CAD三维建模在高铁桥梁施工技术交底中的可视化应用

　　1前言
　　施工技术工作中，对下技术交底是一项非常重要且必不可少的工作。基于一般的书面性文字交底有时不能使被交底人很好的理解执行，可能造成施工进度缓慢，或因理解有误而返工，造成一系列的损失，降低施工效益。若因此延误工期，会让施工单位承担工期违约责任，使企业遭受经济与名誉的双重损失。由于二维图形缺乏立体感，致使多数人需要经过专业训练才能看懂其中所表示的确切意义；而三维图形则不同，大多数人能一眼看明白其中含义。
　　为了更快更准确的掌握施工步骤及图纸要求，现采用CAD三维建模与书面文字结合的方式来编写施工技术交底书；利用三维建模直观、可视化的优点来进行快速交底，进而达到确保工程质量、加快施工进度、提高生产效率的目的。
　　2建立实体三维模型
　　三维建模，就是利用三维数据将现实中的真实物体或场景在计算机中重建，借此模型，可以简化认知，更好更快的实现我们的研究目标。三维建模在许多领域都有广泛的应用，现在我们探讨一下它在高铁工程桥梁下部结构中的应用：通过建立三维实体模型可以帮助我们更直观、更立体的理解平面图纸，进而更好的指导现场施工。
　　依照施工图纸上的尺寸数据依次建立各结构模型，建立模型时一般采用线框对象和实体对象两种方法进行构建。两种方法各有优缺点，比如使用线框对象建立简单模型时方便快捷，但遇到复杂的、不规则模型时采用实体对象建立反而更容易，而且由实体对象建立的模型其信息更完整、歧义最少。因此在建模时这两种方法可穿插使用，来提高建模效率。
　　对于同一个三维实体的构建，可以有多种方式来完成其模型的建立，因此需要先分析此结构的独特点，从而采用简单的操作方式来执行。以圆端形实体墩身墩帽模型来说，如果直接采用曲面建模来执行，则会加大建模难度。
　　而如果我们换个思路，化繁为简，可以先用二维线框来建立一个平面图元，接下来使用创建面域＂reg＂命令将这个图元创建为面域，再输入＂rev＂旋转命令将此面域沿旋转轴旋转180°，就得到半个墩帽圆弧段模型，最后沿墩身中心轴进行镜像＂mirror＂命令，即可得到左右两半模型。此方法虽然步骤较多，但思路清晰，命令简单，可操作性强。在以上建模思路的指导下，我们可以比较容易建立出桩基、承台及墩身的三维模型，为我们下一步编制三维图文式的技术交底书做好素材准备。
　　3编制三维图文结合式的施工技术交底
　　3.1钻孔桩的作业以新建铁路连镇段施工图简支箱梁A型承台（4.8m×10.05m×2.0m）为例，建立钻孔桩（8根φ1.0m）模型。如图1、图2、图3。
　　图1设计8根φ1.0m钻孔桩平面图
　　通过以上建立的可视化模型，很快的就可以反映出实际施工中需要哪些重要的参数。以反循环钻孔灌注桩为例，其作业内容包括：桩位放样、场地平整、埋设护筒、钻机就位、泥浆制备、钻进、制作钢筋笼、清孔、下钢筋笼、灌注水下混凝土、拔除护筒等。其中重点控制的技术要点有以下两点：
　　（1）设计孔深=护筒标高-设计桩底标高。
　　（2）吊筋计算=护筒标高-桩顶设计标高-1.03。
　　图2设计φ1.0m桩基钢筋笼模型
　　图3设计8根φ1.0m钻孔桩三维模型
　　3.2桩头环切及破桩作业
　　通过建立模型，很直观的可以让被交底人了解到桩头环切及破桩的步骤和控制要点如下：
　　①测量放线：测量并标出环切线。
　　②环向切割：以环切线为基准进行环向切割。
　　③开槽：切割后，在环向切割线上部用风镐小心地凿出一条环形槽，槽宽10cm左右，深度以找出主筋为标准，在设计桩顶处形成一条保护隔离带，如图4、5所示。
　　④剥桩头→桩头切断→起吊桩头→桩顶修整找平。⑤以图纸设计角度将桩头钢筋弯折。
　　图4桩头环切模型
　　图5破桩完成效果图
　　3.3建立承台模型承台模型的建立，有助于更直观的模拟出立模后，模板内的施工操作空间，为绑扎钢筋或者混凝土浇筑振捣时时如何利用空间进行操作提供依据，如图6、图7所示。
　　图6承台模型图
　　图7桩基承台整体模型
　　3.4墩身预埋筋模型
　　通过墩身预埋筋模型的建立，可以准确的从模型中得知圆弧段各部位的钢筋间距及尺寸。钢筋安装采用定位胎具法，放样出中心线后，正确组装安放定位胎具，再绑扎承台钢筋时同步进行墩身预埋筋的安装，如图8、图9所示。
　　图8墩身预埋筋平面图
　　图9墩身预埋筋模型
