一种适用于复杂曲面和简单曲面的定距布筋方法

摘要

本发明涉及三维绘制领域，提供了一种适用于复杂曲面和简单曲面的定距布筋方法，实现多个复杂曲面、任意多段引导线、按照多种布筋规则的定距均匀布筋。本发明主要包括：选择和离散布筋面；三角网法向偏移；逆向重构生成偏移后的布筋面；确定布筋引导线；基于布筋引导线生成钢筋轴线；基于钢筋轴线生成钢筋三维对象；钢筋三维对象的显示和存储。本发明适用于复杂曲面的定距布筋。

说明书

技术领域

本发明涉及三维绘制领域，特别涉及一种适用于复杂曲面和简单曲面的定距布筋方法。

背景技术

复杂曲面：曲面是相对平面而言的；复杂曲面是相对圆柱面、球面、锥面等简单曲面而言的。在土木建筑工程实践中，复杂曲面可分为规则复杂曲面和自由曲面。各种断面型式的地下引水和交通隧洞、进水口的溢流堰顶结构、各种异形结构渐变段结构的表面属于规则复杂曲面；而水轮机叶片等零部件的型面则为自由曲面。

定距钢筋：钢筋间距是指两个单根钢筋之间的距离。一般钢筋间距提法就是指钢筋形心之间距离，净距一般会特别说明，净距一般在考虑构造时候才会提到，比如最小净距是为保证握裹力，有时要考虑施工因素等。对于混凝土结构表面的某个方向排列的钢筋，其钢筋排列间距一致，那么称为定距钢筋。定距钢筋的作用是混凝土表面的钢筋布置更均匀，同时保证混凝土振捣浇筑质量，提高混凝土结构的工作性能。

目前对这种钢筋图的绘制方法，大部分是采用二维绘制。对不同工程结构部位选取典型特征结构面展开为平面，用手工绘制布筋钢筋和计算钢筋长度，然后返回到典型结构投影剖切面绘制钢筋，作为最终钢筋设计成果图。对于结构断面变化较多、布筋面为曲面的部位，需要手动、逐个将布筋面展开，并逐个绘制和计算钢筋长度。对于比较复杂的结构，如水工建筑闸墩、蜗壳结构等的钢筋图绘制和材料分类统计仍由人工完成，设、校、审的工作量极大、难度高且较容易出错。对于结构比较规整的结构，虽然有部分软件可以直接绘制图，但仍然适用范围有限，无法适用各种复杂结构的三维布筋及三维显示、检查、指导施工实践。寻找新的多引导线三维快速布筋工具和方法，提升结构工程师及制图人员急需的钢筋设计手段和设计效率。

目前通过手工绘制或现有软件得到的图纸都是二维的，需要经过专业训练、有经验的工程师进行解读，在头脑中重新构建钢筋的三维模型，对于渐变段较多或空间曲面较复杂的结构，无法详细、真实反映其与混凝土结构、其他钢筋的空间位置关系，同时，不同工程师在解读过程中可能存在二义性，这对钢筋图的技术交流和指导施工带来很大的障碍。随着计算机的发展，通过计算机的辅助，工程人员可以根据需要重建钢筋模型，生成与实际一致的三维钢筋模型，使得基于钢筋图的技术交流更方便、更直观、材料统计更准确。

从公开的文献和资料来看，尚未发现在三维模型空间上可适用于复杂曲面和简单曲面的定距布筋软件工具和方法，实现多个复杂曲面、任意多段引导线、按照多种布筋规则的定距均匀布筋。由于钢筋三维建模没有现成的专业软件，对钢筋三维建模工作量极大，而且是实体模型，随着钢筋数量、种类的不断增加，不管是对计算内存限制、显示速度，还是建模工作量、难度来说，都是巨大的挑战。特别是含有多个复杂空间曲面的混凝土结构，无法快速批量、快速定位，并快速生成三维模型，以方便后期的校核、审查及材料分类统计，无法满足工程设计的快速、精确的要求，因而开发新的能够高效处理复杂空间曲面结构的三维布置和实时显示的方法尤为重要。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种适用于复杂曲面和简单曲面的定距布筋方法，实现多个复杂曲面、任意多段引导线、按照多种布筋规则的定距均匀布筋。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：一种适用于复杂曲面和简单曲面的定距布筋方法，包括如下步骤：

