CN109162407B - 一种基于人工势场法的钢筋混凝土构件交叉区域钢筋自动避障方法 - Google Patents

Abstract

发明提供一种基于人工势场法的钢筋混凝土构件交叉区域钢筋自动避障方法。该方法包括离散化表示节点处钢筋及构件、使用人工势场法进行一个方向主梁钢筋智能排布、使用人工势场法进行另一个方向主梁钢筋智能排布、保存为钢筋中心线坐标、对钢筋中心线坐标调整和输出调整后钢筋中心线坐标等步骤。该方法解决了现有钢筋碰撞检测技术中存在的仅仅能检测碰撞但是不能自动调整钢筋位置、自动化水平低以及精准性不足等问题。

Description

一种基于人工势场法的钢筋混凝土构件交叉区域钢筋自动避 障方法

技术领域

本发明涉及信息技术领域，特别涉及一种基于人工势场法的钢筋混凝土构件交叉区域钢筋自动避障方法。

背景技术

钢筋混凝土结构是指用配有钢筋增强的混凝土制成的结构。钢筋承受拉力，混凝土承受压力。钢筋混凝土结构具有坚固、耐久、防火性能好、比钢结构节省钢材和成本低等优点。钢筋混凝土结构的设计和施工是一个建筑工程的两个重要阶段。钢筋混凝土构件的钢筋设计往往只与构件的受力条件、边界条件和构件尺寸有关。在设计阶段，尤其是在复杂的梁柱节点中，建筑设计师通常没有考虑钢筋混凝土构件中的钢筋碰撞问题。目前，在钢筋混凝土的施工阶段，按照建筑结构设计图纸进行钢筋布置，如果发生了钢筋碰撞问题，工人只能简单的进行钢筋的无碰撞布置。这个过程十分枯燥乏味，浪费时间，而且影响施工的质量，增加施工的成本。因此，如何在设计阶段避免钢筋碰撞对于施工极为关键。Navisworks软件可以进行结构设计中的碰撞检测，进一步生成碰撞列表。然而，上述方案仍然具有较大的局限性。该方案仅能进行结构的碰撞检测，生成的碰撞列表仍然需要由结构设计人员结合之前未产生碰撞的图纸，重新进行布筋设计。若重新设计的结果经过碰撞检测仍然存在问题，则还需要进行重新设计。此外，进行钢筋的碰撞分析时，需要将钢筋实体建模，在钢筋数目较多的情况下，对问题的解决效率不理想。

钢筋混凝土梁柱节点是结构设计的基础而又较为复杂的部分。梁柱节点在建筑结构中最为常见的结构构件，是主体结构的重要组成部分。所以，梁柱节点的施工质量对于建筑整体的质量十分重要。梁柱节点的受力十分复杂，钢筋在节点区纵横交错，并且数目种类很多，如果能够妥善解决节点区钢筋的碰撞问题，那么整个结构的智能化钢筋排布就是可期的。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于人工势场法的钢筋混凝土构件交叉区域钢筋自动避障方法，以解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种基于人工势场法的钢筋混凝土构件交叉区域钢筋自动避障方法，包括以下步骤：

1)根据结构设计图纸建立三维空间轴网，并将建筑物梁柱节点区的钢筋与构件离散化表示。其中，所述钢筋包括x轴方向的梁钢筋、y轴方向的梁钢筋和z轴方向的柱内纵筋。所述构件包括预埋件、型钢和连接板。x轴方向表示结构设计图纸中的横向轴线方向，y轴方向表示结构设计图纸中的纵向轴线方向，z轴方向表示竖直方向。横向轴中的A轴与纵向轴中的1轴的交点作为全局坐标的原点。

