基于平法施工图自动生成钢筋三维模型技术的研究及工程实践应用

徐旻洋

(上海现代建筑设计(集团)有限公司， 200041　上海)



基于平法施工图自动生成钢筋三维模型技术的研究及工程实践应用

徐旻洋

(上海现代建筑设计(集团)有限公司， 200041上海)

【摘要】目前国内在工程建设领域一般还依赖传统的二维CAD设计，结构专业钢筋布置图纸表达主要依靠平面整体表示方法。随着工程项目的复杂性和对设计效率和质量要求的不断提升，平法施工图的不足逐渐显露：表达不直观；定位信息不全；对错漏碰缺不易避免等，难以直接指导施工。作者通过平法施工图自动生成钢筋三维模型技术，在工程实践中开展基于钢筋三维模型的相关应用，以提升工程设计效率与质量。本文将以工程项目上海交通大学医学院附属瑞金医院肿瘤(质子)中心为例，阐述平法施工图自动生成钢筋三维模型的方法，以及基于钢筋三维模型开展的相关应用，包括：平法施工图自动生成钢筋三维模型；钢筋与钢筋之间、钢筋与预埋件之间以及复杂配筋节点的碰撞校对；基于钢筋三维模型的工程算量；配筋合规性检查。

【关键词】平法施工图；钢筋三维模型；钢筋碰撞校对；钢筋工程算量；配筋合规性检查

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.02.012

引言

目前国内在工程建设领域一般还依赖传统的二维CAD设计，即采用二维设计软件完成工程施工图设计。其中，结构专业钢筋布置的图纸表达主要依靠平面整体表示方法(简称“平法”)，为了规范各地的图示方法，中华人民共和国建设部于2003年1月20日下发通知，批准《混凝土结构施工图平面整体表示方法制图规则和构造样图》作为国家建筑标准设计图集(简称平法图集，图集号03G101-1)，于2003年2月15日执行。建筑结构施工图平面整体设计方法已创建十几年，对混凝土结构施工图的传统设计表达方法作了重大改革，它将结构构件的尺寸和配筋等，整体直接表达在各类构件在结构平面布置图上，使用时需与标准构造详图配合。毋庸置疑，施工图平法标注的标准化，推动了我国建筑行业的发展，据设计部门统计，使用施工图平法标注后，图纸数量减少65%～80%，综合工作日减少70%，其效率显而易见[1-4]。

平法的核心是表达钢筋信息，平法改变了传统的将各个构件逐个绘制详图的繁琐方法，使单张图纸的信息量高而集中，提高了设计效率[5]。但是，随着计算机硬件和软件技术的不断进步，工程界对建设项目运行的效率和成本也提出了更高的要求。随之，平法施工图的不足逐渐显露：表达不直观，容易产生歧义；钢筋定位信息不全，难以直接指导施工；二维施工图纸对错漏碰缺不易避免，给现场施工带来很大的困难；必须借助第三方软件才可以进行钢筋、混凝土的算量。另一方面，很多新设计的建筑物体型越来越复杂，功能越来越庞大，施工越来越困难，传统的二维设计已经难以胜任[6]。

面对种种现实，建筑信息模型(Building Information Modeling，简称BIM)技术的出现成为社会进步的必然，建筑信息模型是由几何数据和非几何数据两部分组成的数字化建筑模型。BIM的涵义可以分为两个层面：BIM是基于三维模型进行工程项目相关数据创建和使用的技术，可用于工程建设中的可视化、性能化分析、冲突检查、标准检查、工程算量、施工模拟、竣工模型等用途；BIM是项目全体参与人员协同工作的共享数据源，BIM可提高工程参与方的协同工作效率，并为设施从创建到拆除的全寿命期管理提供决策依据。随着BIM技术在工程建设行业应用的不断深入，已经取得了不少成果，包括：提高工程设计效率与质量、缩短设计周期、在一定程度上避免图纸错误等，为设计人员更好地表达设计意图创造了条件。

