土建計算模型轉(zhuǎn)PDMS三維模型應(yīng)用技術(shù)探討

肖 南 張晨征 郭 泳

(國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院，北京 100095)

土建計算模型轉(zhuǎn)PDMS三維模型應(yīng)用技術(shù)探討

肖 南 張晨征 郭 泳

(國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院，北京 100095)

針對電廠設(shè)計土建專業(yè)參與三維協(xié)同過程中遇到的建模困難問題，提出了土建計算模型轉(zhuǎn)三維模型的技術(shù)方案和流程，基于PDMS三維設(shè)計平臺，采用模型轉(zhuǎn)換軟件接口進(jìn)行了實際工程應(yīng)用，大幅提高了建模效率，保證了工程質(zhì)量，取得了良好的效果。

PDMS，電廠設(shè)計，土建計算模型，三維模型，轉(zhuǎn)換接口

0 引言

在火電和核電設(shè)計領(lǐng)域中，計算機輔助設(shè)計已從傳統(tǒng)的二維設(shè)計手段發(fā)展到人機交互式的、高度集成化的、智能化的三維協(xié)同設(shè)計階段[1,2]。

三維協(xié)同設(shè)計要求多個專業(yè)在統(tǒng)一的平臺上共同工作，其中土建專業(yè)的參與和應(yīng)用非常重要。三維協(xié)同設(shè)計以布置設(shè)計為主，機務(wù)、電氣、熱控、暖通等專業(yè)都要在土建結(jié)構(gòu)梁、柱、墻、板三維模型的基礎(chǔ)上開展工作，土建專業(yè)三維模型給工藝專業(yè)提供設(shè)計參照[3]。

許多科研和設(shè)計人員對土建三維協(xié)同設(shè)計的應(yīng)用做了思考和研究。鄧志堅等[4]研究了PDMS建庫原理，結(jié)合中國土建規(guī)范，建立了較完備的PDMS土建元件庫和等級庫，使土建三維建模具備了基礎(chǔ)條件；祝黎[5]將PKPM-PDMS三維接口技術(shù)應(yīng)用在電廠渣水加藥間、1號轉(zhuǎn)運站、碎煤機的工程卷冊中，對模型轉(zhuǎn)換技術(shù)做了嘗試；王守利[6]研究了土建三維模型層次的命名規(guī)則，嘗試了層次命名的自動化實現(xiàn)；袁泉等[7,8]在研究三維模型和結(jié)構(gòu)計算模型傳遞接口的基礎(chǔ)上，提出了新的土建結(jié)構(gòu)設(shè)計流程；蘇陽等[9]從三維建模、三維提資、三維收資、模型校核、碰撞檢查、模型校審、出圖等方面探討了土建數(shù)據(jù)在三維協(xié)同設(shè)計平臺中的流轉(zhuǎn)。謝華[3]在比較傳統(tǒng)設(shè)計和三維協(xié)同設(shè)計差別的基礎(chǔ)上，指出了三維模型數(shù)據(jù)的自由流動性，土建專業(yè)可以在工藝荷載、樓面荷載、預(yù)埋件等方面受益。

但是，目前土建結(jié)構(gòu)專業(yè)在參與三維協(xié)同設(shè)計的過程中，仍存在著諸多困難：

1)事后抄模。即將成品CAD圖紙中的模型重新在三維平臺中建立一遍，配合工藝專業(yè)做檢碰，而不是在三維平臺中完成設(shè)計，根據(jù)三維模型抽出成品圖紙。

2)重復(fù)建模。在結(jié)構(gòu)計算軟件中，需要建立三維計算模型，進(jìn)行力學(xué)分析，完成強度剛度穩(wěn)定性檢驗校核。在三維建模過程中，結(jié)構(gòu)計算模型的價值無法利用，導(dǎo)致建模工作重復(fù)。

3)建模效率低。目前主流三維平臺雖然都提供了土建結(jié)構(gòu)建模功能，但操作繁瑣，且設(shè)計習(xí)慣與國內(nèi)軟件相差較大，導(dǎo)致設(shè)計人員掌握難度大，建模效率低。

為解決以上問題，本文提出了土建結(jié)構(gòu)計算模型轉(zhuǎn)換為三維模型的技術(shù)方案，并基于PDMS三維設(shè)計平臺，采用盈建科轉(zhuǎn)換接口進(jìn)行了實際工程應(yīng)用，取得了良好的效果。

