平面鋼閘門三維數(shù)字化設(shè)計(jì)綜合應(yīng)用研究

鄒今春，郭天佑，李 崗，趙春龍

（中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065）

0 引言

鋼閘門是水工建筑物中用于開啟、關(guān)閉或局開過水孔口的動(dòng)設(shè)備，在引水、擋水、沖沙、泄洪、防淤、發(fā)電控制等方面擔(dān)當(dāng)重要任務(wù)，直接關(guān)系電站整體可靠運(yùn)行。由于承受工況復(fù)雜，結(jié)構(gòu)類型豐富，目前均采用非標(biāo)設(shè)計(jì)方式。據(jù)統(tǒng)計(jì)水工鋼閘門出圖量占整個(gè)樞紐出圖量比例可達(dá)15%[1]。而工程建設(shè)方面對(duì)縮短設(shè)計(jì)周期、加快出圖速度的要求日益強(qiáng)烈，因此采用先進(jìn)設(shè)計(jì)手段和技術(shù)，提高設(shè)計(jì)自動(dòng)化水平和質(zhì)量變得越來越重要。

三維數(shù)字化設(shè)計(jì)是解決這一突出問題的重要途徑。它不僅具有傳統(tǒng)三維可視化帶來的優(yōu)點(diǎn)，還能通過尺寸約束和幾何約束來定義和控制幾何模型，支持在產(chǎn)品開發(fā)的不同階段對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速修改。這恰好滿足了水電工程各建設(shè)階段對(duì)結(jié)構(gòu)方案反復(fù)調(diào)整和優(yōu)化的實(shí)際需要。目前應(yīng)用于水工鋼閘門設(shè)計(jì)的三維平臺(tái)主要有Autodesk公司的Inventor[2～4]以及達(dá)索公司的CATIA[6～8]。何玉新、李敬澤將Inventor應(yīng)用于鋼閘門的設(shè)計(jì)，介紹了產(chǎn)品虛擬樣機(jī)、干涉檢測(cè)、模型與工程圖關(guān)聯(lián)等功能[2]。李勝、李敬澤以具體實(shí)例對(duì)參數(shù)分類、參數(shù)精簡(jiǎn)及通用性、零部件純數(shù)字關(guān)聯(lián)方式等問題進(jìn)行了深入剖析，提出了一種融合Excel設(shè)計(jì)計(jì)算、Inventor三維建模和Inventor自動(dòng)生成工程圖的設(shè)計(jì)模式[3]。徐慶總結(jié)出一條從總體到局部、從上至下的設(shè)計(jì)思路，利用閘門結(jié)構(gòu)零部件之間主從關(guān)系，優(yōu)化了零部件之間裝配關(guān)系和模型庫(kù)的管理[4]。基于對(duì)BIM技術(shù)的深入理解，魏群等提出綜合利用Inventor的多層次資源，充分利用其用戶交互、圖形數(shù)據(jù)等技術(shù)的深層分析方法，為以Inventor為基礎(chǔ)平臺(tái)的深度二次開發(fā)提供了理論支撐，并開發(fā)出設(shè)計(jì)、分析、制作于一體的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件[5,6]。此外，CATIA平臺(tái)下的參數(shù)化設(shè)計(jì)應(yīng)用也得到了廣泛關(guān)注。王可、陳相楠、賈剛、余迎賓等介紹了CATIA平臺(tái)上閘門建模、出圖的詳細(xì)流程，提出建立組件庫(kù)以提高設(shè)計(jì)效率的方法，為CAITA的工程應(yīng)用積累了經(jīng)驗(yàn)[7,8]。

Inventor或CATIA平臺(tái)自帶功能均不能同時(shí)解決好閘門高效建模、準(zhǔn)確出圖、自動(dòng)計(jì)算的問題。本文在以往研究者基礎(chǔ)上，以平面閘門為研究對(duì)象，利用Inventor平臺(tái)的二次開發(fā)，采用多種語(yǔ)言混合編程及Windows API技術(shù)，在綜合三維參數(shù)化建模、計(jì)算分析、二維工程圖模塊功能，實(shí)現(xiàn)了建模中零部件快速裝配、二維圖生成中底層數(shù)據(jù)的獲取與尺寸自動(dòng)標(biāo)注、計(jì)算過程與三維模型的交互，為鋼閘門三維數(shù)字化綜合設(shè)計(jì)應(yīng)用做出一些嘗試。