但是，由于创建钢筋三维模型存在的技术壁垒，如表1所示，且施工阶段目前仍然依赖于传统平法施工图表达的现状，导致结构专业游离于BIM大环境之外，设计模式以及工作方式较为传统，基于钢筋三维模型的应用难以在工程项目中开展，包括：钢筋通过三维实体表达后，尺寸和定位准确，可以直接指导施工；钢筋与其他建筑对象之间的碰撞校对；基于钢筋三维模型直接进行任意等级、任意直径钢筋的算量；配筋合规性检查(配筋是否符合国家规范要求)等。

鉴于以上工程现状，作者希望通过平法施工图自动生成钢筋三维模型技术，在工程实践中开展基于钢筋三维模型的相关应用，以提升工程设计效率与质量。本文将以工程项目上海交通大学医学院附属瑞金医院肿瘤(质子)中心为例，阐述平法施工图自动生成钢筋三维模型的方法，以及基于钢筋三维模型开展的相关应用，包括：平法施工图自动生成钢筋三维模型；钢筋与钢筋之间、钢筋与预埋件之间以及复杂配筋节点的碰撞校对；基于钢筋三维模型的工程算量；配筋合规性检查。

1项目概述

上海交通大学医学院附属瑞金医院肿瘤(质子)中心项目(以下简称质子医院)，总建筑面积为26 075m2，其中地上建筑面积13 415m2，地下建筑面积12 660m2。项目新建一幢地下1层地上3层的质子中心楼，一幢地下1层地上2层的能源中心楼，以及污水处理等配套工程。包括质子治疗区(含质子治疗设备)、门诊诊疗区、医技用房、科研培训用房及后勤保障配套设施，项目效果图如图1所示。该工程位于上海市嘉定区马陆镇嘉定新城中心地带，东至依玛路，南至丁单路，西至合作路，北至双丁路，用地面积约26 280m2。项目建设用地由嘉定区政府无偿划拨。项目涉及单位：建设单位，上海交通大学医学院附属瑞金医院；代建单位，上海申康卫生基建管理有限公司；BIM咨询及工程设计单位，华东建筑集团股份有限公司；监理单位，上海建科工程咨询有限公司；施工单位，上海建工一建集团有限公司。

质子医院被上海市市委指定为BIM技术应用试点项目，项目各参与方为响应市委号召，积极采用较为成熟的BIM技术，并贯彻执行于整个项目建设过程中。本项目将成为BIM技术应用的示范性项目，为未来政府性投资项目的BIM技术应用提供指导和示范。

质子治疗设备及其周边结构的设计部署是这个项目的重点及难点所在。质子治疗设备属于高精度仪器，放置于基地南部，成长条形布置，为避免质子能源中心及常规设备区对质子放疗区的影响，将质子能源中心和常规设备区临近质子放疗区拓开11m的距离单独建造。直线加速器(地下一层)上方不得有其他功能的人员经常活动的房间，方案将直线加速器设置于基地西部，上方为大片的绿地。如图2所示，质子治疗设备为图中绿色设备，图3为设备三维模型。

2平法施工图自动生成钢筋三维模型

以设计院提交的结构专业二维施工图作为数据源，基于C#程序设计语言，开发用于读取Autodesk CAD软件中构件信息的插件，读取DWG格式施工图图纸中的构件(梁、柱、墙、板)几何信息和钢筋信息(平法集中标注及原位标注、钢筋详图表示)，如梁平法信息、柱配筋详图和墙配筋详图等，如图4所示。

将读取的信息输出到构件信息表，如图5所示。构件信息表采用XML，xml是一种标记语言，用于承载数据的，本身无格式但要符合标记语言的结构，可以通过CSS实现格式化显示，主要用于不依赖格式的数据承载媒介。选用XML格式，是一种可以与设计人员交互的数据存储方式，其中所列出的各类参数都可以修改。用于在导出数据后，方便结构工程师查看构件信息表，并确认信息是否正确。

最后再基于三维建模软件Autodesk REVIT和Nemetschek Allplan的二次开发，导入构件信息表中的数据，依据工程图纸和国家标准系列图集(11G101-1、11G101-2、11G101-3、12G901)，创建混凝土和钢筋三维模型。