1 土建計算模型轉(zhuǎn)三維模型技術(shù)方案

1.1 概述

土建計算模型轉(zhuǎn)三維模型分兩種應(yīng)用場景：1)計算模型初次導(dǎo)入三維設(shè)計平臺，形成對應(yīng)的三維模型，流程圖如圖1所示；2)計算模型和三維模型局部發(fā)生變化時，計算模型中變化的部分能更新到三維模型中，三維模型中的變化部分在更新后能被保留下來，流程圖如圖2所示。下面對這兩部分技術(shù)方案分別做介紹。

1.2 計算模型導(dǎo)入到三維模型

1.2.1 構(gòu)件截面庫的匹配

模型構(gòu)件截面庫的匹配是模型轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)和前提，必須將結(jié)構(gòu)計算軟件中的各種類型的截面與三維軟件中的截面對應(yīng)起來。

計算模型的截面庫[10]以PKPM為例，如圖3所示；三維模型的截面庫[4]以PDMS為例，如圖4所示。兩者之間的匹配關(guān)系見表1。

另外需注意，對于形狀相同的截面，兩個中性軸也必須匹配，否則會導(dǎo)致截面方向和位置錯誤。

1.2.2 構(gòu)件坐標(biāo)的正確轉(zhuǎn)換

結(jié)構(gòu)計算模型中，結(jié)構(gòu)構(gòu)件一般簡化為直線段，構(gòu)件的起點和終點坐標(biāo)按構(gòu)件的中性軸計算，構(gòu)件和構(gòu)件直接按端點相連，相交節(jié)點處的尺寸沒有考慮扣除。而在三維模型中，構(gòu)件均為實體模型，必須正確處理構(gòu)件之間的連接關(guān)系，扣除構(gòu)件節(jié)點的尺寸，這樣才不會引起構(gòu)件之間的碰撞，如圖5所示。

在電廠主廠房結(jié)構(gòu)中，還存在大量的構(gòu)件偏心和對齊。在結(jié)構(gòu)計算模型中，構(gòu)件的偏心一般采用軸線的坐標(biāo)加上構(gòu)件相對于軸線的偏心來考慮；而在三維模型中，構(gòu)件的偏心直接體現(xiàn)在構(gòu)件的起點和終點坐標(biāo)上，模型轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)注意區(qū)別和聯(lián)系。

表1 PKPM截面與PDMS對應(yīng)關(guān)系表

另外，在三維模型中，每根構(gòu)件都有PLine線和對齊屬性[11]。模型轉(zhuǎn)換時，根據(jù)實際情況靈活設(shè)置，可簡化坐標(biāo)換算，方便的實現(xiàn)梁頂與柱頂對齊，梁邊與柱邊對齊等效果，如圖6所示。

1.2.3 對計算模型整體的平移和旋轉(zhuǎn)

三維模型要體現(xiàn)出電廠的全貌，包含多個建(構(gòu))筑物且主廠房內(nèi)包含多個機組的廠房。在建立結(jié)構(gòu)計算模型時，每個建(構(gòu))筑物會分別建模計算，主廠房的每個機組也會分別建模計算。在將計算模型導(dǎo)入到三維平臺的過程中，需要將多個計算模型合并為一個三維模型，這時需要指定導(dǎo)入模型的插入點位置和對應(yīng)的坐標(biāo)，還需要指定導(dǎo)入模型的局部坐標(biāo)系對應(yīng)于全廠坐標(biāo)系的方位角，這樣才能正確的將計算模型轉(zhuǎn)換為三維模型，為工程應(yīng)用服務(wù)。

1.2.4 模型層次結(jié)構(gòu)的劃分

計算模型中，構(gòu)件常用的分類方式有以下幾種：1)按構(gòu)件類型分：梁、柱、墻、板；2)按層高分：地面、中間層、運轉(zhuǎn)層……頂層；3)按構(gòu)件材料分：混凝土、鋼、鋼骨混凝土；4)按截面形狀分：矩形、工字形、槽形、圓管形等。

在三維平臺中，為滿足管理大量模型的要求，結(jié)構(gòu)模型按Site，Zone，F(xiàn)rame，SubFrame，Section存放在不同的層次結(jié)構(gòu)中；同時，為了按卷冊繪制施工圖的要求，將主廠房結(jié)構(gòu)按區(qū)域做了劃分，如：A列柱、汽機房、除氧煤倉間，中間層、運轉(zhuǎn)層等。