(1)在混凝土结构面上选定布筋面，并离散为三角网和离散点集，对离散点处的三角网进行法向偏移，偏移距离为钢筋保护层厚度；

(2)对偏移后的三角网进行逆向重构曲面，形成偏移后的布筋面；

(3)在偏移后的布筋面上选择一条布筋引导线，根据输入的钢筋间距或根数，在布筋引导线上确定布筋点；

(4)对布筋点的位置进行调整；

(5)在布筋点处生成辅助法平面，用法平面切割偏移后的布筋面，生成切割曲线；

(6)基于钢筋轴线端部弯钩参数以及所述切割曲线，生成钢筋轴线，调用钢筋模板生成三维钢筋模型，并赋值钢筋属性数据；

(7)对三维钢筋模型进行轻量化处理。

进一步的，混凝土结构面上为复杂曲面，步骤(1)选定布筋面为由多个布筋子面合并的而成的复杂曲面。

进一步的，步骤(3)选择的布筋引导线为由多段曲线连接而成的曲线。

进一步的，步骤(3)选择布筋引导线后，对布筋引导线进行空间投影获得投影后的布筋引导线，根据输入的钢筋间距或根数，在投影后的布筋引导线上确定布筋点。

具体的，步骤(4)具体包括：

41)获取布筋引导线的拓扑角点；

42)将最靠近拓扑角点的布筋点，移动至该拓扑角点；

43)对于相邻的两拓扑角点区间内没有移到拓扑角点的普通布筋点，按照等间距对该区间内的普通布筋点进行重分布。

进一步的，所述切割曲线为由多段曲线的连接而成的曲线。

具体的，步骤(6)中所述钢筋轴线端部弯钩参数包括：弯钩的方向、圆弧半径R、角度Deg、延长长度L。

具体的，所述钢筋属性数据包括钢筋编号、钢筋等级、钢筋型式、钢筋直径、钢筋间距、钢筋长度、钢筋颜色、备注信息、布筋引导线、布筋面、钢筋端部方向参考平面。

本发明的有益效果是：由于本发明是根据混凝土结构面的几何元素和参数，通过曲面离散、三角网的法向偏移、曲面逆向重构、布筋引导线提取、布筋点位置计算和重分布、钢筋轴线和端部细节的生成等，由此生成钢筋三维模型，这样可以直观生成和显示三维布筋结果，显示和检查混凝土结构内部的各种钢筋的布置情况。这样的建模方式速度较快，还能将钢筋各种属性信息反映直观、准确地给工程师，提高了工程师工作的效率，其准确的信息也提高了施工进度，同时也避免由于二义性造成施工的缺陷。本发明可以采用拓扑的面模型实现，与采用实体格式的钢筋模型相比，其占用内存和硬盘空间大大减少。本发明与软件平台无关，既可以是基于商业三维设计软件，可以是自主开发的三维图形平台，在工程应用领域具有重要的应用价值，并且具有高可信度、可应用性、可采纳性。