其中，凡是涉及钢筋的任何细部构造要求，都务求做到与规范或国家标准图集相一致，能真实的通过施工图信息生成钢筋三维模型，用以开展后续工程应用。在过程中，主要考虑到的钢筋配置信息为：所有钢筋的混凝土保护层厚度；纵向钢筋(插筋)的布置与长度、锚固长度、弯钩内直径、连接接头的相互错开、钢筋机械连接区段长度、位于同一连接区段内的纵向钢筋接头百分率、负筋的接长位置等等；箍筋的设置包括数量、肢数；在柱和梁内箍筋的加密区与非加密区布置；柱符合箍筋采用的大箍套小箍的组合方式、柱封闭箍筋弯钩位置沿柱竖向按顺时针方向(或逆时针方向)顺序排布等[7-8]。

钢筋通过三维实体表达后，尺寸和定位准确，可以直接指导施工，可以极大的改善施工过程中钢筋绑扎随意、质量低下的问题，对施工质量的提升具有重大意义。

3基于钢筋三维模型的碰撞校对

在质子医院项目中，基于钢筋三维模型的碰撞校对主要分为两种：钢筋与钢筋之间的碰撞校对；钢筋与预埋件之间的碰撞校对。

钢筋与钢筋之间的碰撞校对应用面极广，只要有梁柱墙板连接的地方，就容易发生钢筋与钢筋之间的碰撞，如图6a所示，是一个梁柱钢筋节点。在二维施工图中，只能分别在梁平法配筋图和柱配筋详图中查看其配筋情况，很容易存在钢筋碰撞的现象。通过钢筋三维模型的建立和碰撞检测工具的应用，可以迅速查得钢筋碰撞位置，并加以修改完善，通过软件重新输出构件信息表，并更新到二维平法施工图中。

钢筋与预埋件之间的碰撞，虽不常见，但是处理起来难度较高。质子医院项目中，由于在B1层布置了质子治疗设备，该设备质量超大，且对精度要求极高，因此B1层质子治疗仓的结构布置也较为特殊。除了采用2.8m厚的超厚剪力墙外，还在墙和楼板中预埋了大型钢板及型钢构件，如图6所示，用于保证质子治疗设备的正常运行。

大型钢板和型钢构件的预埋对墙体钢筋布置造成了很大的困难。其中，大型钢板都是贴在墙体或者楼板的一侧布置，对于钢筋布置影响不算太大，相当于是增加了一个洞口；型钢构件的预埋对钢筋布置的影响就大得多了，一方面它不是贴在墙体一侧布置，相当于是被钢筋“包裹”住的，另一方面它与墙体成角度布置。所以，在有型钢构件预埋的区域，设计人员在做钢筋配置的过程中，很难仅通过二维图纸避开预埋型钢，需要耗费大量的时间和精力，还容易造成设计失误。

基于钢筋三维模型的设计可以大大提高解决此类问题的效率。通过钢筋三维模型的建立，可以准确判断钢筋与墙体预埋件之间的碰撞关系，并直接在三维空间中修改钢筋的布置方式。在完成对钢筋与其他对象的碰撞校对，并修改完善后，通过软件重新输出构件信息表，并更新到二维平法施工图中。

通过这种基于平法施工图快速生成三维钢筋模型的方式，可以迅速得到钢筋与其他对象的碰撞结果，并优化结构设计。提升设计质量。

4基于钢筋三维模型的工程算量

根据建设部颁布的《建设工程工程量清单计价规范》(GB50500-2003)第四章混凝土及钢筋混凝土工程中规定，投标方发布工程量清单时，钢筋工程必须作为单独的一个清单子目列出来。但计算钢筋的工程量是一项非常繁琐的工作，而且工程图纸又以平面整体方法表示，对于钢筋里面的一些锚固、搭接长度、箍筋的加密长度等参数又不在工程图纸上表示出来，计算钢筋工程量是一项非常困难的工作。

