水閘鋪蓋及翼墻計算機輔助三維設計系統(tǒng)實現(xiàn)方法

牛立軍 王 鵬 黃俊超 朱東方

(華北水利水電大學水利學院，河南鄭州 450011)

水閘是一種利用閘門擋水和泄水的低水頭水工建筑物，在水利工程建設中應用廣泛，多建于河道、渠系及水庫、湖泊岸邊，具有通過攔洪、擋潮、抬高水位滿足上游引水和通航需要以及泄洪排澇、沖沙及調(diào)節(jié)流量的作用。水閘的上游鋪蓋在保證閘室穩(wěn)定中起到十分重要的作用，而兩岸連接建筑的翼墻和岸墻在水閘工程中占有很大的比重，最多可達到工程總造價的40%，因此水閘鋪蓋和翼墻的設計至關重要［1］。

在工程設計中，一般包括兩種內(nèi)容:一是創(chuàng)造性的設計，如方案構(gòu)思、原理擬定等，需具備較強的創(chuàng)造性思維能力;二是非創(chuàng)造性的工作，如計算分析、信息檢索等，工作機械重復，可借助計算機的功能來完成［2］。計算機的三維設計功能在處理這些內(nèi)容時較傳統(tǒng)的設計手段具有更高的精準度和更好的操作性。然而目前水利工程的三維設計并不多見，軟件設計市場尚未成型，絕大多數(shù)設計人員仍在采用傳統(tǒng)的設計方法，利用AutoCAD軟件代替手工圖板繪圖，停留在二維設計階段。本文針對水閘鋪蓋、翼墻的工程設計，利用VBA語言來實現(xiàn)CAD的二次開發(fā)，提出三維實體設計系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，為今后的設計開發(fā)工作提供了依據(jù)。

1 系統(tǒng)的優(yōu)勢

1．1 設計產(chǎn)品形象直觀

在傳統(tǒng)的水利工程設計中，普遍采用的二維設計在經(jīng)歷三維實體到二維圖紙的轉(zhuǎn)換過程中存在一定誤差，難以將三視圖精確完整、清晰直觀地表現(xiàn);在水利工程施工中，需人為地將設計圖紙完成抽象到實體、二維到三維的轉(zhuǎn)換，然后進行施工，程序繁瑣、技術(shù)復雜，不利于高效施工。

本文提出在AutoCAD軟件的設計平臺上，運用內(nèi)嵌的VBA編程語言，結(jié)合傳統(tǒng)設計原理的方法，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的設計理念，通過直接設計三維實體，明確空間概念、簡化轉(zhuǎn)化程序，同時將實體模型與平面圖進行校核，提高了在設計和施工階段的準確度。

1．2 準確計算工程量

在工程量清單計價模式的應用過程中，進行三維實體設計，能夠更加精確的進行工程量計算，為概預算及施工期業(yè)主的材料供應計劃提供科學的依據(jù)，減少誤差導致的施工階段的工程量變更，與管理信息系統(tǒng)結(jié)合，節(jié)約了資源，提高了水利工程管理水平。

1．3 便于優(yōu)化設計方案

由計算機輔助設計系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法，以符合實際受力情況分布為原則，針對三維實體進行結(jié)構(gòu)計算和穩(wěn)定分析，根據(jù)計算及分析結(jié)果，由用戶決策設計方案的可行性，調(diào)整設計參數(shù)，直至得到合理的結(jié)構(gòu)型式，從而達到優(yōu)化設計方案的目的。

1．4 實現(xiàn)三維設計二維出圖

三維設計可以實現(xiàn)任意視角地觀察工程的局部及整體，通過與三維設計平臺無縫連接的可視化仿真系統(tǒng)，提供動態(tài)的結(jié)構(gòu)裝配過程，使建筑物三維形象的面貌特性更加直觀。由于信息化設備的局限，還不可能普遍實現(xiàn)3D打印技術(shù)，仍然需要進行二維出圖，供施工人員施工使用，而三維的設計模型則作為施工的輔助和最終校核。

