基于3DEXPERIENCE平台的装配式挡土墙三维参数化设计方法

孙永超 李健刚 韩宝良 孔越 王宁

北京市市政工程设计研究总院有限公司 100082

引言

装配式钢筋混凝土挡土墙简称装配式挡土墙，由预制板、基础、二次现浇基础组成，挡土墙顶部为混凝土盖板及预制混凝土挂板，混凝土盖板与预制板之间现浇0～25cm混凝土，标准长度为2m，盖板上方为防撞墙或装饰栏杆。结构装配化是建筑工业化的主要特征之一［1］，随着现代工程建设的不断发展，加之装配式挡土墙施工方便、外形整齐简洁，使得装配式挡土墙在城市道路及近城区公路建设中应用越来越广泛。

在传统二维设计中多结合装配式挡土墙结构通用图进行装配式挡土墙设计，挡土墙的尺寸规格选型通常是设计的重点亦是难点，其根本原因在于挡土墙的尺寸规格受道路路面及设计地面等多重因素影响，且需满足基础顶埋置深度不小于0.5m、预制板顶与盖板间现浇混凝土高度不大于0.25m、基础分段长度不大于16m 等多重条件。BIM技术引领了一场从设计理念到设计手段的信息化革命［2］，带来了三维参数化设计的快速发展。与其他三维设计软件相比，3DEXPERIENCE平台作为一款三维设计软件，不仅具有强大的三维参数化协同设计能力，还可以实现设计成果实时更新、设计信息的互联互通。而且它为不同角色的使用者提供了协同的环境，解决了以往企业不同平台间相互协作的问题。鉴于装配式挡土墙二维设计现状，本文基于3DEXPERIENCE 平台，利用知识工程语言进行了装配式挡土墙（以下简称挡墙）三维参数化设计的应用研究。

1 基于3DEXPERIENCE平台二次开发技术

1.1 3DEXPERIENCE平台简介

3DEXPERIENCE 平台，简称3DE 平台，是一个包括设计、仿真、分析工具（CATIA、DELMIA、SIMULIA、BIOVIA、VKBE等）、协同环境（VPM）、产品数据管理（ENOVIA）、社区协作（3DSwym）、大数据技术（EXALEAD）等多种应用的一体化平台。

1.2 基于3DEXPERIENCE 平台的CATIA 模块二次开发方法

达索公司的3DEXPERIENCE（3DE）平台作为CATIA V6 版本，集成了CATIA 所有功能，并提供并行、修改协同等功能，因此对3DE 平台的CATIA模块进行二次开发更具有应用价值［3］。

CATIA提供了四种二次开发方式，分别为：Interactive User Defined Feature、Knowledge ware、Automation API、CAA C++和JAVA API。除了第一种开发方式无需编程外，后面三种都需要采用一定的编程手段来实现［4］。本项目主要基于Interactive User Defined Feature、Knowledge ware 两种开发方法进行了装配式挡土墙参数化设计模块研究与开发。

1.Interactive User Defined Feature

Interactive User Defined Feature即交互式自定义特征，是用户基于CATIA进行交互式定义参数化特征（模板）的一种方法。用户通过该方法，可创建三种参数化模板：UDF（用户自定义特征）、Power Copy（超级副本）、工程模板。

UDF、Power Copy 属于特征模板类型，用于零件内特征的实例化，Power Copy 包含整个建模过程，UDF不包含整个建模过程，只显示设计参数和最终结果。工程模板属于产品或零件模板类型，用于产品结构下产品或零件的实例化。

2.Knowledge ware

Knowledge ware 即智能构件，它是一种反馈式的，基于规则的、面向目标的客户化方式。通过CATIA知识工程模块，利用其内嵌的企业知识语言（EKL：Enterprise Knowledge Language），将规范的设计信息、最优的设计方法和流程等隐含的知识转化为正则的显示的知识。将设计经验、设计流程、知识体系，以参数（Parameters）、公式（Formulas）、规则（Rules）、检查（Checks）、报告（Reports）、设计表（Design Tables）、反应（Reactions）、创成式脚本（Generative Scripts）等多种形式表示出来，通过这些设计经验、设计流程、知识体系的重用，实现产品的参数化设计、合规性检查、设计成果优化。

