CAD三維技術(shù)在寧朗水電站中的應(yīng)用

侯彥君，翟翔超

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概述

隨著科技的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，往日常用的手工繪圖的時(shí)代離我們已漸行漸遠(yuǎn)，取而代之的是計(jì)算機(jī)繪圖，使用的工具變成了各種各樣的繪圖軟件。其中，應(yīng)用最為廣泛的當(dāng)屬Auto CAD繪圖軟件。它除具有強(qiáng)大的二維繪圖功能外，還具備了三維造型能力，Auto CAD自2000版以來(lái)，在三維繪圖功能方面增強(qiáng)了很多，用戶不但可以對(duì)三維實(shí)體進(jìn)行編輯，還能以動(dòng)態(tài)、旋轉(zhuǎn)等方式觀察三維模型。在后期處理中，還可通過(guò)與其它相關(guān)軟件(3DMAX或Photoshop等)的轉(zhuǎn)換，完成實(shí)物的效果圖和動(dòng)畫制作。在此，筆者介紹了Auto CAD 2009三維制圖技術(shù)在寧朗水電站建設(shè)中的應(yīng)用。

2 實(shí)例

近年來(lái)，我國(guó)CAD三維技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，其繪圖方法在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、配件模型、電子航空和輕工化工等諸多領(lǐng)域中得到了更加廣泛的應(yīng)用與提高。在以下實(shí)例中，分別列舉了Auto CAD 2009版三維模型在寧朗水電站發(fā)電廠房工程中的應(yīng)用，包括副廠房基礎(chǔ)、尾水渠擋墻、主廠房尾水管及整個(gè)發(fā)電廠房結(jié)構(gòu)混凝土三維模型的建立。

2.1 尾水渠擋墻三維模型

寧朗水電站尾水渠擋墻底寬由9.3 m漸變至4.73 m，高度由 21.67 m 漸變至 10.23 m，反坡段還包括圓心角 a=31.8°，半徑 R=26.92 m，坡度為1∶2的圓弧段。如按常規(guī)的計(jì)算方式，在施工放樣、計(jì)量過(guò)程中，需逐個(gè)計(jì)算斷面面積;另外，當(dāng)圓弧段作為計(jì)算間距時(shí)，重心的取舍也難確定，整個(gè)計(jì)算過(guò)程相對(duì)復(fù)雜。因此，選擇繪制尾水渠三維模型圖能夠很好的解決以上問(wèn)題。繪圖步驟為:主視圖中多段線畫出擋墻起始端和末端的閉合斷面a和b;俯視圖中，輸螺旋(Helix)命令，按照提示分別將“半徑”、“圈數(shù)”設(shè) 置 為26.92和0.0883，通過(guò)計(jì)算，在其特性欄中指定“高度”即得到一段螺旋線c;調(diào)整UCS視圖窗口，利用移動(dòng)命令，將a、b、c三者相對(duì)位置擺放正確;輸入放樣(loft)命令，依次選擇a和b兩個(gè)橫截面，然后輸入G(導(dǎo)向)，拾取螺旋線段c作為放樣路徑，按回車鍵即可(圖1)。

圖1 尾水渠擋墻三維模型繪制過(guò)程示意圖

利用Auto CAD三維繪圖功能制作尾水渠擋墻操作簡(jiǎn)單，易學(xué)易懂。我們還可以通過(guò)“剖切”(slice)命令查看任意樁號(hào)上的斷面形式，也可通過(guò)“質(zhì)量特性”(massprop)命令查詢所畫實(shí)體的質(zhì)心、慣性矩、體積等特性，此方法不但簡(jiǎn)化了計(jì)算過(guò)程，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性也得到了保證，而且在三維實(shí)體模型中，可藉助其完整的造型結(jié)構(gòu)，精確的尺寸和幾何約束，提取詳細(xì)的參數(shù)，針對(duì)不同的工作環(huán)境和技術(shù)要求進(jìn)行應(yīng)力、強(qiáng)度等一系列的有限元分析和計(jì)算。

2.2 主廠房尾水管三維模型

在寧朗水電站工程建設(shè)中，有很多體型較大的結(jié)構(gòu)部件和(金屬)預(yù)埋件，而且有些埋件由于其自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，需要分層分塊組合安裝，有些需要立模扎筋后澆筑成型。例如主廠房尾水管、蝸殼以及壓力鋼管支、岔管等。以上部件的結(jié)構(gòu)形式多為不規(guī)則體，漸變突變，大小不一。在計(jì)算混凝土?xí)r，其體積的大小依據(jù)不同的計(jì)算斷面、間距或計(jì)算方式會(huì)有相當(dāng)?shù)臄?shù)值差異，這無(wú)疑也將成為施工、監(jiān)理和業(yè)主各方矛盾的焦點(diǎn)。為平衡關(guān)系，使各方都易于接受和認(rèn)同而決定采用三維模型計(jì)算。