1 建模模塊

閘門分為門葉、門槽，是最高層級(jí)的兩個(gè)模型組件，并將其作為父級(jí)模型。以孔口尺寸、封水寬高、支承跨度、最大外廓尺寸及各分節(jié)高度為依據(jù)，建立門葉、門槽三維模型總體網(wǎng)格軸線，對(duì)門葉門槽的總體布局其進(jìn)行整體控制。門葉門槽這兩級(jí)父級(jí)模型之下的是各門葉節(jié)（含主梁、次梁、隔板、邊梁等）、主反滑塊、充水閥、吊耳以及水封等零部件子集模型。為了進(jìn)一步規(guī)范零部件安裝位置，在單節(jié)門葉結(jié)構(gòu)建模層級(jí)也引入了單節(jié)軸線網(wǎng)格。

按照分類原則及出圖的要求，對(duì)于父級(jí)建模層建立的總體網(wǎng)格軸線，操作對(duì)象為單節(jié)門葉或與單節(jié)門葉具有相同出圖等級(jí)的零部件，如充水閥、水封。對(duì)于單節(jié)門葉結(jié)構(gòu)建模層的單節(jié)軸線網(wǎng)格，操作對(duì)象為主梁、次梁、邊梁、隔板。高效的建模功能依賴于閘門零部件參數(shù)化模型庫(kù)中參數(shù)的合理設(shè)置[3]。

圖1 總體軸線布置

總結(jié)平面鋼閘門結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)閘門各部件進(jìn)行分類，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)，將閘門各個(gè)部件進(jìn)行參數(shù)化建模，并采用數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理應(yīng)用。在參數(shù)設(shè)置過程中充分利用零部件之間的連接關(guān)系，建立相互接觸的圖形要素之間重合、平齊、共面等幾何關(guān)系，實(shí)現(xiàn)參數(shù)間數(shù)學(xué)關(guān)系與對(duì)應(yīng)零部件圖形要素幾何關(guān)系的一一映射。比如等截面主梁高度一般與邊梁高度一致、門葉結(jié)構(gòu)支承跨度決定了滑塊水平安裝間距。在結(jié)構(gòu)更新（實(shí)質(zhì)為參數(shù)更新）時(shí)依據(jù)主從關(guān)系，使對(duì)應(yīng)參數(shù)保持相應(yīng)的數(shù)值關(guān)系。對(duì)一些非承力的結(jié)構(gòu)件部分尺寸進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范，或設(shè)成固定值或進(jìn)行系列化，在參數(shù)修改時(shí)可進(jìn)行參數(shù)傳遞實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)更新，從而精簡(jiǎn)了獨(dú)立參數(shù)數(shù)量，也提高了零部件裝配和結(jié)構(gòu)修改的效率。

圖2 截面數(shù)據(jù)庫(kù)

2 二維工程圖模塊

二維工程圖與三維模型的強(qiáng)關(guān)聯(lián)性是Inventor相比其他三維軟件的優(yōu)勢(shì)，但相比水利水電行業(yè)出圖習(xí)慣需做較大調(diào)整和修改。用三維軟件自身出圖模塊完成一張完整圖紙需手動(dòng)逐步完成，尤其是視圖、標(biāo)注和材料表的表示更是繁瑣易疏漏，自動(dòng)化程度低。本文提出按照平面鋼閘門圖紙表達(dá)習(xí)慣和要求，通過Inventor的API接口將圖紙生成中用到的眾多Inventor零散操作命令通過命令流方式進(jìn)行串聯(lián)運(yùn)行，并獲取圖形數(shù)據(jù)以對(duì)視圖、標(biāo)注、材料表進(jìn)行詳細(xì)定制。

以閘門門葉總圖為例，它包括上游視圖、下游視圖、頂視圖、底視圖、側(cè)視圖等基本視圖，以及門葉門槽關(guān)系圖、主反滑塊、吊耳孔等局部視圖和節(jié)間連接、水封連接等剖視圖。主視圖由上游視圖與下游視圖拼接而成，俯視圖由頂視圖和底視圖拼接而成，需要對(duì)圖形進(jìn)行裁剪和對(duì)齊拼接。對(duì)圖形的裁剪實(shí)際是判定構(gòu)成圖形的基本元素是否包含在指定窗口區(qū)域內(nèi)的過程。本文先將帶有數(shù)據(jù)的三維模型由模型空間向圖紙空間投影生成完整的上游視圖，通過定位視圖橫向中心線并以此作為上游拼接視圖的一個(gè)參考點(diǎn)，通過獲取其余三個(gè)方向最外沿零部件位置信息確定上游拼接視圖的窗口區(qū)域。同理得下游拼接視圖區(qū)域，在選定的區(qū)域顯示視圖即達(dá)到視圖裁剪的效果，再對(duì)齊兩個(gè)帶拼接視圖即實(shí)現(xiàn)了視圖的拼接。