2 基于3DEXPERIENCE平台装配式挡土墙参数化设计模块开发

2.1 装配式挡土墙参数化设计模块开发技术路线

鉴于当前设计现状，结合软件的研发适应性及研发成本，本文采用Interactive User Defined Feature和Knowledge ware结合应用的二次开发方式，进行装配式挡土墙参数化设计的应用研究，其技术路线如图1 所示。

图1 技术路线Fig.1 The technical route

2.2 装配式挡土墙设计要点、难点梳理

1.装配式挡土墙设计要点及难点

（1）装配式挡土墙类型选择

装配式挡土墙按是否设置防撞墙分为含防撞墙装配式挡土墙、不含防撞墙装配式挡土墙；按是否设隔音屏分为设隔音屏装配式挡土墙、不设隔音屏装配式挡土墙；按防撞墙等级分为装配式钢筋混凝土挡土墙（防撞A 级）、装配式钢筋混凝土挡土墙（防撞SA级）、装配式钢筋混凝土挡土墙（防撞SB 级）。根据以上规则，将装配式挡土墙划分为以下几个类型：A 级有风、A 级无风、SA级有风、SA 级无风、SB 级有风、SB 级无风、非防撞有风、非防撞无风。不同类型的挡土墙，其尺寸规格不同，在设计初期应根据道路条件、地基情况选择对应的挡土墙类型。

（2）现浇混凝土厚度及板间分块计算

挡墙设计的关键是控制现浇混凝土厚度、确定挡墙规格及板间分块，现浇混凝土厚度应控制在0～25cm之间，如图2 所示。受挡土墙基础分段长度不大于16m这一条件限制，板间分块个数不大于8。由于现浇混凝土厚度、挡墙规格及板间分块受道路边线、地面设计线控制，加之道路边线、地面设计线并非二维规则直线或曲线，因此现浇混凝土厚度及板间分块计算是挡墙设计的一大难点。

图2 装配式挡土墙三维及立面图Fig.2 3D and Elevation of assembled retaining wall

（3）挡墙规格设计

在挡墙设计时，挡墙的规格选择是设计的要点也是难点，挡墙的规格主要由道路条件（道路边线）、地面或人行道或主辅隔离带设计高（简称设计地面）、地基类型等因素确定。每种规格的挡墙，对应一种预制板高H1及墙体各部分尺寸，具体部件尺寸见图3。预制板高H1由道路边线断面高程、现浇混凝土厚度、设计地面及挡墙规格4个要素确定。由于道路平曲线、纵断线、横断面的复杂性，设计地面高低起伏，致使每个横断面上道路边线断面高程、现浇混凝土厚度、地面或人行道、主辅隔离带设计高程基本上都不一致，另外预制板高H1受挡墙规格限制，必须为0.25m的倍数，因此预制板高H1的确定尤为困难。

图3 装配式挡土墙横断面及俯视图（单位：cm）Fig.3 The cross section and top view of assembled retaining wall（unit：cm）

（4）挡墙设计成果输出

挡墙的设计成果主要包含挡墙平面布置图、挡墙纵断设计图、挡墙横断面图、挡墙设计成果表。挡墙平面布置图主要是确定挡墙平面位置，成果数据为挡墙设计起点桩号及对应主线桩号、挡墙设计终点桩号及对应主线桩号；挡墙纵断设计图主要是确定板间分块、每组挡墙类型，成果数据为挡墙墙顶设计高、板顶设计高、板间分块、基础顶设计高、地面高、桩号。挡墙横断面图主要用于挡墙的断面表达，每种挡墙类型对应一种挡墙横断面通用图。在进行挡墙设计时，首先要确定挡墙类型、挡墙设计起终点桩号，然后根据挡墙类型确定挡墙横断面通用图，最后根据挡墙类型、挡墙设计起终点桩号结合道路条件（道路边线）、地面或人行道或主辅隔离带设计高、地基类型，进行挡墙参数化设计，得到挡墙纵断设计图。

2.装配式挡土墙设计要素、参数及输入条件、输出成果

（1）挡墙设计要素

挡墙的设计要素主要有挡墙位置、挡墙类型、地基类型、道路条件、设计地面条件。

（2）挡墙设计参数

挡墙总控参数为：挡墙位置、挡墙类型、地基类型、起点桩号、终点桩号；挡墙细部参数为：预制板顶标高、基础顶标高、板高H1及挡土墙各部尺寸（a、b、c、d、b宽、B、Bt、Ht、hc、b+0.16hc）、混凝土方量（预制墙面板、墙顶现浇段、基础混凝土方量）。