2)根据离散化表示结果，将柱内纵筋及构件视为障碍物，使用人工势场法进行x轴方向钢筋智能排布。

3)将x轴方向钢筋的排布结果、柱内纵筋与原有构件视为障碍物，使用人工势场法进行y轴方向钢筋的智能排布。

4)将步骤2)和步骤3)所得的两个方向梁钢筋排布结果保存为钢筋中心线坐标。

5)基于设计规范和工程实际对钢筋中心线坐标进行调整。

6)输出调整后的钢筋中心线坐标。

进一步，规定节点区中的某一点为局部坐标系原点坐标，此点的全局坐标为(x_origin，y_origin，z_origin)。根据结构设计图纸，建立三维模型，并将三维模型离散化为以毫米为基本单位表示的坐标。

进一步，步骤2)和步骤3)中，使用人工势场法将钢筋的排布表示为钢筋智能体的路径规划。钢筋智能体的路径坐标信息记为钢筋的中心线坐标。其中，钢筋智能体的位置坐标表示为：

x_after＝x_before-x_origin (1)

y_after＝y_before-y_origin (2)

z_after＝z_before-z_origin (3)

式中，x_before表示建模得到的三维空间的x轴方向的全局坐标。y_before表示建模得到的y轴方向的全局坐标。z_before表示建模得到的z方向的全局坐标。x_after表示离散化得到的x轴方向的局部坐标。y_after表示离散化得到的y轴方向的局部坐标。z_after表示离散化得到的在z方向的局部坐标。

进一步，步骤2)中，预设x轴方向梁的钢筋中心线的起点及终点，并将钢筋中心线的起点及终点坐标离散化表示。钢筋智能体从起点出发，按照人工势场法进行智能排布。

进一步，步骤2)具体包括以下步骤：

2.1)将x轴方向钢筋的钢筋智能体分别置于各自的起点(x_st、y_st、z_st)。

2.2)计算终点(x_end、y_end、z_end)对钢筋智能体的吸引力的大小和方向。

2.3)将柱内纵筋及构件视为障碍物，计算障碍物对钢筋智能体的排斥力的大小和方向。

2.4)计算吸引力和排斥力的合力。钢筋智能体在合力的作用下，移动到下一个路径规划点(x_n、y_n、z_n)。

2.5)循环执行以下2.2)～2.4)，直至每个钢筋智能体都到达各自的终点。

2.6)保留满足终止条件的路径作为x轴方向钢筋的排布输出结果。

进一步，步骤5)具体包括以下步骤：

5.1)对对x轴方向每根钢筋的中心线坐标，循环如下：若钢筋中心线坐标的相邻a，b两个点的y坐标值相等，则两点坐标不变，若不相等，则选择与起点的y坐标值相差更大的值作为此钢筋所有中心线坐标的y坐标值。循环完成后，钢筋位置被调整且不发生弯折。

5.2)对y轴方向钢筋的中心线坐标进行下述操作：对于每根梁顶部钢筋的轨迹坐标，循环如下：若钢筋中心线坐标的相邻a，b两个点的x坐标值相等，则两点x坐标不变，若不相等，则选择与起点的x坐标值相差更大的值作为此钢筋所有中心线坐标的x坐标值。再比较两个点的z坐标值，若相等，则两点z坐标不变，若不相等，则选择与起点的z坐标值相差更大的值作为此钢筋所有中心线坐标的z坐标值。循环完成后，钢筋位置被调整且不发生弯折。对于每根梁底部钢筋的轨迹坐标，循环如下：若钢筋中心线坐标的相邻a，b两个点的x坐标值相等，则两点x坐标不变，若不相等，则选择与起点的x坐标值相差更大的值作为此钢筋所有中心线坐标的x坐标值。对于新的钢筋中心线坐标，若相邻a，b，c三个点不在同一直线上，且b点是钢筋的弯折点，找出钢筋的第一个弯折点，找到与起点的z坐标值相差最大的点e，将b和e连线，将直线内的坐标按照规范给出的角度进行调整，将发生弯折的底部钢筋进行关于节点中心线的对称调整。循环完成后，钢筋位置不变且钢筋只在节点区发生符合规范的对称弯折。

