基于Inventor的水利工程樞紐建筑物骨架設(shè)計(jì)思路研究

赫 雷

(中國(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100024)

在利用Inventor三維軟件進(jìn)行模型創(chuàng)建時(shí)，一般有兩種對(duì)比比較鮮明的方式，一種是自下而上，另一種是自上而下，兩種方式均是在機(jī)械制造業(yè)的三維設(shè)計(jì)中最早形成的。以汽車模型為例，自下而上的思路是先從最細(xì)小的零件，比如螺絲、鋼板等，開始設(shè)計(jì)和建模，然后通過零件之間的空間位置關(guān)系，進(jìn)行裝配對(duì)齊，不斷地組裝成更大的零件，比如發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱等，最后形成整個(gè)汽車的三維模型。自上而下的思路正好相反，先是對(duì)汽車整體進(jìn)行框架設(shè)計(jì)，把發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、車輪等等的空間位置關(guān)系先行確定，然后在其所在的空間位置上再進(jìn)行零件的詳細(xì)設(shè)計(jì)，隨著眾多零件設(shè)計(jì)的完成，整個(gè)汽車的模型也最終形成。這種自上而下的設(shè)計(jì)框架，就像人體的骨架，因而稱之為骨架設(shè)計(jì)。在實(shí)際的應(yīng)用過程中，這兩種方式并不是單一使用的，經(jīng)常是根據(jù)設(shè)計(jì)建模的需要，組合使用，從而提升設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。

1 樞紐建筑物設(shè)計(jì)的特點(diǎn)及骨架設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)

1.1 樞紐建筑物設(shè)計(jì)首先著眼于整體的布置設(shè)計(jì)

在前期階段的水利工程樞紐建筑物設(shè)計(jì)中，首先是根據(jù)地形地質(zhì)條件，在適當(dāng)?shù)牡胤椒胖酶鞣N建筑物，并根據(jù)功能的需要，確定其占據(jù)的空間大小。其次按照規(guī)范的要求，使其之間有一定的安全距離。當(dāng)確定了布置方案后，再開始各個(gè)建筑物的詳細(xì)設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)思路與自上而下的骨架設(shè)計(jì)是一致的，因此，使用骨架設(shè)計(jì)非常符合設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)習(xí)慣。

另外，Inventor三維設(shè)計(jì)中的參數(shù)化設(shè)計(jì)，可以使骨架設(shè)計(jì)與細(xì)部設(shè)計(jì)直接產(chǎn)生關(guān)聯(lián)關(guān)系，從而使得骨架的參數(shù)改變可以驅(qū)動(dòng)細(xì)部設(shè)計(jì)的參數(shù)發(fā)生相應(yīng)的自動(dòng)調(diào)整。這個(gè)功能對(duì)于布置方案的調(diào)整，或者從一個(gè)布置方案派生出另一個(gè)布置方案時(shí)，就可以基于原方案快速生成新的方案。

1.2 樞紐建筑物之間的空間關(guān)聯(lián)關(guān)系非機(jī)械零件間的緊密空間關(guān)系

樞紐建筑物根據(jù)功能劃分，有擋水建筑物、泄水建筑物、輸水建筑物、發(fā)電建筑物等，這些建筑物之間有的會(huì)結(jié)合在一起布置，有些又分開布置而且毫無空間關(guān)聯(lián)關(guān)系。這時(shí)按照Inventor三維軟件對(duì)各組件的空間位置關(guān)系的約束功能，將這些建筑物進(jìn)行整體組裝的時(shí)候，就很難找到約束要用到的點(diǎn)、線、面等元素，也很難通過具體數(shù)值將其組裝在設(shè)計(jì)的位置上，并精確地對(duì)齊。因此，也需要通過骨架設(shè)計(jì)，先對(duì)其空間位置進(jìn)行確定，再進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。通過這種方式，細(xì)部設(shè)計(jì)的模型無需進(jìn)行組裝，或者通過簡(jiǎn)單的組裝就可以形成整體模型，大大降低整體組裝的難度。

此外，伴隨這種骨架設(shè)計(jì)產(chǎn)生了一個(gè)新的設(shè)計(jì)協(xié)同方式，當(dāng)骨架設(shè)計(jì)形成后，各細(xì)部設(shè)計(jì)可以同時(shí)并行開展工作，可在一定程度上打破傳統(tǒng)的上下序?qū)I(yè)串行工作的方式，從而壓縮設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)效率。

