基于Inventor的大型鋼架橋三維建模方法

劉尚蔚，袁冬卯，仝 亮，魏 群

（1．華北水利水電學(xué)院，河南鄭州 450045;2．黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，河南 鄭州 450003）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大型鋼架橋被廣泛應(yīng)用到公路行業(yè)中，橋梁的復(fù)雜性和難度越來越高，對設(shè)計、管理等方面的協(xié)作水平的要求也越來越高．傳統(tǒng)的設(shè)計模型和制造模型互相脫離的情況對橋梁的建設(shè)，特別是大型鋼架橋的建設(shè)和管理帶來諸多問題，比如設(shè)計的修改就會要求設(shè)計模型與制造模型的多處修改．

目前大多數(shù)CAD軟件具有參數(shù)化建模的功能，但是應(yīng)用參數(shù)化網(wǎng)軸技術(shù)進(jìn)行建模的研究較少，一般只能夠創(chuàng)建網(wǎng)軸定位模型，但不能夠驅(qū)動模型，并且缺少橋梁桿件的數(shù)據(jù)庫，從而降低了鋼架橋建模和修改的效率．

對于規(guī)模大、投資多、施工難度大的大型橋梁工程，在工程設(shè)計和管理過程中，利用網(wǎng)軸驅(qū)動橋梁的模型，對于確保橋梁的設(shè)計和制造至關(guān)重要．網(wǎng)軸線的全信息模型與傳統(tǒng)的2D繪制圖紙相比，其最大的優(yōu)勢是建立了真實的三維信息模型，覆蓋了建筑生命周期內(nèi)的所有信息，通過三維模型可直接提取各項信息，同時便于檢查、交互修改，能夠自動實現(xiàn)模型對象關(guān)聯(lián)管理，模型數(shù)據(jù)最大程度共享，可極大提高橋梁的三維可視化仿真及管理水平．在此，筆者應(yīng)用三維設(shè)計軟件Inventor提供的API接口開發(fā)大型鋼架橋的參數(shù)化平臺，研究鋼架橋的三維實體建模設(shè)計．

1 鋼架橋參數(shù)化建模

三維模型對于設(shè)計者來說是從最直觀的方面對工程進(jìn)行把握，直接關(guān)系到工程設(shè)計的進(jìn)度和優(yōu)良程度．一般來說，參數(shù)化建模是將圖形的基本信息記錄到程序當(dāng)中，在編程前首先分析圖形結(jié)構(gòu)的拓?fù)潢P(guān)系，提煉出圖形的幾何關(guān)系參數(shù)［1］，然后根據(jù)網(wǎng)軸建立參數(shù)化模型．對于橋梁模型的設(shè)計，筆者將這種參數(shù)化方法應(yīng)用到Inventor中，將設(shè)計過程中所有關(guān)系式融入到開發(fā)模塊中，再利用模塊執(zhí)行命令，達(dá)到參數(shù)化建模的效果．鋼架橋參數(shù)化建模過程如圖1所示．

圖1 橋梁參數(shù)化建模設(shè)計流程

1．1 參數(shù)化網(wǎng)軸的建立方法

參數(shù)化網(wǎng)軸的程序設(shè)計包括計算和繪圖兩部分．編寫程序過程中，主要設(shè)計計算模塊和繪圖模塊．計算模塊是根據(jù)空間網(wǎng)軸的約束關(guān)系對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，將圖形分解為直線和點，然后根據(jù)網(wǎng)軸的結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的點線參數(shù)建立函數(shù)關(guān)系，從而計算出節(jié)點的空間坐標(biāo)．繪圖模塊是根據(jù)所得出的空間坐標(biāo)，利用基本圖元點和線構(gòu)造出基本圖形，最終繪制出立體網(wǎng)軸．

在創(chuàng)建參數(shù)化網(wǎng)軸過程中，將圖形分解為點和線兩種基本圖元．根據(jù)基本圖元的參數(shù)關(guān)系來編寫程序，將圖元的控制參數(shù)直接輸入，生成不同尺寸的網(wǎng)軸結(jié)構(gòu)．例如：要繪制一個立體網(wǎng)軸，如圖2所示，只需確定網(wǎng)軸的基點坐標(biāo)O（a0，b0，z0），輸入X，Y，Z方向的網(wǎng)軸數(shù)目i，j，k，軸線之間的尺寸ai和bj，軸線的高度zk，此時網(wǎng)軸的圖形尺寸已經(jīng)確定下來，根據(jù)尺寸關(guān)系繪制網(wǎng)軸．

圖2 參數(shù)化網(wǎng)軸

網(wǎng)軸的參數(shù)化主要體現(xiàn)在軸線參數(shù)化和空間點的參數(shù)化兩方面．

首先，在網(wǎng)軸方面，3個方向軸線位置的確定關(guān)系函數(shù)如下：

式中：參數(shù)ai，bj，zk分別表示3個方向相鄰網(wǎng)軸之間的尺寸;參數(shù)Ai，Bj，Zk分別表示3個方向的第i，j，k條網(wǎng)軸線的位置．