53)描画钢筋轨迹图像，将钢筋中心线坐标保留，等待输出。

本发明的技术效果是毋庸置疑的：

A.能够从设计好的工程图纸为基础，智能检测并调整节点处钢筋碰撞的错误；

B.可以用于设备管线的设计，能够从设计好的设备管线图纸为基础，智能检测并调整发生管线碰撞的错误。

附图说明

图1为排布方法流程图；

图2为存在缺陷的原设计钢筋示意图；

图3为1-1剖视图；

图4为2-2剖视图；

图5为3-3剖视图；

图6为4-4剖视图；

图7为改进的人工势场法流程图；

图8为未经调整的钢筋中心线正视图；

图9为未经调整的钢筋中心线俯视图；

图10为调整后的钢筋中心线正视图；

图11为调整后的钢筋中心线俯视图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

本实施例针对现有钢筋碰撞检测技术中存在的仅仅能检测碰撞但是不能自动调整钢筋位置、计算时间较长以及精准性不足等问题，将钢筋的排布转化为可动智能体的避障规划问题。将每根钢筋视为可动智能体。可动智能体从每根钢筋的起点出发，目标点为钢筋的终点。

参见图1，本实施例公开一种基于人工势场法的钢筋混凝土构件交叉区域钢筋自动避障方法，包括以下步骤：

1)根据结构设计图纸建立三维空间轴网，并将建筑物梁柱节点区的钢筋与构件离散化表示。其中，所述钢筋包括x轴方向的梁钢筋、y轴方向的梁钢筋和z轴方向的柱内纵筋。所述构件包括预埋件、型钢和连接板。x轴方向表示结构设计图纸中的横向轴线方向，y轴方向表示结构设计图纸中的纵向轴线方向，z轴方向表示竖直方向。横向轴中的A轴与纵向轴中的1轴的交点作为全局坐标的原点。

本实施例中，原梁柱节点设计施工图纸如图3～6所示。由图可知，原设计钢筋图纸存在节点区的钢筋碰撞的问题。根据结构设计图纸，建立三维模型。采用毫米为基本单位长度，将钢筋中心线的每个坐标点离散化为特定局部三维坐标。离散过程如下：规定节点区的某一点为局部坐标系原点坐标，此点的全局坐标为(x_origin，y_origin，z_origin)；将此钢筋的排布表示为钢筋智能体的路径规划，钢筋智能体的路径坐标信息即钢筋的中心线坐标；其余钢筋视为需要避开的障碍物，钢筋智能体的位置坐标表示为：

x_after＝x_before-x_origin (1)

y_after＝y_before-y_origin (2)

z_after＝z_before-z_origin (3)

式中，x_before表示建模得到的三维空间的x轴方向的全局坐标，y_before表示建模得到的y轴方向的全局坐标，z_before表示建模得到的z方向的全局坐标；x_after表示离散化得到的x轴方向的局部坐标，y_after表示离散化得到的y轴方向的局部坐标，z_after表示离散化得到的在z方向的局部坐标。

所有的钢筋均由钢筋中心线坐标表示。

2)根据离散化表示结果，将柱内纵筋及构件视为障碍物，使用人工势场法进行x轴方向钢筋智能排布。参见图7，预设x轴方向梁的钢筋中心线的起点及终点，并将钢筋中心线的起点及终点坐标离散化表示。钢筋智能体从起点出发，按照人工势场法进行智能排布。

将可动智能体的运动假想成在抽象的合力势场中的运动。在可动智能体的工作空间中假想出无数条的引力和斥力的场强线，使得可动智能体在类似于充满“磁场”的空间中运动，目标点对可动智能体产生的作用力就像“磁铁”一样吸引着可动智能体，把它想象成引力，而障碍物与可动智能体的作用力就好像磁铁同极之间的作用力一样，把它想象成为斥力，可动智能体就是在这种引力和斥力的合力驱动下进行运动，每行走到一个位置就去计算当前位置可动智能体所受的合力大小以及合力的方向，边行走边去探测周围的环境信息。可动智能体距离目标点越远，那么可动智能体所在位置的引力场越强，同理所受的引力也应该越大。可动智能体在距离障碍物越近的时候，可动智能体所在位置的的斥力场场强也应该越强，可动智能体所受的斥力也越来越大。也就是说，可动智能体的引力场和引力的大小都与可动智能体和目标点的距离成正比，斥力场与斥力的大小均与可动智能体和障碍物的距离成反比。并且在目标点处，理论上可动智能体所受的引力和斥力都为0，即目标点为人工势场法中的全局势场最小点。

