信息模型技术在挡土墙设计中的应用与研究
2017-06-26王海俊宦国胜沈国华左威龙吝江峰
王海俊，宦国胜，沈国华，左威龙，吝江峰
(江苏省水利勘测设计研究院有限公司，江苏 扬州 225009)
信息模型技术在挡土墙设计中的应用与研究
王海俊，宦国胜，沈国华，左威龙，吝江峰
(江苏省水利勘测设计研究院有限公司，江苏 扬州 225009)
结合三维信息模型技术开展水工挡土墙三维设计应用，并针对挡土墙传统二维设计模式存在的专业设计信息交流不畅、施工过程中协调性差、整体性不强、数据传递能力差、信息共享困难等不足，开展了建模、计算、配筋、标注等方面的二次开发，提高了设计的效率和质量，拓展了三维设计在水利工程中的应用。
岩土工程；挡土墙；三维设计；参数化；二次开发
0 引 言
挡土墙是一种常用的支挡结构形式，广泛应用于水利水电、交通、房建等领域。工程设计中一般采用二维模式，但是二维设计模式存在专业设计信息交流不畅、施工过程中协调性差、整体性不强、数据传递能力差、信息共享困难等缺点，这些已成为传统设计发展的瓶颈，限制了行业信息化发展。随着计算机及电子信息技术的快速发展，三维信息模型技术也应运而生。三维设计不仅满足人们观感上的要求，更重要的是满足几何、力学上的数据和信息的输入输出、精度、质量控制、进度控制等要求。目前，水利、电力等行业的部、省属设计院均开展了三维协同设计方面的应用和研究[1-6]。
笔者结合国内外三维设计应用情况、性价比等因素[7]，选择在Autodesk BIM套件的基础上开展水工挡土墙的专项三维设计的应用与二次开发，形成建模-计算-出图-工程量统计智能一体化的三维设计模式，提高设计效率和质量，促进水利行业信息化的发展。
1 Revit平台应用研究
目前，国内外的三维设计平台均为通用平台，对基础设施行业的支持度不高。我们在Revit中开展专项研究，植入水利工程的设计元素和工作流程，创建了常用形式挡土墙的模型库，完成模型至工程图纸的衍生和工程量的统计，逐步推广三维协同技术在水利工程中的应用。
1.1 挡土墙三维模型的塑建及参数化
参数化模型可增加模型的通用性，通过模型参数的调整，可以衍生出众多同类型的挡土墙三维模型[8]，减少重复建模的工作。依据重力式、悬臂式、扶壁式、空箱式挡土墙的结构特点，创建了大量的参数化模型。图1为圆弧形扶壁挡土墙参数化的实例模型。
图1 挡土墙三维模型的参数化及塑建Fig. 1 Parameterizing and modeling of 3D retaining wall model
1.2 模型组合及工程图纸
不同类型的参数化模型(线型、结构型式)通过调整参数、类型、组合方式可以派生出众多的挡土墙布置，并得到相应的工程图纸，图2为水闸上、下游衔接段挡墙的模型及图纸。
图2 挡土墙模型组合及工程图纸Fig. 2 Model combination and engineering drawing of retaining wall
1.3 设计模板
我们按照水利设计习惯和制图标准，定制了一系列标准化设计模板和注释族，例如尺寸标注、标高、视图标题、多行材质标注、材质、止水铜片、工程量明细等，提供设计人员调用，提高注释效率，逐步实现软件应用的行业化和标准化。图3采用三维透视图的方式表达挡土墙之间止水铜片布置，设计、施工以及业主均能一目了然地了解细部构建的布置情况。其它的注释在此不一一举例。
图3 止水三维透视图Fig. 3 3D perspective drawing of water seal
1.4 协同设计流程
工程设计的多专业协同可减少错漏碰，笔者仅以挡土墙建筑物为设计对象，协同设计流程主要体现为项目的创建、模型及图纸的设计、校审，协同流程相对简单。但三维和二维相结合的模式能够清楚地表达设计成果，减少误读；校审过程中，模型尺寸发生调整，图纸能实现自动变更，减少设计工作量。协同设计流程如图4。
图4 三维设计流程Fig. 4 Flowchart of three-dimensional design
2 二次开发
Revit是基于工业与民用建筑的通用三维设计平台，软件提供的设计模块(梁、板、柱)主要面向建筑设计，对于其他基础建设领域的支持度几乎为零。我们通过API进行二次开发，在平台内集成挡土墙模型塑建、稳定计算、三维配筋、钢筋标注[9]等功能，实现挡土墙的智能设计，提高了设计效率。
2.1 模型塑建及计算
2.1.1 三维建模
挡土墙建模插件(RetainingWall_3DModel)可智能生成不同型式(线型、结构型式)挡土墙模型，避免手工建模的繁琐操作。用户设置挡土墙导线的布置形式，程序能对导线智能分段，设置伸缩缝，逐段生成各种型式的挡土墙。
图5为“导线型挡土墙建模模块”部分输入界面和程序生成的三维模型。
图5 导线型挡土墙建模(API)Fig. 5 Retaining wall modeling by guide line(API)
2.1.2 抗滑稳定计算
依据《水工挡土墙设计规范》等相关规范，在上述三维挡土墙建模过程中嵌入抗滑稳定计算(RetainingWall_Calculation)。可通过交互实现墙后填土水平、倾斜以及不同水位组合工况下(含抗震、漫水)的抗滑稳定计算，判断结构尺寸设计的合理性，并进行修改，实现一体化设计，大大提高了设计的效率和建模智能化。