其次，空間網(wǎng)軸中的任意點坐標(biāo)都可以用N（Ai±xi＆Bj±yj＆Zk±hk）來表示，其中＆為分隔符，參數(shù)xi，yj，hk分別為A，B，Z方向的偏移量．用字符串表達(dá)相對于3軸線的位置，便于程序讀寫和查找坐標(biāo)點的位置．

將確定好的軸線數(shù)目，結(jié)構(gòu)尺寸和節(jié)點的坐標(biāo)信息存儲在程序中，運行程序時，自動生成網(wǎng)軸結(jié)構(gòu)，修改控制參數(shù)ai，bj，zk，相應(yīng)的軸線參數(shù)Ai，Bj，Zk根據(jù)函數(shù)關(guān)系相應(yīng)地變化，網(wǎng)軸的變化帶動空間點N的位置改變，從而達(dá)到網(wǎng)軸參數(shù)化的效果．

1．2 參數(shù)化截面的設(shè)計

對鋼架橋的CAD圖紙進(jìn)行分類整理，根據(jù)截面的拓?fù)潢P(guān)系［2］統(tǒng)計出如圖3所示的桿件截面形式及相應(yīng)的尺寸參數(shù)，設(shè)計出截面庫，在庫中實現(xiàn)設(shè)計參數(shù)以及數(shù)據(jù)信息的映射［3］，將設(shè)計中基本的桿件截面類型分別定義．

圖3 桿件截面形式

在桿件截面設(shè)計過程中，分別定義不同截面的角點序號，角點序號連接的線段生成需要的截面圖形．截面圖形都是由線段所圍成，線段是有起點和終點的方向向量，一條線段的終點必為下一條線段的起點，依次使其圍成單向的閉合回路．將數(shù)據(jù)綁定在角點上，生成參數(shù)化截面．

桿件截面在圖形平臺內(nèi)反映的是各角點的空間坐標(biāo)，通過截面的尺寸關(guān)系和截面角點的空間坐標(biāo)關(guān)系來實現(xiàn)截面的參數(shù)化設(shè)計，設(shè)計人員根據(jù)截面的屬性，通過定制的模塊輸入相應(yīng)的設(shè)計參數(shù)完成截面設(shè)計．

1．3 定制截面圖形數(shù)據(jù)庫

三維設(shè)計軟件Inventor的工作環(huán)境支持多種平臺，利用 VB．NET 語言對其進(jìn)行二次開發(fā)［4］，將設(shè)計好的截面形式匯編成桿件數(shù)據(jù)庫．操作步驟如下：首先，開發(fā)一個窗體模塊［5］，將桿件的基本尺寸信息、截面形式、名稱等顯示在模塊中，與桿件的截面形式和軟件的三維操作命令相關(guān)聯(lián);然后，利用窗體上的命令輸入相關(guān)尺寸，生成所需要的橋梁桿件，節(jié)省建模時間．

1．4 三維實體建模過程

三維實體模型的設(shè)計原則是，能夠利用網(wǎng)軸中任意起點坐標(biāo)Q（Ai±xi＆Bj±yj＆Zk±hk）和終點坐標(biāo)Z（Ai－x±x＆Bj－x±y＆Zk－x±h）并利用圖形數(shù)據(jù)庫中的截面繪制三維模型，模型的參數(shù)包括截面的基本尺寸H，B，t和桿件的長度L以及桿件的旋轉(zhuǎn)角度 θ，如圖4所示．其中，由此函數(shù)關(guān)系可知桿件模型的起始位置和桿件長度均與網(wǎng)軸相關(guān)聯(lián)，網(wǎng)軸的任何變動將直接改變相關(guān)桿件的位置變化，從而達(dá)到網(wǎng)軸驅(qū)動模型的的效果．

圖4 模型截面參數(shù)及國際通用標(biāo)定點位置

三維模型是特征的集合，設(shè)計模型的過程就是設(shè)計特征操作的過程，常用的基本特征有拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃掠、放樣．拉伸通過草圖截面添加深度的方式創(chuàng)建，底截面和頂截面完全相同，截面拉伸過程如圖5所示．通過定義好的起始截面、結(jié)束截面和拉伸路徑P實現(xiàn)構(gòu)件的建立，選擇截面起始點和終止點即確定拉伸路徑的兩端點，如圖5（a）所示;各段起始截面有序相關(guān)點與結(jié)束端截面的對應(yīng)點用直線段連接，形成該構(gòu)件的骨骼網(wǎng)架，如圖5（b）所示;利用構(gòu)件的骨骼網(wǎng)架生成實體模型，如圖5（c）所示．