2.1)将x轴方向钢筋的钢筋智能体分别置于各自的起点(x_st、y_st、z_st)。

2.2)计算终点(x_end、y_end、z_end)对钢筋智能体的吸引力的大小和方向。

2.3)将柱内纵筋及构件视为障碍物，计算障碍物对钢筋智能体的排斥力的大小和方向。

2.4)计算吸引力和排斥力的合力。钢筋智能体在合力的作用下，移动到下一个路径规划点(x_n、y_n、z_n)。

2.5)循环执行以下2.2)～2.4)，直至每个钢筋智能体都到达各自的终点。

2.6)保留满足终止条件的路径作为x轴方向钢筋的排布输出结果。

3)将x轴方向钢筋的排布结果、柱内纵筋与原有构件视为障碍物，使用人工势场法进行y轴方向钢筋的智能排布。

根据结构设计图，在《混凝土结构设计规范(GB50010-2010)》的指导下，设y轴方向梁的钢筋中心线的起点及终点，按照如步骤1)所述离散化公式将上述钢筋的起点以终点坐标离散化表示。钢筋智能体从起点出发，按照人工势场法进行智能排布。所述人工势场法的主要步骤如下：

3.1)y轴方向的梁中的钢筋排布，将y轴方向梁中所有的钢筋智能体分别置于各自的起点(x_st、y_st、z_st)。

3.2)计算终点(x_end、y_end、z_end)对钢筋智能体的吸引力的大小和方向。

3.3)将x轴方向的所有的梁钢筋和z方向的所有的柱钢筋作为障碍物，计算障碍物对钢筋智能体的排斥力的大小和方向。

3.4)根据上述的吸引力和排斥力，计算吸引力和排斥力的合力，钢筋智能体在合力的作用下，移动到下一个路径规划点(x_n、y_n、z_n)。

3.5)循环步骤3.2)～3.4)，直至每个钢筋智能体都到达各自的终点。

3.6)保留满足终止条件的路径作为y轴方向梁中的钢筋排布输出结果。

具体实施时，若y轴方向梁的钢筋按照原有设计图纸方案施工，其将会与已布置的其他钢筋发生碰撞。本文提出的算法可以对钢筋的排布位置重新进行调整，上述路径按照下述方式进行调整：沿着y轴方向，在钢筋智能体将与其余构件或已布置钢筋发生碰撞时，钢筋智能体向能够让其不发生碰撞的方向弯折。

4)将步骤2)和步骤3)所得的两个方向梁钢筋排布结果保存为钢筋中心线坐标。参见图8和图9，通过人工势场法的计算，保证钢筋之间不发生碰撞，由于基础单位是毫米，所以保证了计算结果较为精确。但是钢筋的弯折不符合规范和实际施工的要求。

5)基于设计规范和工程实际对钢筋中心线坐标进行调整。

5.1)对x轴方向梁的所有钢筋智能体的路径，即得到的x轴方向所有钢筋的中心线坐标。进行下述操作以使其符合《混凝土结构设计规范(GB50010-2010)》对于钢筋排布的要求：对于每根钢筋的中心线坐标，循环如下：若钢筋中心线坐标的相邻a，b两个点的y坐标值相等，则两点坐标不变，若不相等，则选择与起点的y坐标值相差更大的值作为此钢筋所有中心线坐标的y坐标值。循环完成后，钢筋位置被调整且不发生弯折。