2.1.3 程序开发架构
程序开发采用C#语言基于Revit API进行，利用轮廓族放样等函数，驱动模型的创建，具体步骤如下。
1) 参数输入
Step1：挡墙前沿导线参数输入，如起始点位置、顺水向距离、圆弧半径等。导线形式为直线+圆弧+直线或折线形式；
Step2：河道参数输入，设置青坎数目、河底高程、地面高程、青坎长度等参数。
2) 导线分段
Step1：导线生成。依据基本输入参数，由函数Line.CreateBound(XYZ endpoint1，XYZ endpoint2)、Arc.Create(XYZ center，double radius，double startAngle，double endAngle，XYZ xAxis，XYZ yAxis) 分别生成直线、弧线导线，存入CurveArray集合中。
Step2：导线分段。CurveDivide(CurveArrar curvearray)函数对导线CurveArray进行初始化分段；用户修改分段数量、逐段长度时，调用CurveDivide_TextChanged(object sender，EventArgs e)函数对导线进行重新分段。
Step3：伸缩缝添加。InitSeamInDatagridview(double seam)函数读取和处理输入的伸缩缝参数，FindChangedDividePoints(CurveArrar curvearray)函数重新分割导线，获得去除伸缩缝后的导线点集List
3) 尺寸断面验证
Step1：断面尺寸初设。根据填土高度，初算挡墙断面尺寸。
Step2：稳定验算。根据荷载及水位信息进行稳定验算，不满足要求，回Step1重新设置断面尺寸。
Step3：挡墙轮廓。满足要求的断面参数由Application.Create.NewCurveLoopsProfile(CurveArrar curvearray)函数生成相应的挡墙轮廓。
4) 模型生成
Step1：墙体生成。满足验证条件的挡墙轮廓由Document.FamilyCreate.NewSweep(bool isSolid，CurveArray path，SketchPlane pathPlane，SweepProfile profile，int profileLocation CurveIndex，ProfilePlane Location profilePlaneLocation)函数生成挡墙墙体。
Step2：扶臂体生成。Application.Create.NewCurveLoopsProfile(CurveArrar curvearray)函数生成扶臂轮廓；Document.FamilyCreate.NewSweep(bool isSolid，CurveArray path，SketchPlane pathPlane，SweepProfile profile，int profileLocationCurveIndex，ProfilePlaneLocation profilePlaneLocation) 函数生成扶臂体；CreateArm(Document doc，int rowindex)函数将生成的扶臂体移动到相应位置。
2.2 三维配筋
配筋是混凝土结构设计不可或缺的元素。目前针对常规混凝土结构(如板、梁、柱)的配筋软件不少，但对大体积、异形混凝土结构(如牛腿、闸墩、挡土墙扶壁、流道等)的三维配筋依然是众多BIM平台应用的瓶颈。笔者在Revit平台内摸索和研究挡土墙结构的三维配筋，并针对性开发挡土墙三维配筋模块(RetainingWall_3DRebar)。
图6为扶壁式挡土墙前墙配筋输入界面和程序生成的前墙、整体配筋模型。
图6 挡土墙三维配筋(API)Fig. 6 3D reinforcement of retaining wall(API)
2.3 钢筋标注
针对Revit钢筋标注方面的不足，通过API开发包含“线筋水平标注”，“线筋垂直标注”，“点筋水平标注”，“点筋垂直标注”，“点筋集中水平标注”，“钢筋网标注”6种类型的钢筋标注模块(Annotation _Rebar)。图7为钢筋标注界面和标注效果示意。
图7 钢筋标注(API)Fig. 7 Marking of reinforcement(API)
该模块能通过程序自动读取钢筋型号、直径、间距等信息进行标注，也可通过程序界面输入更改钢筋型号、直径、间距等信息进行标注，使得标注符合水利行业规范要求，提高了钢筋标注的效率和自动化程度。
3 结 语
笔者通过Revit平台开展水工挡土墙三维设计的应用和开发，完成了参数化三维建模、设计计算、配筋、标注行业化等工作。后期将补充结构内力计算、基础设计等功能模块，逐步完善“建模-计算-出图-工程量统计智能一体化”的协同设计模式。不久的将来，三维协同设计的方法、理念将变成现实，融入到规划、设计、施工、工程管理过程中，提高工程从规划设计到运营管理全生命周期的质量和效率，促进水利工程的信息化、现代化。
[1] 张翔，章程，徐蒯东，等.三维设计在龙开口水电站的应用[J].水力发电，2013，39(2)：43- 46.