寧朗水電站主廠房尾水管三維模型的制作步驟:主視圖中，按設(shè)計(jì)圖紙?zhí)峁┑膮?shù)，將18個(gè)斷面分別畫出;左視圖中，結(jié)合θ角度的不同，將每個(gè)斷面調(diào)整至相對(duì)位置;使用放樣(Loft)命令，依次選擇18個(gè)斷面后按回車鍵(此操作過(guò)程中，放樣設(shè)置一般為默認(rèn)即可);鍵入質(zhì)量特性(massprop)命令，可提取尾水管體積，在計(jì)算外包混凝土?xí)r將其減去即得所求方量。同理，利用查詢面積(area)命令，可提取實(shí)體表面積，施工過(guò)程中對(duì)周轉(zhuǎn)性材料的預(yù)算、投入也提供了有效保障(圖2)。

圖2 主廠房尾水管三維模型繪制過(guò)程示意圖

2.3 進(jìn)度計(jì)劃三維模型

圖3 施工進(jìn)度計(jì)劃中三維模型圖的應(yīng)用

目前，進(jìn)度計(jì)劃最常用的方法是橫道圖法和網(wǎng)絡(luò)圖法，它們?cè)诒磉_(dá)各工序間相互關(guān)系、關(guān)鍵工序的確定以及先后次序和工藝流程方面具有簡(jiǎn)明、形象、易懂的優(yōu)點(diǎn)，但在反映具體工程形象面貌時(shí)，總是顯得不盡如人意。按以往慣例，我們首先需要弄明白進(jìn)度計(jì)劃的工期安排、主要工作內(nèi)容等，然后，通過(guò)自己的理解來(lái)想象計(jì)劃完成后的工程實(shí)體是個(gè)什么模樣。倘若在比較復(fù)雜的工程建設(shè)當(dāng)中，僅憑一己之力想要記住所有分部、分項(xiàng)工程的完成情況和計(jì)劃安排，著實(shí)有些吃力。

采用繪制三維模型圖并輔以簡(jiǎn)要文字說(shuō)明可以解決以上問(wèn)題(圖3)。相比之下，三維模型圖在反映工程進(jìn)度和形象面貌時(shí)更加生動(dòng)形象，在表達(dá)思想、傳遞信息時(shí)內(nèi)容更加直觀且一目了然，既使是非本專業(yè)人員，也只需稍微加以了解，便可掌握工程建設(shè)的基本情況。

2.4 發(fā)電廠房結(jié)構(gòu)混凝土3D模型

水電工程建設(shè)中，發(fā)電廠房結(jié)構(gòu)形式多變，預(yù)留空洞、機(jī)電安裝埋件較多，結(jié)構(gòu)也最為復(fù)雜多變。通過(guò)創(chuàng)建3D實(shí)體及表面模型(圖4)，我們能夠直接提取準(zhǔn)確的計(jì)量數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，提高工作效率，還能創(chuàng)建多個(gè)窗口，切換不同視角或采用動(dòng)態(tài)觀察器，核實(shí)各結(jié)構(gòu)部件(零件)間的相互關(guān)系是否正確，保證施工過(guò)程中各埋件、預(yù)留洞口結(jié)構(gòu)尺寸的準(zhǔn)確性。

圖4 發(fā)電廠房結(jié)構(gòu)混凝土三維模型圖

我們也可采用渲染(render)命令，給實(shí)體模型穿上一件光鮮的“外衣”，讓其更加豐富多彩。渲染圖極具真實(shí)感，能清晰地反映模型的結(jié)構(gòu)形狀。渲染模型的一般過(guò)程是添加光源、設(shè)定光源特性、指定模型附著材質(zhì)和渲染背景、最后設(shè)置渲染器并渲染模型。模型經(jīng)過(guò)渲染處理后，其表面能顯示出明暗色彩和光照效果，形成非常逼真的圖像。此外，還可把渲染圖以多種文件格式輸出保存，后期利用其它應(yīng)用軟件(如3DMAX或PHOTOSHOP等)做出更加完美的效果圖。

3 結(jié)語(yǔ)

從以上實(shí)例我們不難發(fā)現(xiàn)，將CAD三維技術(shù)與工程建設(shè)有機(jī)結(jié)合，具有其獨(dú)特的作用和意義。具體歸納為以下幾點(diǎn):更加直觀、形象的表達(dá)思想、傳遞信息，更好的進(jìn)行施工分析并指導(dǎo)施工生產(chǎn);能提供精確的計(jì)量數(shù)據(jù)和詳細(xì)參數(shù)，從而大大簡(jiǎn)化了計(jì)算過(guò)程;方便檢查各結(jié)構(gòu)部件(零件)之間的相互關(guān)系，減少了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工和生產(chǎn)過(guò)程中的錯(cuò)誤;降低了技術(shù)難度，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，從而提高了工作效率。

總的來(lái)說(shuō)，CAD三維應(yīng)用軟件多種多樣，也各有千秋，不管我們選擇其中的哪一款，CAD三維技術(shù)的深化應(yīng)用和普及都將是企業(yè)現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展要求。