尺寸標(biāo)注的定制包含選定待標(biāo)注的尺寸、確定尺寸標(biāo)注位置以及標(biāo)注樣式。由于圖紙空間的點(diǎn)線面與三維模型中零部件是對(duì)應(yīng)的，每一個(gè)尺寸數(shù)值均由模型的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)組合而成。利用點(diǎn)的位置坐標(biāo)選定標(biāo)注的起點(diǎn)和終點(diǎn)即完成所選尺寸的標(biāo)注。如下圖中AB兩點(diǎn)距離實(shí)際由邊梁后翼緣板寬度參數(shù)值的一半AC與中間隔板陣列間隔與數(shù)量參數(shù)運(yùn)算組合得來。標(biāo)注樣式定制可通過Inventor開放的用戶樣式修改實(shí)現(xiàn)。

圖3 門葉尺寸標(biāo)注

材料表自動(dòng)生成是由三維模型生成二維工程圖的重要工作。本文采用圖形數(shù)據(jù)方法獲取模型中各個(gè)零件的編號(hào)和各種屬性信息（幾何尺寸、材料、數(shù)量、質(zhì)量等），并將這些信息存儲(chǔ)起來。在生成表頭后提取材料表所需信息，按要求進(jìn)行重構(gòu)后填入相應(yīng)的明細(xì)表的單元格中，再利用Inventor API在設(shè)定位置創(chuàng)建數(shù)據(jù)。整個(gè)圖紙生成過程的實(shí)現(xiàn)依賴于通過Inventor API獲取視圖（帶數(shù)據(jù)的三維模型的投影）在圖紙空間中的坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)（數(shù)值、屬性）與圖紙空間之間的交互。

3 計(jì)算模塊

當(dāng)前水電水利鋼閘門的計(jì)算分析采用平面許用應(yīng)力分析為主，本文依據(jù)現(xiàn)行鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范，以XML作為中心存儲(chǔ)文件調(diào)用EXCEL的應(yīng)用程序接口以之作為計(jì)算工具，對(duì)面板、主次梁、吊耳、主軌強(qiáng)度和剛度進(jìn)行計(jì)算集成。實(shí)現(xiàn)了參數(shù)輸入、計(jì)算分析與結(jié)果輸出的簡(jiǎn)潔操作。

為保證計(jì)算模塊與整體模型的一致性，在參數(shù)輸入環(huán)節(jié)可通過直接讀取三維模型獲取諸如主梁、次梁、面板截面尺寸數(shù)據(jù)，從而保證了計(jì)算與模型的強(qiáng)關(guān)聯(lián)關(guān)系和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。利用Office開放的API規(guī)范要求的計(jì)算項(xiàng)目在經(jīng)EXCEL表格公式計(jì)算分析的結(jié)果，可以WORD文檔的方式進(jìn)行集中呈現(xiàn)。需要指出的是本文采用的計(jì)算模塊與三維模型之間的數(shù)據(jù)傳遞仍是單向的，即計(jì)算所需的參數(shù)可通過讀取三維模型得到，但計(jì)算出來的參數(shù)不能直接反饋給三維模型而對(duì)模型進(jìn)行修改。

4 結(jié)論

圖4 計(jì)算用XML文件

在總結(jié)借鑒以前研究者經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用二次開發(fā)的方式，以Inventor、Office軟件為基本工具對(duì)水電水利常用的平板鋼閘門三維參數(shù)化建模、二維出圖、結(jié)構(gòu)計(jì)算進(jìn)行綜合應(yīng)用。通過精簡(jiǎn)、優(yōu)化參數(shù)設(shè)置和搭建兩級(jí)網(wǎng)格軸線的方式以提高三維建模效率。由Inventor API獲取視圖（帶數(shù)據(jù)的三維模型的投影）在圖紙空間中的坐標(biāo)，進(jìn)行三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)（數(shù)值、屬性）與圖紙空間之間的關(guān)聯(lián)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了材料表底層數(shù)據(jù)的獲取與尺寸自動(dòng)標(biāo)注。在計(jì)算模塊的前端參數(shù)輸入環(huán)節(jié)通過直接讀取模型數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算與建模的數(shù)據(jù)交互。綜合應(yīng)用過程中建模、出圖、計(jì)算模塊的運(yùn)行都有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)支撐，圖形、尺寸、物理特性等屬性均由各類數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，這與以協(xié)同、高維、全生命周期為特點(diǎn)的BIM技術(shù)應(yīng)用[11]要求是一致的。

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