三維信息模型在變電站構架設計軟件中的應用

徐　志　劉小云　芮繼東　劉建秋　余學霜　商文念

(1.北京筑信達工程咨詢有限公司，北京　100043; 2.山東電力工程咨詢院有限公司，濟南　250013)

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三維信息模型在變電站構架設計軟件中的應用

徐志1劉小云2芮繼東1劉建秋2余學霜1商文念2

(1.北京筑信達工程咨詢有限公司，北京100043; 2.山東電力工程咨詢院有限公司，濟南250013)

目前通用有限元計算軟件比較成熟，但針對特定行業(yè)的高效實用軟件還比較欠缺。本文介紹了三維信息模型在變電站構架設計軟件的應用方法，闡述了利用SAP2000的API功能實現(xiàn)自主研發(fā)特種結構專業(yè)設計軟件的整體思路。詳細介紹了利用三維信息模型生成二維施工圖的方法以及施工圖的聯(lián)動修改、材料表的統(tǒng)計、撤銷重做操作的實現(xiàn)等關鍵技術。本文對于進一步開拓SAP2000的應用范疇具有實際意義，為特種結構定制專業(yè)設計軟件提供了良好的指導作用。

三維信息模型； 變電站； 構架設計； 施工圖； SAP2000； API

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.04.20

1　概述

變電站構架設計軟件是由山東電力工程咨詢院有限公司和北京筑信達工程咨詢有限公司聯(lián)合開發(fā)、專門針對變電站構架設計的計算機輔助設計系統(tǒng)。軟件分為快速建模、計算分析和施工圖繪制三大功能模塊，利用SAP2000提供的API技術將自行研發(fā)的建模和施工圖模塊無縫集成，構建了變電站構架快速建模、計算分析、截面優(yōu)化、詳圖設計等功能的一體化應用平臺。

2　軟件整體架構

變電站構架結構特殊，荷載計算繁瑣，傳統(tǒng)的有限元計算軟件存在建模效率低，后處理功能不能滿足行業(yè)需求等問題。軟件針對這些問題提供了可視化的快速建模工具和交互式編輯的施工圖處理工具。在快速建模模塊(以下簡稱前處理)中，用戶只需要簡單的輸入構架的幾何尺寸、荷載參數(shù)即可快速拼裝成正確的計算模型，然后利用SAP2000的分析功能快速得到桿件的內(nèi)力信息，并生成施工圖需要的三維信息模型。在施工圖處理模塊(以下簡稱后處理)中，實現(xiàn)了自動節(jié)點連接設計、施工圖自動生成等功能。用戶只需要利用軟件提供的豐富交互編輯功能簡單修改即可達到施工圖的深度要求。軟件操作整體流程如圖1所示。

圖1　軟件總體流程圖

3　軟件數(shù)據(jù)結構

變電站構架設計軟件的數(shù)據(jù)結構包括兩大部分，一部分是描述真實構架的三維信息模型數(shù)據(jù)(以下簡稱三維信息模型)，另一部分是描述施工圖圖塊的二維信息數(shù)據(jù)(以下簡稱施工圖模型)。三維信息模型記錄所有桿件、節(jié)點板、連接板、螺栓、鋼筋以及其它組合構件(如法蘭、支座等)的信息，施工圖模型記錄了圖塊的位置、繪圖比例、圖層、顏色以及與之關聯(lián)的模型數(shù)據(jù)信息。

軟件通過建立構架三維信息模型，實現(xiàn)構架構件信息的統(tǒng)一管理。施工圖模型根據(jù)三維信息模型數(shù)據(jù)動態(tài)更新，有效的解決了施工圖的聯(lián)動修改、材料表的歸并統(tǒng)計以及用戶撤銷重做功能等技術難題。

軟件數(shù)據(jù)流程如圖2所示。

圖2　軟件數(shù)據(jù)流程圖

3.1構架三維信息模型的建立

構架的信息模型是通過面向對象的C++編程語言建立的。軟件定義了零部件基類CIS_BaseEnt，基類描述了零部件的類型、位置、歸并時優(yōu)先等級、編號、以及對應的二維圖形實體CIS_DrawEnt等信息。構架中所有零部件類均由CIS_BaseEnt派生。