ZHANG Xiang，ZHANG Cheng，XU Kuaidong，et al.Application of 3-D design in the design of Longkaikou Hydropower Station[J].WaterPower，2013，39(2)：43- 46.
[2] 张社荣，顾岩，张宗亮.水利水电行业中应用三维设计的探讨[J].水力发电学报，2008，27(3)：65-69.
ZHANG Sherong，GU Yan，ZHANG Zongliang.Discussion on the application of the three-dimensional design for hydraulic engineering[J].JournalofHydroelectricEngineering，2008，27(3)：65-69.
[3] 王进丰，李小帅，傅尤杰.CATIA软件在水电工程三维协同设计中的应用[J].人民长江，2009，40(4)：68-70.
WANG Jinfeng，LI Xiaoshuai，FU Youjie.Application of CATIA in 3D collaborative design of hydropower project[J].YangtzeRiver，2009，40(4)：68-70.
[4] 李太友.三维协同设计技术BIM在选煤厂设计中的应用[J].煤炭工程，2013，45(3)：133-135.
LI Taiyou.3D collaborative design technology BIM applied to design of coal preparation plant[J].CoalEngineering，2013，45(3)：133-135.
[5] 李明超，钟登华，王忠耀，等.水利水电工程地质-水工三维协同设计系统研究[J].中国工程科学，2010，12(1)：43- 47.
LI Mingchao，ZHONG Denghua，WANG Zhongyao，et al.Study on hydraulic 3D collaborative design system of hydropower engineering geology[J].EngineeringSciences，2010，12(1)：43- 47.
[6] 徐鹏，吝江峰，左威龙.基于Revit族模型的泵站工程参数化建模初探[J].小水电，2015(4)：21-23，26.
XU Peng，LIN Jiangfeng，ZUO Weilong.On parametric modeling of pumping station project based on family component of Revit[J].SmallHydroPower，2015(4)：21-23，26.
[7] 宦国胜，王海俊，沈国华.水利工程中三维信息模型技术平台的比选和应用[J].江苏水利，2015(1)：41- 43.
HUAN Guosheng，WANG Haijun，SHEN Guohua.Comparison and application of 3D information model technology platform in hydraulic engineering[J].JiangsuWaterResources， 2015(1)：41- 43.
[8] 左威龙，宦国胜，吝江峰，等.扶臂挡土墙三维参数化设计技术研究[C] // 第七届全国土坡工程技术大会.贵阳：[s.n.]，2015：241-244.
ZUO Weilong，HUAN Guosheng，LIN Jiangfeng，et al.Research on 3D parametric design technique of rotary retaining wall[C] //TheSeventhNationalSlopeEngineeringTechnologyConference.Guiyang：[s.n.]，2015：241-244.
[9] 吝江峰，徐鹏，左威龙.基于Revit在水利工程中常规注释、标识二次开发[J].河南科技，2015(2)：64-67.
LIN Jiangfeng，XU Peng，ZUO Weilong.Second development of general comments and identifies in water conservancy engineering based on Revit[J].JournalofHenanScienceandTechnology，2015(2)：64-67.
(责任编辑：谭绪凯)
Application and Research of Information Model Technology in Retaining Wall Design
WANG Haijun，HUAN Guosheng，SHEN Guohua，ZUO Weilong，LIN Jiangfeng
(Jiangsu Province Water Conservation Survey Design and Research Institute Co. Ltd.，Yangzhou 225009，Jiangsu，P.R.China)
Three-dimensional information model technology was used to carry out 3D design of hydraulic retaining wall.Aiming at current problems in traditional two-dimensional design of retaining wall，such as poor information exchange in the professional design，poor coordination，poor integrity，poor data transmission ability and information sharing difficulties in the construction process，the secondary development of the following aspects was carried out，including modeling，calculation，reinforcement and marking.The secondary development improves the design efficiency and quality，which also widens the application of 3D design in water conservancy projects.
geotechnical engineering; retaining wall; three-dimensional design; parameterize; secondary development
2015-12-24；
2016-12-11
江苏省水利科技资助项目(2015090;2016065)
王海俊(1981—)，男，江苏泰兴人，高级工程师，博士，主要从事水工结构及三维协同设计方面的研究。E-mail：whj2005@1263com。
10.3969/j.issn.1674-0696.2017.06.12
O319.56
A
1674-0696(2017)06-075-05