钢筋工程量的计算主要取决于钢筋下料长度的计算，以往借助平法图集查找相关公式和参数，通过手工计算求出各类钢筋的长度，再乘以相应的根数和理论重量，就能得到钢筋重量。

钢筋工程量=钢筋下料长度(m)*相应钢筋每米重量(kg/m)

式中，钢筋下料长度(m)=构件图示尺寸-混凝土保护层厚度+钢筋弯钩增加长度+弯起钢筋弯起部分的增加长度-量度差(钢筋弯曲调整值)+图中已注明的搭接长度。

本文所提出的方法是基于钢筋三维模型直接进行任意等级、任意直径钢筋的工程算量。将基于平法施工图生成的构件信息表，导入到Nemetschek Allplan，即可对各类钢筋混凝土构件的钢筋工程量作出详细准确的统计。Allpna是一款侧重于预制构件拆分及加工的三维设计软件，对于钢筋的空间布置及定义、锚固长度、弯钩内直径、钢筋机械连接区段长度、位于同一连接区段内的纵向钢筋接头百分率、箍筋的加密区与非加密区布置等都可以通过构件信息表导入过程中的参数设定完成设置，如图7所示。

通过钢筋三维模型，以及基于Allplan软件的二次开发，可根据输入的构件信息及参数，直接得出工程项目钢筋列表，包括钢筋直径、弯折示意、单根长度、数量、重量等信息，如图8所示。

钢筋的工程量计算完全根据输入的信息和软件自动计算方法决定，去除了人员因素，实现钢筋算量工作的程序化，在大大降低工作量的算量难度的基础上，提升了钢筋工程算量的效率及准确性。

5基于钢筋三维模型的配筋合规性检查

在工程设计过程中，经常由于建筑方案的调整或者其他原因，需要调整结构构件的截面设置和钢筋配置情况。但是，在调整配筋过程中，容易发生配筋结果不再符合国家相关规范的情况，即发生超筋、少筋等现象。此类设计失误必须在施工前检测出并做出修改，否则极易造成工程质量问题。

对于正常的结构设计过程，在调整构件对象的截面尺寸后，应该重新进行结构设计并重新配筋，但在实际设计过程中，设计人员经常贪图快捷直接手动修改钢筋配置，容易导致超筋或少筋的出现。在质子医院项目中，由于B1层特殊设备的存在，设备安置处周边的结构设计异常复杂，调整频繁，极易发生设计失误的现象。

基于此，开发了基于钢筋三维模型的配筋合规性检查插件。通过上文所述的构件信息表中的构件和钢筋信息，形成构件计算表，如图9所示。在计算表中，包括每个待检查构件的编号信息、截面信息、配筋信息，根据国家规范的相关规定，通过计算程序验证构件是否存在超筋或少筋的情况。针对不满足规范要求的构件对象，将作出提示并等待修改完成后重新校核。现在的程序设定虽然只进行超筋及少筋的检测，但时具有极高的工程应用价值。

6结论

本文通过平法施工图自动生成钢筋三维模型技术，以上海交通大学医学院附属瑞金医院肿瘤(质子)中心为例，在工程实践中开展基于钢筋三维模型的相关应用。

1)以结构专业二维施工图作为数据源，开发用于读取Autodesk CAD软件中构件信息的插件，读取DWG格式施工图图纸中的构件(梁、柱、墙、板)几何信息和钢筋信息(平法集中标注及原位标注、钢筋详图表示)，生成构件信息表，并在三维建模软件中自动创建混凝土和钢筋三维模型。

2)基于钢筋三维模型的碰撞校对，包括钢筋与钢筋之间的碰撞和钢筋与预埋件之间的碰撞。通过钢筋三维模型的建立，可以准确判断钢筋与钢筋或预埋件之间的碰撞关系，直接在三维空间中修改钢筋的布置方式，并更新到二维平法施工图中。以此迅速得到钢筋与其他对象的碰撞结果，优化结构设计，提升设计质量。