2 系統(tǒng)目標

系統(tǒng)目標主要定義了MIS(Management Information System)的服務要求，具體地描述了用戶目標，即設計人員進行設計工作所要實現(xiàn)的目標［3］。確定系統(tǒng)目標的作用在于一方面可以通過更多更好的硬件、軟件來增強系統(tǒng)的處理能力，實現(xiàn)系統(tǒng)目標，另一方面根據(jù)系統(tǒng)目標分析，可以對組織進行改造，建立更好的組織模式，為組織決策提供良好的信息支持，即改變傳統(tǒng)的設計模式。

通過分析設計目標，結(jié)合簡化的戰(zhàn)略目標集轉(zhuǎn)移法(Strategy Set Transformation，SST)，直接將傳統(tǒng)的設計目標轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)目標，即實現(xiàn)三維繪圖、計算強度和穩(wěn)定、生成工程量清單和打印二維施工圖四大功能，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)目標分解圖

3 系統(tǒng)開發(fā)實現(xiàn)方法

系統(tǒng)一方面將給出一般的水閘鋪蓋和翼墻的形式，便于設計人員自行選擇設計結(jié)構(gòu)類型;另一方面，采用更符合和貼近現(xiàn)代CAD中概念設計和并行設計思想的參數(shù)化設計方法，設計人員通過參數(shù)輸入，精確成圖。

3．1 結(jié)構(gòu)型式參數(shù)化分析

通過對建筑物結(jié)構(gòu)型式進行標準化歸類，由系統(tǒng)開發(fā)人員搜索相關資料，借助AutoCAD工具手工繪制結(jié)構(gòu)型式作為設計對象。水閘上游鋪蓋主要有三種型式:黏土鋪蓋、瀝青混凝土鋪蓋和鋼筋混凝土鋪蓋。翼墻常見的型式為重力式、扶壁式、懸臂式和空箱式［4］。鋪蓋與翼墻三維設計系統(tǒng)實現(xiàn)方法是相同的，以下內(nèi)容以翼墻三維設計為例介紹系統(tǒng)實現(xiàn)的方法。

翼墻的布置類型主要包括四種類型:直線式(含折線式)、曲線式、扭曲面式和斜降式。按照參數(shù)化設計的方法，將翼墻型式進行參數(shù)化分解，通過約束參數(shù)(屬性)來確定翼墻的三維型式。

3．2 系統(tǒng)模塊分析

本系統(tǒng)依據(jù)系統(tǒng)目標確定系統(tǒng)設計模塊，將所要實現(xiàn)的系統(tǒng)目標轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)模塊［5］，包括鋪蓋和翼墻的三維繪圖、配筋計算及鋼筋籠繪制、翼墻強度及穩(wěn)定計算、工程量計算、二維出圖?？紤]到翼墻的四種型式在荷載計算、穩(wěn)定分析和結(jié)構(gòu)計算上類同，設計思路上相似，僅以懸臂式翼墻為例進行模塊分析，見圖2。

圖2 翼墻計算機三維設計模塊分析

3．3 系統(tǒng)實現(xiàn)方法

系統(tǒng)依托AutoCAD的設計平臺，運用VBA語言進行程序界面設計和編程分析計算。下面以三維實體圖形繪制及標注的實現(xiàn)、鋼筋籠繪制的實現(xiàn)和三維實體到二維圖紙的轉(zhuǎn)換方法三個關鍵部分進行簡要分析。

3．3．1 三維圖形繪制、標注的實現(xiàn)

輸入圖形約束參數(shù)，以確定翼墻的斷面型式和平面布置類型，按照點—線—面—體的實現(xiàn)思路，實現(xiàn)翼墻的三維設計。具體實現(xiàn)方法為:1)新建UCS坐標系。AutoCAD原有坐標系默認底面為xoy面，生成的三維實體為倒立圖，調(diào)整xoy面，使繪制出的實體圖符合視圖習慣［6］;2)建立Points數(shù)組集合，即根據(jù)輸入的參數(shù)確定圖形的控制點，以便連點生成平面圖;3)使用AddLight-WeightPolyline方法將控制點連接成線，生成平面圖;4)運用AddRegion方法生成面域;5)對于不同的實體類型，生成三維實體方式各不相同。對所生成面域進行拉伸操作，需要使用AddExtrudedSolidAlongPath方法，并需使用AddLine方法建立拉伸路徑。掃掠命令需要根據(jù)給定的參數(shù)使用AddExtrudedSolid方法，旋轉(zhuǎn)命令則需要根據(jù)給定的面域和繞軸使用AddRevolveSolid方法實現(xiàn);6)刪除掉所有的非實體對象，即:entry．ObjectID◇ Solid．ObjectID;7)最后進行三維標注，不同的標注樣式，分別有對應的實現(xiàn)方法，創(chuàng)建對齊標注，使用AddDimAligned方法;使用AddDimRotated方法，創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)標注;使用 AddDimRadial或 AddDimDiametric方法，創(chuàng)建徑向標注;要創(chuàng)建角度標注，則使用AddDimAngular方法。