5.2)对y轴方向梁的所有钢筋智能体的路径，即得到的y轴方向所有钢筋的中心线坐标。进行下述操作以使其符合《混凝土结构设计规范(GB50010-2010)》对于钢筋排布的要求：对于每根梁顶部钢筋的轨迹坐标，循环如下：若钢筋中心线坐标的相邻a，b两个点的y坐标值相等，则两点x坐标不变，若不相等，则选择与起点的x坐标值相差更大的值作为此钢筋所有中心线坐标的y坐标值；再比较两个点的z坐标值，若相等，则两点z坐标不变，若不相等，则选择与起点的z坐标值相差更大的值作为此钢筋所有中心线坐标的z坐标值。循环完成后，钢筋位置被调整且不发生弯折。对于每根梁底部钢筋的轨迹坐标，循环如下：若钢筋中心线坐标的相邻a，b两个点的x坐标值相等，则两点x坐标不变，若不相等，则选择与起点的x坐标值相差更大的值作为此钢筋所有中心线坐标的x坐标值；对于新的钢筋中心线坐标，若相邻a，b，c三个点不在同一直线上，且b点是钢筋的弯折点，找出钢筋的第一个弯折点，找到与起点的z坐标值相差最大的点e，将b和e连线，将直线内的坐标按照规范给出的角度进行调整，将发生弯折的底部钢筋进行关于节点中心线的对称调整。循环完成后，钢筋位置不变且钢筋只在节点区发生符合规范的对称弯折。

5.3)根据上述得到的钢筋中心线坐标，描画出其轨迹图像，将上述钢筋中心线坐标保留，等待输出。

具体实施时，根据上述方法，对于不同方向的梁钢筋采用相应的方法调整。首先判断梁钢筋的方向是x轴方向还是y轴方向，然后判断梁钢筋的位置是顶部钢筋还是底部钢筋。最后对不同的钢筋采用调整位置或进行弯折来保证钢筋之间不发生碰撞。

6)输出调整后的钢筋中心线坐标。参见图10和图11，通过人工势场法的计算，且经过钢筋中心线坐标的调整，得到不发生钢筋碰撞且符合《混凝土结构设计规范(GB50010-2010)》和工程实际要求的钢筋排布。效果证明，钢筋确实在无外加人为干扰因素下进行了合理的排布，本实施例准确地将钢筋混凝土梁柱节点区设计施工图纸的钢筋调整为无碰撞且符合《混凝土结构设计规范(GB50010-2010)》和工程实际要求的钢筋排布，是切实有效的。

Claims (6)

1.一种基于人工势场法的钢筋混凝土构件交叉区域钢筋自动避障方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据结构设计图纸建立三维空间轴网，并将建筑物梁柱节点区的钢筋与构件离散化表示；其中，所述钢筋包括x轴方向的梁钢筋、y轴方向的梁钢筋和z轴方向的柱内纵筋；所述构件包括预埋件、型钢和连接板；x轴方向表示结构设计图纸中的横向轴线方向，y轴方向表示结构设计图纸中的纵向轴线方向，z轴方向表示竖直方向；横向轴中的A轴与纵向轴中的1轴的交点作为全局坐标的原点；

2)根据离散化表示结果，将柱内纵筋及构件视为障碍物，使用人工势场法进行x轴方向钢筋智能排布；

3)将x轴方向钢筋的排布结果、柱内纵筋与原有构件视为障碍物，使用人工势场法进行y轴方向钢筋的智能排布；

4)将步骤2)和步骤3)所得的两个方向梁钢筋排布结果保存为钢筋中心线坐标；

5)基于设计规范和工程实际对钢筋中心线坐标进行调整；

6)输出调整后的钢筋中心线坐标。

2.根据权利要求1所述的一种基于人工势场法的钢筋混凝土构件交叉区域钢筋自动避障方法，其特征在于：将单个节点的柱底部中心点坐标作为局部坐标的原点，此点的全局坐标为(x_origin，y_origin，z_origin)；根据结构设计图纸，建立三维模型，并将三维模型离散化为以毫米为基本单位表示的坐标。