　　3.5墩身模型墩身尤其是墩帽模型建立后，可以从模型中直接量测各圆弧段的截面尺寸，直观的反应出了墩帽钢筋在圆弧段的分布情况和保护厚度，以及吊围栏预埋螺栓的空间三维位置是否与钢筋相互干扰，进而可以提前调整钢筋的绑扎间距，避开预埋螺栓，让施工操作有了预见性和提前预判性，避免了返工，起到了一定的经济效果，如图10、图11所示。
　　图10墩帽模型
　　图11墩身模型
　　4三维建模在施工中的其他应用
　　4.1解决＂不兼容＂问题
　　在连续梁等复杂结构施工时，由于节点构造复杂，钢筋分布密集，特别在梁柱节点处，钢筋纵横交错，箍筋绑扎不便时，我们可以提前进行三维建模。找出冲突点，先在模型中进行合理的调整，这样在现场绑扎时即可按照模型调整后的空间布局进行施工。同理，如果结构钢筋与预留孔道有类似冲突等问题时，我们也能运用提前建模的方式来解决。
　　4.2不规则结构的体积/惯性矩等计算问题
　　施工中很多方面都要涉及到混凝土方量的计算问题，可是有些不规则结构的体积很难通过一般的公式计算出来，这时可以通过三维建模，接着输入＂massprop＂命令就能直接显示出体积（图12）。输入物体密度参数同时还能得到其质量数据。接着输入＂Y＂命令，还能将这些数据导入到Excel中建立数据库（图13）。图12执行＂masspeop＂命令得到实体的各种特性数据对图12中A型承台三维实体模型执行＂massprop＂命令，即可得到图12所示的各项特性数据。如承台体积V承台=1005×480×200=96480000（cm3）=96.48（m3），与＂massprop＂得到的体积数据相等。很明显，对于更为复杂的结构，执行＂massprop＂命令可以更快捷方便的得到我们需要的数据。
　　接着输入＂Y＂,还能将实体的这些特性数据以.mpr的格式输出保存至Excel中，方便我们调用这些数据。如果使用编码系统，还可以将这些数据输出到CAE/CAPP等数据库中，便于CAE/CAPP的信息处理。
　　图13将＂massprop＂命令的得到的数据导入至Excel表中
　　CAD三维建模中＂massprop＂命令的功能是异常强大的，不仅可以得到我们常用的体积数据，还能得到在力学分析时需要的惯性矩、惯性积及惯性半径等数据。
　　以惯性矩计算为例，使用＂UCS＂命令将三维坐标移至图4.1中承台上表面中心处，X轴与承台宽平行、Y轴与承台长度方向平行。通常使用的微积分计算惯性矩、极惯性矩及惯性半径的方法计算繁琐、运算量大，而一旦模型建立出来，通过＂massprop＂命令我们就能很容易的得到这些数据，之后亦能进一步分析计算弯矩、挠度等力学性能。此外，如果推广研究领域的话，还可以通过AutoCAD输出实体模型数据，提供给计算机辅助制造程序使用或进行有限元分析。
　　4.3通过透视图观察结构内部这种观察方式类似＂VR＂眼镜模拟成像技术，让我们拥有了一双＂透视眼＂，可以清楚地看到实体工程内部构造，加深现场施工技术人员对平面图纸的理解。具体操作为：先通过AutoCAD建立结构模型，模型建立完成后，将视觉样式选择为＂X射线＂，在这种模型样式中即可进行结构内部观察。图14通过建模我们可以清楚的观察到（64+128+64）m连续梁0#块中预应力波纹管的布置情况。这为我们在安装0#块预应力波纹管前熟悉内部构造做好准备，提前考虑安装次序，避免和其他构件安装产生冲突。
　　以此推广，在其他实体工程施工之前，我们同样可以运用这种方式进行建模。透视图能帮助我们更好地了解结构内部之间的空间位置关系，进而指导现场实际工作，提高施工效率。
　　图14（64+128+64）m连续梁0#块中预应力波纹管布置情况
　　5结束语
　　基于CAD三维建模技术成熟，建模速度快，模型丰富，效果图形象逼真等优点。我们可以将此运用到高铁桥墩的施工中，通过CAD三维建模与书面文字结合的方式来编写施工技术交底书，以此来准确而快速的进行对下交底，进而达到加快施工进度、提高生产效率的目的，这与目前流行的BIM技术有异曲同工之妙。我们还能借助CAD三维建模可视化、协调性、模拟性等功能，解决现场施工中的＂不兼容＂问题；凭借其强大的参数化性，可以较为容易的得到实体模型面积、体积、惯性矩等有用数据。因此，将CAD三维建模应用到高铁施工中将使我们解决施工难题又多了一种强大工具。