3．3．2 鋼筋籠繪制的實現(xiàn)

由體型的外形輪廓線決定的鋼筋，通過選擇決定鋼筋形狀的特征輪廓線，系統(tǒng)根據(jù)所選擇的輪廓線，自動布置鋼筋，生成實體鋼筋籠。對于與體型的外形輪廓無關的鋼筋，由用戶通過參數(shù)輸入設計鋼筋的形狀，然后根據(jù)需要放置在不同的位置［7］。設計中所布置的鋼筋都應該按照用戶給出的鋼筋編號自動記錄于鋼筋表中。

鋼筋標注與編制鋼筋表是面臨的另一個問題。根據(jù)配筋計算結(jié)果，由用戶選用相應的鋼筋型號生成鋼筋籠，當標注時，由系統(tǒng)自動搜索鋼筋的編號、型號、直徑、根數(shù)、間距等相關信息，并自動標注在指定的位置。鋼筋統(tǒng)計表由系統(tǒng)自動生成，系統(tǒng)會將編號、型式、型號、根數(shù)、單根長、重量等數(shù)據(jù)依次填入鋼筋表中，對每種鋼筋進行詳細說明。

3．3．3 三維實體轉(zhuǎn)換二維圖紙的實現(xiàn)

系統(tǒng)通過二次開發(fā)編程實現(xiàn)三維轉(zhuǎn)換為二維的設計意圖，簡單方便。只需將原有實體復制為四個三維實體，將三個面旋轉(zhuǎn)成正視、俯視和側(cè)視圖，然后使用Flatshot(平面攝影)方法在繪圖的模型界面里進行拍照操作，即生成平面圖塊，然后使用“分解”命令，即可分解三視圖塊，可進行自由編輯。這些操作都可以找到相應的VBA編程語言方法，通過二次開發(fā)即可實現(xiàn)三維實體到二維圖形的一鍵轉(zhuǎn)換。

4 結(jié)語

以水閘這一普遍的水工建筑物為例探索水利工程設計三維設計二維出圖的道路，有大量的工程已建和在建實例，便于研究、開發(fā)出普適性更強的設計軟件，現(xiàn)有的三維開發(fā)軟件很少見，且推廣應用不足。系統(tǒng)主要以水閘上游鋪蓋和翼墻為研究對象，進行計算機輔助三維設計系統(tǒng)開發(fā)。將水利工程設計與AutoCAD軟件開發(fā)環(huán)境結(jié)合，更符合水利工程設計實際，便于工程技術(shù)人員學習使用。完善的三維計算機輔助設計系統(tǒng)，一方面極大方便了設計人員的操作使用，另一方面便于進行方案的對比，提高工作效率，減少設計人員工作量和人員投入。此外，還將促進水利行業(yè)設計方面的現(xiàn)代化改革，帶來顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

［1］林繼鏞．水工建筑物［M］．第5版．北京:中國水利水電出版社，2010．

［2］王若慧．AutoCAD VBA參數(shù)化繪圖程序開發(fā)與實戰(zhàn)代碼［M］．北京:中國水利水電出版社，2013．

［3］陸 彥．工程管理信息系統(tǒng)［M］．北京:中國建筑工業(yè)版社，2010．

［4］SL 265-2001，水閘設計規(guī)范［S］．

［5］黃漢生，徐云修，朱春芳．水閘翼墻設計CAD研究［J］．中國農(nóng)村水利水電，1999(11):26-28．

［6］Marion Cottingham．AutoCAD VBA從入門到精通［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2001．

［7］彭正洪．水閘鋼筋CAD系統(tǒng)的分析與設計［J］．工程圖學學報，2000(4):8-13．