3.根据权利要求2所述的一种基于人工势场法的钢筋混凝土构件交叉区域钢筋自动避障方法，其特征在于：步骤2)和步骤3)中，使用人工势场法将钢筋的排布表示为钢筋智能体的路径规划；钢筋智能体的路径坐标信息记为钢筋的中心线坐标；其中，钢筋智能体的位置坐标表示为：

x_after＝x_before-x_origin (1)

y_after＝y_before-y_origin (2)

z_after＝z_before-z_origin (3)

式中，x_before表示建模得到的三维空间的x轴方向的全局坐标；y_before表示建模得到的y轴方向的全局坐标；z_before表示建模得到的z方向的全局坐标；x_after表示离散化得到的x轴方向的局部坐标；y_after表示离散化得到的y轴方向的局部坐标；z_after表示离散化得到的在z方向的局部坐标。

4.根据权利要求1所述的一种基于人工势场法的钢筋混凝土构件交叉区域钢筋自动避障方法，其特征在于：步骤2)中，预设x轴方向梁的钢筋中心线的起点及终点，并将钢筋中心线的起点及终点坐标离散化表示；钢筋智能体从起点出发，按照人工势场法进行智能排布。

5.根据权利要求4所述的一种基于人工势场法的钢筋混凝土构件交叉区域钢筋自动避障方法，其特征在于，步骤2)具体包括以下步骤：

2.1)将x轴方向钢筋的钢筋智能体分别置于各自的起点(x_st、y_st、z_st)；

2.2)计算终点(x_end、y_end、z_end)对钢筋智能体的吸引力的大小和方向；

2.3)将柱内纵筋及构件视为障碍物，计算障碍物对钢筋智能体的排斥力的大小和方向；

2.4)计算吸引力和排斥力的合力；钢筋智能体在合力的作用下，移动到下一个路径规划点(x_n、y_n、z_n)；

2.5)循环执行以下2.2)～2.4)，直至每个钢筋智能体都到达各自的终点；

2.6)保留满足终止条件的路径作为x轴方向钢筋的排布输出结果。

6.根据权利要求1所述的一种基于人工势场法的钢筋混凝土构件交叉区域钢筋自动避障方法，其特征在于，步骤5)具体包括以下步骤：

5.1)对x轴方向钢筋每根钢筋的中心线坐标，循环如下：若钢筋中心线坐标的相邻a，b两个点的y坐标值相等，则两点坐标不变，若不相等，则选择与起点的y坐标值相差更大的值作为此钢筋所有中心线坐标的y坐标值；循环完成后，钢筋位置被调整且不发生弯折；

5.2)对y轴方向钢筋的中心线坐标进行下述操作：对于每根梁顶部钢筋的轨迹坐标，循环如下：若钢筋中心线坐标的相邻a，b两个点的x坐标值相等，则两点x坐标不变，若不相等，则选择与起点的x坐标值相差更大的值作为此钢筋所有中心线坐标的x坐标值；再比较两个点的z坐标值，若相等，则两点z坐标不变，若不相等，则选择与起点的z坐标值相差更大的值作为此钢筋所有中心线坐标的z坐标值；循环完成后，钢筋位置被调整且不发生弯折；对于每根梁底部钢筋的轨迹坐标，循环如下：若钢筋中心线坐标的相邻a，b两个点的x坐标值相等，则两点x坐标不变，若不相等，则选择与起点的x坐标值相差更大的值作为此钢筋所有中心线坐标的x坐标值；对于新的钢筋中心线坐标，若相邻a，b，c三个点不在同一直线上，且b点是钢筋的弯折点，找出钢筋的第一个弯折点，找到与起点的z坐标值相差最大的点e，将b和e连线，将直线内的坐标按照规范给出的角度进行调整，将发生弯折的底部钢筋进行关于节点中心线的对称调整；循环完成后，钢筋位置不变且钢筋只在节点区发生符合规范的对称弯折；

5.3)描画钢筋轨迹图像，将钢筋中心线坐标保留，等待输出。

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