設(shè)計鋼架橋的桿件模型時用的就是拉伸命令，都以截面的起始點和路徑為出發(fā)點．首先創(chuàng)建一個三維草圖空間，繪制一條三維空間線段，兩個端點為工作點;然后通過工作點且垂直于線段建參數(shù)化截面，截面的中心點通過三維線段，如圖4中心點5為模型拉伸路徑經(jīng)過截面的工作點，根據(jù)實際情況，不同的桿件截面工作點的位置不同，轉(zhuǎn)角均以工作點為中心而轉(zhuǎn)動;最后通過特征命令實現(xiàn)參數(shù)化模型的創(chuàng)建．

圖5 截面拉伸過程

2 工程實例

某大型鋼架橋位于杭瑞高速公路畢節(jié)至都格（黔滇界）段，其橋梁的主體為桁架結(jié)構(gòu)，分為主跨和邊跨，它們都由主桁架、標(biāo)準(zhǔn)段主橫桁架、下平聯(lián)、橋面板等構(gòu)成．橋梁結(jié)構(gòu)在空間上是一個立體網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，適合用參數(shù)化網(wǎng)軸技術(shù)進(jìn)行建模設(shè)計．

取橋梁的某段進(jìn)行說明，此段橋梁所需的網(wǎng)架分為上、下兩層，上層用于定位上弦桿，支撐橋面板，下層定位下弦桿，每段橋梁的各桿件以軸線作為裝配基準(zhǔn)，建立的參數(shù)化網(wǎng)軸如圖6所示．

圖6 參數(shù)化網(wǎng)軸

網(wǎng)軸創(chuàng)建后，便可以建立橋梁的三維參數(shù)化模型．從截面圖形庫中選取相應(yīng)的截面，輸入截面參數(shù)，在網(wǎng)軸中輸入桿件的起始位置以及旋轉(zhuǎn)角度，根據(jù)路徑可迅速生成桿件．依照此方法，生成一段完整的橋梁，如圖7所示．若要對橋梁設(shè)計進(jìn)行修改，只需調(diào)整網(wǎng)軸和桿件截面的參數(shù)即可生成新的模型．

圖7 橋梁模型

3 結(jié)語

1）創(chuàng)建參數(shù)化網(wǎng)軸是建立橋梁參數(shù)化模型的基礎(chǔ)，是整體驅(qū)動模型的關(guān)鍵．通過對大型鋼架橋的研究，進(jìn)一步驗證了網(wǎng)軸驅(qū)動模型的可行性和智能性．與傳統(tǒng)參數(shù)化建模相比有如下優(yōu)點：①可以方便描述、保存和管理橋梁設(shè)計過程所涉及的數(shù)據(jù)信息;②具有很強(qiáng)的建模能力，如局部自動化、局部修改、局部參數(shù)設(shè)計等;③提供了一種動態(tài)圖形交互的實現(xiàn)過程，通過整體的參數(shù)化可以模擬橋梁詳細(xì)設(shè)計的反復(fù)修正和不斷逼近的動態(tài)過程特征．

2）參數(shù)化網(wǎng)軸技術(shù)是解決橋梁模型設(shè)計的一種新范型，其基于Inventor二次開發(fā)的參數(shù)化網(wǎng)軸技術(shù)和建立的截面圖形數(shù)據(jù)庫，簡化了工程設(shè)計工作，提高了設(shè)計效率和質(zhì)量，縮短了設(shè)計周期，模型的參數(shù)控制和修改也比較簡單．

3）參數(shù)化數(shù)據(jù)模型在計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)中占有非常重要的地位，很多工程問題把建立工程數(shù)據(jù)模型作為其核心技術(shù)之一．鋼架橋模型的工程數(shù)據(jù)涉及豐富的幾何拓?fù)湫畔?，參?shù)化數(shù)據(jù)模型簡化了面向?qū)ο蟮墓こ虜?shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的開發(fā)．

［1］杜晶．淺談基于AutoCAD的大跨度空間結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模［J］．鐵道勘測與設(shè)計，2008，36（1）：62－65 ．

［2］尹偉波，魏群，姬廣坤．基于 BRep的自動裝配技術(shù)在Inventor上的實現(xiàn)［J］．華北水利水電學(xué)院學(xué)報，2010，31（6）：23－26．

［3］魏群，張國新．巖土工程圖形計算力學(xué)的概念方法及應(yīng)用［J］．巖土工程學(xué)報，2008，27（10）：2043 －2050．

［4］魏群，姬廣坤，尹偉波．基于深層分析方法的Inventor二次開發(fā)［J］．華北水利水電學(xué)院學(xué)報，2010，31（5）：1－5．

［5］魏群，張國新，尉軍耀，等．拱壩三維可視化設(shè)計軟件的開發(fā)與應(yīng)用［J］．天津大學(xué)學(xué)報，2008，41（9）：1087－1090．