（3）挡墙输入条件

挡墙输入条件为道路边线、道路中心线、设计地面。

（4）挡墙输出成果

挡墙输出成果为：挡墙平面布置图、挡墙横断面图、挡墙设计参数表、挡墙纵断设计图、挡墙设计模型。

2.3 参数化模板创建

挡墙设计的参数化模板主要有挡墙二维表达模板、挡墙三维实体模板、附属设施模板，除二维表达模板为UDF模板外，其他模板均为工程模板。

1.装配式挡土墙模板创建

挡墙二维表达模板用于挡墙纵断设计图的绘制，其输入条件为道路边线投影线、单个挡墙起点、单个挡墙终点，设计参数为挡墙位置（道路左侧挡墙、道路右侧挡墙）及挡墙细部参数；挡墙三维实体模板用于挡墙设计模型的创建，其输入条件为道路边线、道路边线投影线、单个挡墙起点、单个挡墙终点，设计参数为挡墙位置、挡墙类型、地基类型及挡墙细部参数。利用公式将设计参数与设计表（图4）中参数建立关联关系，通过挡墙类型及地基类型参数驱动不同挡墙类型下设计表中的挡墙细部参数的调整，通过板高H1（预制板顶标高与基础顶标高差值）驱动同一设计表下每组挡墙细部参数调整。利用输入条件、设计参数、设计表，创建预制板横断面二维表达图及挡墙实体模型，完成挡墙二维表达模板及三维实体模板创建。

图4 设计表Fig.4 Design table

2.附属设施模板创建

附属设施主要包含防撞墙、防撞护栏、隔音屏等构件。为了实现不同挡墙类型对应附属设施模型的创建，附属设施模板采用集成式模板创建方法，即利用EKL 语言通过规则、检查等方法，将同一类中多种形式的模板通过一定的规则设置，统一到一个模板中，这样不仅可避免多个模板的重复创建，还可实现后期多种附属设施结构形式之间的灵活调整，便于方案比选。

附属设施模板输入条件为道路边线、设计起点、设计终点，设计参数为防撞墙位置、防撞墙类型、是否设置隔音屏、细部参数等。通过防撞墙类型（A 级有风、A 级无风、SA 级有风、SA级无风、SB 级无风、非防撞有风、非防撞无风），利用规则确定不同的附属设施结构形式选择。通过输入条件、参数、完成不同附属设施结构实体的创建，形成附属设施集成式模板，如图5 所示。

图5 附属设施集成式模板Fig.5 Integrated formwork for auxiliary facilities

2.4 装配式挡土墙参数化设计程序编写

1.程序设计流程

为了实现挡墙的程序化设计，本文对挡墙设计流程进行了规划，如图6 所示。基于Knowledge ware 二次开发方式，利用EKL 语言编写了多个程序：挡墙参数化设计程序、挡墙设计成果表输出程序、挡墙纵断线创建程序、挡墙平面布置创建程序、挡墙参数化建模程序。

图6 装配式挡墙设计流程Fig.6 Design process of assembled retaining wall

2.挡墙参数化设计程序

挡墙参数化设计程序是整个挡墙设计程序的核心程序，其作用在于通过程序算法对挡墙进行参数化设计。在满足现浇混凝土厚度不大于250mm及板间分块不大于8 的前提下，根据输入条件及参数，求得挡墙设计范围内挡墙类型组数（即板间分块m 个数）以及每组挡墙类型的板间分块m、板顶设计高程、墙顶设计高程、预制板顶高程、基础顶高程、预制板高H1、挡墙设计桩号、每组挡墙对应地面线首尾高程等，其数据列表结构及部分代码如图7 所示。

图7 挡墙设计程序数据列表及部分代码Fig.7 Design program data list and some codes of assembled retaining wall

3.挡墙纵断线创建程序

挡墙纵断线创建程序，其作用在于通过程序算法依据挡墙设计程序求得的设计参数，创建墙顶设计线、板顶设计线、地面设计线、基础顶设计线，绘制纵断图表格，并对挡墙二维表达模板进行实例化，完成挡墙纵断设计线的创建，其数据列表结构及部分代码如图8 所示。

图8 纵断线创建程序数据列表及部分代码Fig.8 Data list and part of codes of vertical break line creation program