1.3 樞紐建筑物軸線是通過控制點(diǎn)坐標(biāo)的連線生成的

在一些現(xiàn)行建筑物的設(shè)計(jì)中，是以軸線設(shè)計(jì)作為控制要素的，此類設(shè)計(jì)以各種管道最為典型。在軸線設(shè)計(jì)中，一般是以首末端的端點(diǎn)、中間的轉(zhuǎn)彎點(diǎn)以及特殊變化部位的點(diǎn)為軸線控制的要素，這些點(diǎn)的連線即為建筑物的軸線，再根據(jù)軸線進(jìn)行相應(yīng)的管道細(xì)部設(shè)計(jì)。在利用Inventor三維軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，一般先生成各個(gè)管道的標(biāo)準(zhǔn)件，然后通過裝配形成管道整體模型。這種方法在遇到特別長(zhǎng)的管道時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生比較大的誤差，其原因在于原設(shè)計(jì)是按照控制點(diǎn)來建立軸線，而通過標(biāo)準(zhǔn)件組裝是按照各組件首尾的約束來形成整體，所以當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)件的轉(zhuǎn)彎角度、管道長(zhǎng)度是通過獲取有效數(shù)字得來的數(shù)值時(shí)，會(huì)產(chǎn)生細(xì)微的誤差，再經(jīng)過較長(zhǎng)的管道長(zhǎng)度，就會(huì)放大這種誤差，從而會(huì)使最終的末端有較大的偏差。

因此，需要通過骨架設(shè)計(jì)先按照設(shè)計(jì)思路，通過控制點(diǎn)建立軸線，形成管道的骨架，再通過骨架的參數(shù)生成管道細(xì)部標(biāo)準(zhǔn)件的各種參數(shù)，才能精確控制管道的走向和長(zhǎng)度。

2 骨架設(shè)計(jì)思路

骨架既然是被定義為對(duì)工程設(shè)計(jì)方案有控制性的約束條件，因此，在設(shè)計(jì)過程中，對(duì)于骨架元素的選取和分級(jí)，也是至關(guān)重要的。

根據(jù)水利工程的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，整個(gè)項(xiàng)目的一級(jí)骨架一般是布置圖中各個(gè)樞紐建筑物的控制點(diǎn)，可以先確定控制點(diǎn)平面的x和y的坐標(biāo)，z坐標(biāo)代表高程坐標(biāo)在一級(jí)骨架中可以先不進(jìn)行定義。

二級(jí)骨架可以根據(jù)各個(gè)建筑物設(shè)計(jì)的需要，在一級(jí)骨架的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，形成適合具體建筑物設(shè)計(jì)的局部坐標(biāo)系，建筑物在建模時(shí)與這個(gè)局部坐標(biāo)系保持一致。這樣在后面的模型組裝過程中只需要將建筑物模型的坐標(biāo)系與二級(jí)骨架的坐標(biāo)系進(jìn)行重合，即完成組裝工作，簡(jiǎn)單方便。

對(duì)于三級(jí)骨架，甚至四級(jí)以后的骨架，根據(jù)建筑物的復(fù)雜程度和對(duì)模型控制的需要，可以逐級(jí)進(jìn)行分解。為了保證各級(jí)骨架的參數(shù)能夠逐級(jí)傳遞，并能驅(qū)動(dòng)進(jìn)行自動(dòng)變形調(diào)整，對(duì)于各級(jí)骨架之間的邏輯關(guān)系要有嚴(yán)格的引用規(guī)則，建議按照層級(jí)關(guān)系逐級(jí)引用，只能下級(jí)骨架引用上級(jí)骨架，甚至最好不跨級(jí)引用。對(duì)于上級(jí)骨架引用下級(jí)骨架要嚴(yán)格禁止，以保證不出現(xiàn)參數(shù)的循環(huán)引用問題。

骨架層級(jí)控制圖如圖1所示。

圖1 骨架層級(jí)控制圖

3 應(yīng)用案例

按照上述的骨架設(shè)計(jì)思路，以輸水建筑物為例，對(duì)骨架設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)例應(yīng)用。

(1)首先根據(jù)輸水建筑物的布置方案，確定各個(gè)控制點(diǎn)的x和y坐標(biāo)。由于Inventor軟件本身的計(jì)算范圍限制，對(duì)于數(shù)值很大的大地坐標(biāo)要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，使其數(shù)值相對(duì)變小，以保證計(jì)算精度。見表1，各控制點(diǎn)坐標(biāo)已將大地坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

表1 控制點(diǎn)坐標(biāo)表

在Inventor中，新建零件文件，通過Excel導(dǎo)入或尺寸控制，在二維草圖中生成所需要的各個(gè)控制點(diǎn)的點(diǎn)對(duì)象，如圖2所示，并保存成獨(dú)立的零件文件，如：KZD.ipt，形成項(xiàng)目控制點(diǎn)的一級(jí)骨架。