3)通过钢筋三维模型，以及基于Nemetschek Allplan软件的二次开发，可根据输入的构件信息及参数，直接得出工程项目钢筋列表，包括钢筋直径、弯折示意、单根长度、数量、重量等信息。钢筋的工程量计算完全根据输入的信息和软件自动计算方法决定，去除了人员因素，实现钢筋算量工作的程序化，在大大降低工作量的算量难度的基础上，提升了钢筋工程算量的效率及准确性。

4)针对结构设计中经常出现的超筋和少筋现象，通过构件信息表中的构件和钢筋信息，形成配筋合规性检查计算表，根据国家规范的相关规定，通过计算程序验证构件是否存在超筋或少筋的情况，并提示修改配筋，具有极高的工程应用价值。

7展望

本文所述的构件信息表，包含了构件信息和配筋信息。展望以后的钢筋加工方式：将钢筋信息，包括钢筋长度、锚固长度、弯钩内直径、箍筋数量、肢数、加密区与非加密区布置等信息，直接传递给预制工厂生产线上的中央处理器，再通过中央处理器按照钢筋类型分配给不同的钢筋加工设备完成相应的钢筋加工工作。例如，通过自动化钢筋弯折机完成钢筋调直、定尺、弯箍、折断等工作；通过钢筋桁架铺设设备完成钢筋桁架焊接工作。

通过这种工作模式，钢筋加工直接由工厂预制生产线完成，再运输到施工现场进行绑扎或者直接在工厂完成钢筋笼制作，可以大大提高工程施工精度、保障完工质量，有效提升管理效率。

参考文献

[1]GB20010-2002， 混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社， 2002.

[2]国家建筑标准设计系列图集G101-X. 北京：中国计划出版社.

[3]国家建筑标准设计图集08G101-11G101. 北京：中国计划出版社， 2008.

[4]国家建筑标准设计系列图集G901-X. 北京：中国计划出版社.

[5]平法图集03G101-1， 中国建筑标准设计研究院， 2003.

[6]龙辉元. 结构施工图平法与BIM[J].土木建筑工程信息技术， 2011， 3(3)： 27-30.

[7]陈青来. 钢筋混凝土结构平法设计与施工规则.中国建筑工业出版社， 2007.

[8]赵志平， 贾俊礼，张现林.基于BIM的钢筋混凝土框架结构的虚拟现实表现[J].土木建筑工程信息技术， 2011， 3(4)： 72-75.

The Research and Engineering Practice of Automatic Generating from Flat Overall Representation to Reinforced Three-Dimensional Model

Xu Minyang

(ShanghaiXianDaiArchitecturalDesign(Group)Co.，Ltd.，Shanghai200041，China)

Key Words：Flat Overall Representation；Reinforced Three-dimensional Model；Reinforced Collision Calibration；Reinforced Engineering Budgeting；Reinforced Compliance Check

Abstract:Traditional two-dimensional CAD design is still the main trend in the current domestic construction field，and the reinforced drawings mainly rely on flat overall representation in structure industry.As the complexity of engineering projects and the requirement of efficiency and quality continuously rise，the disadvantages of flat overall representation method are gradually revealed，including that it is not intuitive，incomplete of location information，difficult to avoid collision or directly guide construction.This article discusses the automatic generating from flat overall representation to reinforced three-dimensional model，the engineering practice of reinforced three-dimensional model and the relevant improvement of design efficiency and quality.The Cancer(proton)Center，Shanghai Jiao Tong University Affiliated Ruijin Hospital case is used to expound the process of automatic generating and the application of three-dimensional model，including reinforced collision calibration between bar and bar，bar and embedded part，and in complex nodes，engineering budgeting based on reinforced three-dimensional model，and reinforced compliance check.

【基金项目】上海市科学技术委员会科研计划项目“房屋建筑工程信息模型应用基础关键技术研究与示范”(编号： 15DZ1203400)

【作者简介】徐旻洋(1989-)，男，助理工程师，主要从事建筑信息化方面的研究工作。

【中图分类号】TU318; TU17

【文献标识码】A

【文章编号】1674-7461(2016)02-0077-07