4.挡墙设计成果表输出程序

利用EKL 语言在本地磁盘创建挡墙设计成果表，并将挡墙纵断设计图中需要的参数：墙顶设计高、板顶设计高、板间分块、基础顶设计高、地面高、桩号，批量输出到挡墙设计成果表（单位为m）中，实现挡墙设计成果表的输出。

5.挡墙平面布置图创建程序

挡墙平面布置图创建程序，其作用在于通过程序算法根据挡墙设计起点桩号、终点桩号，创建挡墙平面布置图。设计人通过选择道路左边线、中心线、右边线，即可实现挡墙平面布置图的快速创建。

6.挡墙及防撞附属设施参数化建模程序

挡墙及防撞附属设施参数化建模程序，基于EKL语言编程实现。通过资源表实现模板资源的获取，基于EKL 程序建立骨架、设计参数、挡墙及防撞附属设施三维实体模板的关联，实现基于骨架的参数化建模。

2.5 装配式挡土墙整体设计程序整合

为了实现挡墙整体设计程序整合，本文基于EKL语言、产品装配方法，将相关程序（参数化设计程序、挡墙纵断线创建程序、挡墙设计成果表输出程序、挡墙平面布置图创建程序、挡墙及防撞附属设施参数化建模程序）、设计骨架、参数化模板整合在一起，建立了装配式挡土墙产品知识模板。在进行装配式挡土墙设计时，设计人只需输入设计条件（道路边线、道路中心线、设计地面）、设计参数（挡墙位置、挡墙类型、起终点桩号、地基类型），即可实现挡墙的参数化设计、出图及建模，解决传统挡墙设计中的难点。

3 装配式挡土墙参数化设计模块在工程中的应用

3.1 工程概况

XC干路道路等级为主干路，全长约6.5km，非建成区段道路红线宽45m，设计速度采用60km/h，建成区段道路红线宽44m，设计速度采用50km/h。

本项目工程范围共设置8 条挡土墙，均为装配式挡土墙。其中1#～4#，7#～8#采用非防撞装配式钢筋混凝土挡墙，5#～6#挡墙采用SA 级装配式钢筋混凝土挡墙。挡墙墙身采用C35 混凝土预制，基础采用C30 混凝土现浇。预制墙面板为扶壁式，高度H1为0.75m～7.75m，级差为25cm；墙面板立面为矩形，墙板顶部现浇0～25cm 混凝土，挡土墙顶部采用预制钢筋混凝土挂板。1#～4#，7#～8#挡墙设扶手栏杆，5#～6#挡墙采用与桥梁相同形式的防撞护栏。地基为黏土地基和砂卵石地基两种情况。

3.2 挡墙参数化设计模块在工程中的应用

1.挡墙参数化设计

利用装配式挡土墙参数化设计模块，对XC干路1#～2#装配式挡土墙进行参数化设计，并输出挡墙设计表。通过程序设计，得出本设计范围内共需设置挡墙2 组，每组8 块，挡墙板高H1为1.5m及2m。

2.挡墙及防撞附属设施参数化建模

挡墙设计完成后，利用挡墙及防撞附属设施参数化建模程序，基于挡墙设计骨架、三维实体模板、设计成果数据，利用“骨架+模板”技术［5］完成挡墙及防撞附属设施的参数化建模，三维设计成果如图9 所示。

图9 三维设计成果Fig.9 3D design results

3.挡墙设计成果输出

利用装配式挡土墙纵断线创建程序，创建挡墙纵断线，基于挡墙设计成果表，完成挡墙纵断图的创建。利用挡墙平面布置图创建程序，创建挡墙平面布置图。通过导出功能完成挡墙设计成果输出，如图10 所示。

图10 装配式挡土墙设计图Fig.10 The design drawing of assembled retaining wall

4 结语

为了实现挡墙的参数化设计，本文基于3DEXPERIENCE平台，利用知识工程语言进行了装配式挡土墙参数化设计的应用研究，提出了一种新的三维参数化设计方法及整体设计程序解决方案：基于EKL程序设计的产品知识模板方法。通过该方法，实现了设计经验、设计规则与产品设计的融合，实现了装配式挡土墙的参数化设计及出图，并在工程项目中进行了应用实践，可为后续装配式挡土墙的参数化设计提供指导与借鉴。