圖3　構架三維信息模型示意圖

3.2二維施工圖模型的建立

二維施工圖模型是在三維構架信息模型的基礎上創(chuàng)建的。二維信息模型的基類是二維圖形實體CIS_DrawEnt。CIS_DrawEnt中描述了圖形實體類型、對應的零部件CIS_BaseEnt、所屬圖紙、所屬圖塊、圖層、線型、字體等繪圖信息。施工圖上所有圖形單元類都是基于CIS_DrawEnt派生。

3.3三維信息模型到施工圖模型的轉換

三維信息模型中完整地記錄了構架的設計信息，包括所有桿件及零部件的空間位置、材料屬性、受力狀態(tài)等信息。在進行施工圖繪制時需要從三維信息模型中提取相關信息，生成二維施工圖模型。

生成二維施工圖模型的步驟一般如下：

(1)規(guī)劃設計圖紙CIS_DrawPaper上需要繪制的所有圖塊CIS_DrawBolck；

(2)確定每個圖塊的位置比例，圖塊在三維信息模型中的位置(投影面)；

(4)在三維信息模型中提取需要在圖塊中繪制的所有零部件CIS_BaseEnt；

(5)經(jīng)過坐標轉換等步驟創(chuàng)建CIS_BaseEnt在圖塊中的圖形實體CIS_DrawEnt，并建立關聯(lián)關系。

圖4　施工圖模型模型示意圖

圖5　坐標轉換示意圖

圖6　格構梁三維效果圖

圖7　格構梁施工圖

3.4圖形的編輯和聯(lián)動修改

三維信息模型中構架上的每一個部件都是唯一的一個CIS_BaseEnt，在施工圖模型中可能會出現(xiàn)在多個圖塊中，創(chuàng)建出多個圖形實體CIS_DrawEnt。當用戶在施工圖某個圖塊中修改構件實體參數(shù)時，應該保證每一個與之相關的圖形實體都能修改。程序中建立了三維信息模型中的部件CIS_BaseEnt與施工圖模型中各圖塊中的圖形實體CIS_DrawEnt之間的相互關聯(lián)關系。當用戶在視圖中選中某個圖形實體CIS_DrawEnt后，程序將彈出該圖塊對應部件CIS_BaseEnt的的編輯對話框，通過編輯參數(shù)，用戶實際更改的是三維信息模型中的部件參數(shù)。修改完參數(shù)后，程序會根據(jù)修改部件的類型判斷是否需要修改關聯(lián)構件的參數(shù)。比如修改格構梁主桿截面尺寸后，與之連接的斜桿回退長度會相應修改，同時這也會導致連接主桿和斜桿的節(jié)點板尺寸修改。當三維信息模型修改后，程序會重新計算相關構件在各個圖塊中的繪圖位置并完成圖形的更新。

例如避雷針頂部，用戶只需要在圖紙任一圖塊上(例如避雷針示意圖(圖8a)或柱頂詳圖(圖8b))中選中該部件，都會彈出編輯對話框(圖8c)，將柱帽類型從包裹式修改為插入式后(圖9a)，對應參數(shù)如柱帽直徑、端部長度都會自動修改，用戶也可人工干預。應用修改后，所有相關圖塊都會自動重新繪制，如圖9-b和圖9-c所示。

3.5材料表的統(tǒng)計

每一個實際的構件(如一根桿件或者一塊節(jié)點板)在圖紙上可能會出現(xiàn)在不同的圖塊中，但是其在三維信息模型中只對應一個CIS_BaseEnt，因此在材料表統(tǒng)計中我們只需要統(tǒng)計三維信息模型中CIS_BaseEnt對象的數(shù)量即可。在每一種構件對應的CIS_BaseEnt基類中，都指定了排序優(yōu)先級和歸并條件。最終生成的材料統(tǒng)計表中將會把排序優(yōu)先級高的類型排在前面，如材料表的一般規(guī)則是先統(tǒng)計桿件，然后再統(tǒng)計板材，最后統(tǒng)計螺栓。當我們交互式修改圖紙后，只需要利用軟件的重新歸并功能即可重新對所有構件進行歸并編號并生成新的材料表，避免了人工統(tǒng)計容易出錯的問題。