由于計算模型和三維模型對構(gòu)件分類方式的不同，在模型轉(zhuǎn)換過程中會有一些障礙。轉(zhuǎn)換過程中，需將計算模型中的全部信息抽取出來，再根據(jù)三維模型的要求劃分區(qū)域，劃分層次，滿足工程應(yīng)用的要求。

1.3 計算模型局部更新到三維模型

通過上節(jié)所述的計算模型轉(zhuǎn)換三維模型的技術(shù)，替代了土建設(shè)計師手工抄模建立三維模型的過程，發(fā)揮了計算模型的價值，提高了三維建模效率。

但在實際應(yīng)用中還存在以下情況：

1)導(dǎo)入的三維模型中，只包含梁、柱、支撐、樓板等構(gòu)件，需要在初次導(dǎo)入的模型中，在三維模型中增加牛腿、挑耳、埋件、孔洞等細(xì)部構(gòu)件；

2)在結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，計算模型也不是一次完成的。在設(shè)計不斷深化的過程中，需要改變構(gòu)件的截面尺寸，移動構(gòu)件的位置，增加一些次要構(gòu)件；

3)將修改后的計算模型再次導(dǎo)入三維平臺后，在原三維模型中新增的細(xì)部構(gòu)件都不存在了。

為解決上述問題，需要實現(xiàn)計算模型到三維模型的局部更新功能。該功能要求計算模型和三維模型中的構(gòu)件信息建立對應(yīng)的索引關(guān)系，如圖7所示。模型更新時，先判斷構(gòu)件是否發(fā)生了變化，僅對于發(fā)生變化的構(gòu)件，用計算模型中的構(gòu)件替換三維模型中的構(gòu)件，其他三維模型則保持不變，如圖8所示。這樣既實現(xiàn)了計算模型的更新，又保證了在三維模型中新增的細(xì)部構(gòu)件的存在，保證已完成的工作成果不受損失。更新完成之后，需輸出詳細(xì)的更新報告，報告中應(yīng)指出，新增了哪些構(gòu)件，刪除了哪些構(gòu)件，修改了哪些構(gòu)件及這些構(gòu)件的屬性變化情況。

2 模型轉(zhuǎn)換應(yīng)用實例

基于計算模型轉(zhuǎn)三維模型的技術(shù)要求，開展轉(zhuǎn)換軟件的選型。經(jīng)調(diào)研，目前能實現(xiàn)模型轉(zhuǎn)換功能的軟件有盈建科、探索者、邁達(dá)斯等。其中，盈建科模型轉(zhuǎn)換接口的功能與上述要求比較符合，下面采用該接口進(jìn)行實際工程的應(yīng)用。

2.1 工程概況

測試項目采用新疆天山電力奇臺熱電聯(lián)產(chǎn)一期2×350 MW工程，其廠址位于昌吉回族自治州奇臺縣城東北方向擬建的喇嘛湖梁工業(yè)園內(nèi)。主廠房按兩機兩爐超臨界空冷燃煤發(fā)電機組進(jìn)行設(shè)計，布置方式為汽機房—除氧間—煤倉間—鍋爐順列布置，汽輪發(fā)電機組縱向布置。主廠房采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。廠房橫向由A列柱—汽機房屋蓋—除氧煤倉間框架組成框排架結(jié)構(gòu)體系，縱向采用鋼筋混凝土框架支撐結(jié)構(gòu)體系。汽機平臺采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，平臺與A，B柱之間通過牛腿交接連接。

2.2 主廠房計算模型導(dǎo)入三維平臺

主廠房1號機的PKPM計算模型如圖9所示；2號機的PKPM計算模型如圖10所示。將計算模型通過轉(zhuǎn)換接口轉(zhuǎn)為PDMS三維模型，如圖11所示。經(jīng)校核，轉(zhuǎn)換后的三維模型中：構(gòu)件截面匹配正確，構(gòu)件位置坐標(biāo)正確，構(gòu)件的偏心和對齊能正確處理，1號機和2號機通過模型整體平移指定插入點，正確的組合在一起。