圖2 一級(jí)骨架草圖

(2)輸水建筑物的二級(jí)骨架，是通過Inventor衍生或者裝配的功能，引用一級(jí)骨架中的輸水建筑物相關(guān)的控制點(diǎn)對(duì)象，再根據(jù)一級(jí)骨架的控制點(diǎn)對(duì)象擴(kuò)展出需要的點(diǎn)、線、面等對(duì)象，形成局部坐標(biāo)系，如圖3所示，保存成獨(dú)立的零件文件，如：SS_KZD.ipt，形成項(xiàng)目控制點(diǎn)的二級(jí)骨架。對(duì)于z坐標(biāo)高程，在二級(jí)骨架中可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)定。如圖3所示。

圖3 二級(jí)骨架草圖

在衍生的功能中，如圖4所示，可以將上一級(jí)骨架的點(diǎn)、線、面等圖元對(duì)象，以及模型參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)引用，傳遞到下一級(jí)骨架中，使得不同級(jí)別的骨架之間建立邏輯關(guān)聯(lián)，便于后期修改調(diào)整時(shí)，模型可自動(dòng)適應(yīng)進(jìn)行變形調(diào)整。

圖4 衍生菜單界面圖

(3)在一、二級(jí)骨架建立完成后，根據(jù)二級(jí)骨架定義的局部坐標(biāo)系，即可開展單體建筑物的設(shè)計(jì)工作，并保存成獨(dú)立的零件或者裝配文件。在具體建筑物設(shè)計(jì)中，因不同建筑物均有各自的特點(diǎn)，建模方法也各異，本文中不再詳細(xì)展開敘述。如圖5所示，各單體建筑物建成后的成果。

圖5 各單體建筑物成果圖

在參數(shù)的功能中，如圖6所示，可以將模型中用到的數(shù)值有選擇地進(jìn)行提取，作為初始的輸入條件，同時(shí)將參數(shù)與骨架進(jìn)行關(guān)聯(lián)引用，使其與骨架建立邏輯關(guān)聯(lián)，形成骨架逐級(jí)驅(qū)動(dòng)并傳遞到具體模型的整體聯(lián)動(dòng)效果。

圖6 參數(shù)菜單界面圖

(4)最后進(jìn)行整體裝配，根據(jù)二級(jí)骨架定義的局部坐標(biāo)系，與各個(gè)單體建筑物的坐標(biāo)系進(jìn)行匹配對(duì)齊。如圖7所示，輸水建筑物整體裝配后的成果。

圖7 輸水建筑物整體裝配圖

(5)當(dāng)方案修改調(diào)整，或者需要生成新的輸水建筑物線路時(shí)，遵循骨架設(shè)計(jì)的模型，通過調(diào)整骨架的參數(shù)即可完成方案的修改和新方案的建立。例如，一般輸水建筑物線路有可能有幾條，如果各個(gè)單體建筑物僅僅是位置的差異，此時(shí)可通過調(diào)整一級(jí)骨架的控制點(diǎn)位置，Inventor通過骨架參數(shù)的傳遞和計(jì)算，對(duì)后續(xù)的二級(jí)骨架以及具體建筑物的位置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)變形調(diào)整，自動(dòng)生成新的輸水線路模型，大大提高生產(chǎn)效率。如圖8所示，3條輸水線路的模型中，后2條僅通過調(diào)整坐標(biāo)點(diǎn)位置即可瞬間完成設(shè)計(jì)工作。

圖8 三條輸水線路模型圖

4 應(yīng)用總結(jié)

由于骨架設(shè)計(jì)的思路是與水利工程的設(shè)計(jì)思路吻合的，因此在實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)計(jì)人員采用本方法進(jìn)行三維設(shè)計(jì)不會(huì)產(chǎn)生較大的思路轉(zhuǎn)換，在推廣應(yīng)用上，使用人員的認(rèn)可度很高。另外，骨架設(shè)計(jì)需要事先對(duì)三維設(shè)計(jì)思路進(jìn)行梳理，才能提取出骨架設(shè)計(jì)需要的參數(shù)信息，所以使得三維設(shè)計(jì)中的參數(shù)、對(duì)象等邏輯關(guān)聯(lián)關(guān)系引用清晰，不易產(chǎn)生混亂，模型變形調(diào)整能力強(qiáng)。

在骨架設(shè)計(jì)思路的框架下，還可以延伸搭建標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)，通過規(guī)范化、參數(shù)化的模型庫(kù)，與骨架參數(shù)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，使得標(biāo)準(zhǔn)件可以按照骨架自適應(yīng)變形，滿足設(shè)計(jì)需要。在此技術(shù)框架下，逐步積累模型庫(kù)，可以使三維設(shè)計(jì)更加便捷和智能。