在模型數(shù)據(jù)中，每一個構件實體都包含編號、規(guī)格名稱、長度、單位重量、數(shù)量以及排序優(yōu)先級等變量。對所有的構件歸并后將得到相同構件的總數(shù)量。最終生成的材料表如圖10所示。

3.6Redo和Undo的實現(xiàn)

要實現(xiàn)撤銷和重做功能，必須記錄用戶的每一次操作對程序內(nèi)部數(shù)據(jù)的影響。軟件通過CIS_Transaction類來實現(xiàn)這個過程。用戶的每一次操作將通過CIS_Transaction類在系統(tǒng)中產(chǎn)生一條記錄，CIS_Transaction類中記錄了用戶操作的索引號以及三維信息模型操作前數(shù)據(jù)狀態(tài)PreData和操作后數(shù)據(jù)狀態(tài)LastData。當系統(tǒng)中存在用戶操作記錄時，用戶可以使用撤銷和重做功能。當用戶需要執(zhí)行“撤銷”命令時，程序將用PreData中的數(shù)據(jù)對三維信心模型中的數(shù)據(jù)進行還原； 當用戶需要執(zhí)行“重做”命令時，程序將用LastData中的數(shù)據(jù)進行還原。撤銷和重做操作對應三維信息模型中的數(shù)據(jù)變化如圖11所示。

圖8-a　　　　　　　　　　　　　圖8-b　　　　　　　　　　　　　圖8-c

圖9-a　　　　　　　　　　　　　圖9-b　　　　　　　　　　　　　圖9-c

圖10　材料表

圖11　撤銷和重做數(shù)據(jù)變化示意圖

3.7其他相關技術

變電站構架設計軟件作為一款變電站設計一體化應用平臺軟件，集成了豐富的功能，也使用了多種計算機技術。比如利用三維圖形引擎vtk實現(xiàn)快速建模中的三維模型顯示，利用XPTable實現(xiàn)表格數(shù)據(jù)的編輯，利用二維圖形引擎QCAD來實現(xiàn)施

工圖中圖形的捕捉、選擇以及導出dxf功能。

4　結語

隨著SAP2000的API功能的不斷完善，利用SAP2000開發(fā)個性化定制軟件將會越來越普遍。利用三維信息模型技術開發(fā)的變電站構架設計軟件，是將計算機技術和行業(yè)軟件相結合的一次成功嘗試。軟件將解決通用有限元軟件存在的建模繁瑣、參數(shù)調(diào)整復雜以及傳統(tǒng)施工圖繪制中構架統(tǒng)計困難，修改圖紙繁瑣等問題，極大地提高工程師的工作效率。

[1]DL/T 5457-2012 變電站建筑結構設計技術規(guī)程[S].北京：中國計劃出版社， 2012.

[2]中南電力設計院. 變電站構架設計手冊[M].湖北：湖北科學技術出版社， 2006.

[3]中國建筑標準設計研究院.SAP2000中文版使用指南(第二版)[M].北京：人民交通出版社， 2011.

[4]SAP2000_API_Documentation.chm[M].Computers and Structures Inc.，2015.

[5]Computers and Structures Inc. 北京筑信達工程咨詢有限公司.CSi分析參考手冊[M].2015.

The Application of 3D Information Model in Substation Gantry Design Software

Xu Zhi1，Liu Xiaoyun2，Ru Jidong3，Liu Jianqiu4，Yu Xueshuang5，Shang Wennian6

(BeijingConstructionInformationSolutionEngineeringConsulting,Beijing100043,China;2.ShandongElectricPowerEngineeringConsultingInstituteCo.，Ltd.,Ji′nan250013,China)

At present, the general finite element software has become more mature, but there is few efficient practical software for specific industry.This article introduces the 3D information model applied in substation gantry design software and expounds the using of SAP2000 API function to realize the independent research and development of special structure of professional design software. It also introduces the use of 3D information model to generate the linkage of the two-dimensional construction method and construction drawing modification, material tables of statistics, the realization of the undo redo operation.This article has practical significance for further development of SAP2000 application, and provides a good guidance of professional custom design software for special structure.

3DInformation Model; Substation; Gantry design Software; Construction Drawing; SAP2000; API

徐志(1989-)，男，研發(fā)工程師，主要研究方向：建筑結構計算機輔助設計軟件研發(fā)。

TU27;TU201.4;TU3

A

1674-7461(2016)04-0109-05