2.3 主廠房計算模型局部更新到三維平臺

在主廠房1號機PKPM模型使用局部更新功能。原始計算模型如圖12所示，構(gòu)件局部修改后模型如圖13所示，從左到右依次為：移動次梁位置、刪除次梁、增加次梁。經(jīng)校核，計算模型的局部修改正確的更新到了三維模型中，如圖14所示。同時，在三維模型中手工建立的牛腿、埋件、孔洞等細(xì)部構(gòu)件，在模型更新后被保留，如圖15所示。

2.4 應(yīng)用效果

該模型轉(zhuǎn)換技術(shù)能保證計算模型和三維模型的一致性，且能隨著設(shè)計不斷深入保持三維模型的實時更新，保證了設(shè)計質(zhì)量。同時，該技術(shù)能極大提高三維建模效率，以主廠房為例，原來手工建立三維土建模型需花費約2周時間，采用模型轉(zhuǎn)換技術(shù)后，1 d就能建立模型。若考慮到后期三維模型的更新和維護，廠區(qū)內(nèi)主廠房之外的內(nèi)建(構(gòu))筑物的三維建模，節(jié)省的時間會更多。

3 結(jié)語

工程測試和應(yīng)用表明，土建計算模型轉(zhuǎn)三維模型的技術(shù)方案是切實可行的。采用該轉(zhuǎn)換技術(shù)，能充分利用土建計算模型的價值，避免重復(fù)建模和事后抄模，大幅提高三維建模效率，保證了三維平臺中土建模型的及時性和正確性，滿足了工藝專業(yè)的檢碰需求，提高了整體工程質(zhì)量。同時，為下一步利用三維平臺進(jìn)行孔洞、埋件提資，利用三維模型抽框架外形圖和樓板布置圖打下了基礎(chǔ)。目前該技術(shù)在國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院已成功應(yīng)用于多個國內(nèi)外項目，取得了良好的應(yīng)用效果。

[1] 張明志,郝 倩.淺析PDMS三維布置設(shè)計在火電項目中的應(yīng)用[J].中國工程咨詢，2009(7):18-19.

[2] 魯勤武.基于PDMS平臺的核電工程模塊三維設(shè)計系統(tǒng)研究開發(fā)[J].中國核科學(xué)進(jìn)展技術(shù)報告核能動力分卷(上)，2011(2):338-343.

[3] 謝 華.PDMS在土建結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用[J].武漢大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2006(39):184-187.

[4] 鄧志堅,張漢東.三維工廠設(shè)計軟件VANTAGE PDMS在土建專業(yè)的二次開發(fā)及應(yīng)用[J].安徽建筑，2006(1):118-121.

[5] 祝 黎.PKPM-PDMS三維接口技術(shù)應(yīng)用的研究[J].山東電力技術(shù)，2010(1):57-58.

[6] 王守利.關(guān)于土建專業(yè)三維模型層次自動命名的研究[J].電氣技術(shù)，2013(3):24-25.

[7] 袁 泉,李丙益.三維工廠設(shè)計中結(jié)構(gòu)設(shè)計流程的探討[J].武漢大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2007，40(sup):289-292.

[8] 袁 泉,李丙益.火力發(fā)電廠主廠房三維結(jié)構(gòu)布置設(shè)計探討[J].武漢大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2008,41(sup):1-4.

[9] 蘇 陽,孔祥宇.土建專業(yè)三維平臺數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)的實踐[J].武漢大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2011,44(sup):139-141.

[10] 中國建筑科學(xué)研究院PKPMCAD工程部.結(jié)構(gòu)平面CAD軟件用戶手冊及技術(shù)條件[Z].2013:55-59.

[11] AVEVA.Structural Design User Guide[Z].Cambridge,UK.2007.

Application technology of civil calculation model converting PDMS 3D model

Xiao Nan Zhang Chenzheng Guo Yong

(StateNuclearElectricPowerPlanningDesign&ResearchInstitute,Beijing100095,China)

According to the difficult of civil modeling in design of power plant involved in 3D collaborative process, technical scheme and flow chart of civil calculation model converting 3D model is proposed, and based on PDMS 3D design platform and model transformation software, this converting technology is utilized in actual project. It greatly improved the efficiency of modeling, ensured the engineering quality, achieved good effect.

PDMS, power plant design, civil calculation model, 3D model, conversion interface

1009-6825(2015)07-0254-04

2014-12-23

肖 南(1982- )，男，工程師； 張晨征(1981- )，男，工程師； 郭 泳(1988- )，男，助理工程師

TP301

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