附图说明

图1是本发明的一种适用于复杂曲面和简单曲面的三维定距布筋的方法流程图；

图2是混凝土结构三维模型示意图；

图3是混凝土结构表面的三角网Τ进行法向偏移的示意图；

图4是基于偏移后的三角网ζ重构生成布筋面Ω的示意图；

图5是位于布筋引导线上的布筋点计算的示意图；

图6是位于布筋引导线上的布筋点位置微调和重分布的示意图；

图7是布筋面生成钢筋轴线的示意图；

图8是实施的钢筋端部弯钩结构参数图；

图9是混凝土结构的钢筋三维模型图。

图中标记为：1为混凝土结构，2为布筋面，3为布筋面离散三角网，4为法向偏移后的三角网ζ的边线，5为逆向重构后的布筋面，6为混凝土保护层厚度，7为布筋引导线，8为投影后的布筋引导线，9为拓扑角点，10为钢筋间距，11A为最靠近拓扑角点的布筋点，11B为普通布筋点，13为切割曲线，14为钢筋三维对象。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明根据土木工程混凝土结构的几何信息进行快速布置三维定距钢筋。在选定的布筋面并法向偏移，按照钢筋间距或根数，在布筋引导线上按照等间距计算布筋点，根据布置参数确定钢筋的位置、长度、端部细节，生成三维钢筋模型，最后进行钢筋三维模型生成和轻量化处理。本发明适用于复杂曲面和简单曲面的定距布筋，可实现多个复杂曲面、任意多段引导线、按照多种布筋规则的均匀布筋。本发明通过对工程结构几何信息的拓扑关系驱动，实现快速、参数化布筋。下面结合附图和布筋步骤对本发明作进一步详细说明。

以下以混凝土结构面为复杂曲面的例子进行具体说明，具体流程如图1所示，包括以下步骤：

步骤一:选择和离散布筋面

(1)如图2所示，在混凝土结构1的面上，选择一个或多个布筋面，合并为一个曲面。

(2)如图3所示，将离散为三角网Τ3和离散点集，根据曲面类型和曲率确定离散边长，默认为钢筋间距。

1)对于平面对象，可以加大三角网的边长值，其三角网Τ较稀疏；

2)对于柱面等曲面对象，可以缩小三角网的边长值，其三角网Τ比较密集。

步骤二:三角网法向偏移

如图3所示，对离散点处的三角网3进行法向偏移，偏移距离为钢筋保护层厚度，形成偏移后的三角网ζ。

步骤三:逆向重构生成偏移后的布筋面Ω

对偏移后的三角网进行逆向重构曲面，形成偏移后的布筋面5。根据离散点的曲率不同，分别拟合为平面、圆柱面、球面、其他近似曲面。例如将曲率为零的相邻三角面片合并为一个平面对象Ω₁；将曲率相等等不为零的相邻三角面片合并为一个圆柱面对象或球面对象Ω₂；以及其他类型的拟合曲面Ω_n等。将这些曲面对象Ω₁、Ω₂、Ω_n合并为偏移后的布筋面Ω。

步骤四:选择布筋引导线

如图4所示，选择和提取偏移后的布筋面上的多条相连接的子边，合并为一条曲线7。该曲线可以根据布筋实际需要进行空间投影，将投影后的曲线8或该曲线7作为布筋引导线，本例采用的是投影后的曲线7作为布筋引导线。

步骤五:在布筋引导线生成布筋点

(1)如图5所示，根据输入的钢筋间距10或根数，确定布筋引导线7上的布筋点。

(2)对布筋点的位置进行调整。如图6所示，调整的具体步骤如下：

a.获取布筋引导线7的拓扑角点9。

b.将最靠近拓扑角点9的布筋点11A，移动至该拓扑角点9，

c.对于相邻的两拓扑角点9区间内没有移到拓扑角点9的普通布筋点11B，按照等间距对该区间内的普通布筋点11B进行重分布。

步骤六:生成钢筋轴线

(1)在布筋点处生成辅助法平面；

(2)用辅助法平面切割偏移后的布筋面5，得到多段曲线，连接相连的曲线形成一条切割曲线13，如图7所示；

(3)若钢筋有弯钩，首先确定钢筋轴线端部弯钩参数，如图8所示，钢筋轴线端部弯钩参数包括：弯钩的方向、圆弧半径R、角度Deg、延长长度L；根据钢筋轴线端部弯钩参数以及所述切割曲线13，最终的钢筋轴线。

步骤七:生成钢筋三维对象

在钢筋轴线上，调用钢筋模板，快速生成三维钢筋模型，赋值钢筋属性数据，最终所得的钢筋三维模型如图9所示。其中，钢筋属性数据一般包括钢筋编号、钢筋等级、钢筋型式、钢筋直径、钢筋间距、钢筋长度、钢筋颜色、备注信息、布筋引导线、布筋面、钢筋端部方向参考平面等。

步骤八:钢筋的显示和存储

钢筋的显示和存储步骤：对三维钢筋模型进行轻量化处理，实现快速预览、实时显示和快速存储。

以上描述了本发明的基本原理和主要的特征，说明书的描述只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。