等导入有限元计算软件中，通过针对各类预设工况开展分析计算，对比组合计算结果，得到沿着结构整体连续分布的内力分析结果，如弯矩、剪力等，见图5。使得原本需要工程师花费大量时间进行有限元计算模型重复构建的过程可以基于已有的BIM 模型自动高效生成，大大降低了结构力学性能分析的实施周期和难度，有效提高了设计质量。

图5 深坞浮坞门异性沉箱结构

2）三维可视化配筋

通过针对异形沉箱浮坞门三维有限元模型计算分析所得到的结构内力计算结果，设计人员拟定初步的钢筋配置方案，在此基础上，结合BIM 模型开发基于正截面偏心受力模式下的高分辨率结构承载力和抗裂快速验算系统，以计算模型单元尺寸为颗粒度，快速验算整个沉箱任意位置的承载力状态和裂缝分布情况，指导结构的优化，如图6 所示。对于验算结果部满足要求的区域，则优化调整钢筋配置方案，直到验算结果满足设计要求，实现钢筋配置精细化设计。

图6 结构承载力和抗裂快速验算结果

根据上述得到的配筋方案，在HIDAS 配筋软件中进行三维配筋。在配筋模型中，钢筋的粗密程度、是否便于施工、不同的钢筋是否碰撞，这些在二维图纸中难以发现的问题在三维的模型中可以借助计算机强大的算力实现快速校验，并通过可视化技术直观呈现设计成果，如图7 和图8 所示，确保设计质量大幅提高。

图7 坞门局部钢筋细化模型（顶端连接梁处）

图8 坞门加强阶梯与侧墙钢筋模型

3）自动化成果输出

HIDAS 平台所研发的工程出图技术，可以通过对三维模型开展剖切、投影等操作得到二维的配筋施工图纸，例如在本案例中，通过指定沿着结构横向的剖面对结构进行剖切，即可得到异形沉箱典型的横断面施工配筋图。除此以外，通过指定局部区域，HIDAS 三维配筋系统可以输出局部详细钢筋配置的投影图，例如沉箱结构的孔洞局部配筋，如图9 所示。

图9 隔板预留孔加强筋布置图

HIDAS 三维配筋系统能够根据三维模型中所具体配置的钢筋种类和数量，进行自动化的分类统计，并生成对于型号、规格、数量的钢筋表和材料表。钢筋明细表中，不但给出钢筋的直径、数量，并包含钢筋简图，以便后续施工流程中工程人员对照表中成果进行备料施工。

2.4 项目实施效果

本研究所依托的某沉管预制厂深坞区采用全钢筋混凝土沉箱结构设计项目配筋工作按照传统的二维设计估算约需300 个人工时，但是采用可视化三维钢筋设计方案，最后花费60 个人工时，在显著提升了效率的同时，工程方案做的更加细致，设计成果质量也得到有效保障。同时，设计成果中所提供的详细材料列表可以指导现场施工过程中钢筋的下料和加工工作，有效减少因设计失误产生的沟通成本和返工成本，极大保障施工进度。

3 结语

1）与现有BIM 配筋技术相比，HIDAS 构件配筋软件集成适用于水运行业设计所需的丰富三维配筋绘图功能，系统包含了水工结构常见的钢筋类型以及配筋设计流程，提供了多种三维智能化配筋方式，具有很强的通用性和完善性，能很好地满足不同构件类型的配筋设计需求；

2）本项目三维可视化配筋技术的应用，有效解决了水运工程钢筋混凝土重力式异形沉箱结构的空间配筋难度大、钢筋种类多、图纸表达困难等问题。鉴于目前国内尚无类似巨型浮坞门三维配筋工程先例，该成果将对类似工程提供借鉴；

3）HIDAS 构件配筋软件的三维可视化配筋方案与水运工程配筋施工图的设计流程相一致，与实际项目相结合的使用效果表明：根据三维钢筋模型得到施工图，设计效率大大提升，同时也能有效地保证了施工精度。