基于消力池三維模型的水工建筑物Inventor建模研究

萇登侖

(新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

建筑信息模型BIM(Building Information Modeling)是指在建設(shè)工程及設(shè)施全生命期內(nèi)，對其物理和功能特性進(jìn)行數(shù)字化表達(dá)，并依此設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營的過程和結(jié)果的總稱[1]。BIM技術(shù)應(yīng)用將在水利行業(yè)實(shí)現(xiàn)全面應(yīng)用，設(shè)計(jì)單位應(yīng)在實(shí)際工作中應(yīng)用和發(fā)展BIM技術(shù)[2]。BIM軟件種類繁多，其中常用的有Revit、ArchiCAD、Inventor、Civil3D、3D Max等。

三維模型能夠更全面的表達(dá)設(shè)計(jì)意圖，成果展示更直觀、更易于理解。隨著三維設(shè)計(jì)軟件的廣泛應(yīng)用，三維模型成為設(shè)計(jì)單位投標(biāo)、向?qū)徟鷨挝换蚪ㄔO(shè)各方展示設(shè)計(jì)意圖和成果時的重要工具。具備三維設(shè)計(jì)能力甚至成為設(shè)計(jì)單位投標(biāo)時的一項(xiàng)重要指標(biāo)[3]。

Inventor是Autodesk公司為機(jī)械設(shè)計(jì)提供的三維設(shè)計(jì)軟件，第一版是1999年10月推出的[4]。實(shí)踐證明這款軟件同樣適用于水利水電工程設(shè)計(jì)。它具有建模快、功能靈活多樣的特點(diǎn)，讓水利工程師使用起來十分順手。筆者在使用Inventor軟件時，發(fā)現(xiàn)針對水工建筑物的三維設(shè)計(jì)有其特點(diǎn)。本文選取了水利水電工程中較為常見的消力池這種建筑物型式，對其Inventor建模進(jìn)行研究和探討，使用的軟件版本是2017版，工程設(shè)計(jì)階段為初步設(shè)計(jì)階段。

消力池是水利工程中泄洪建筑物的一部分，位于泄洪建筑物的尾部，是將水庫泄洪的高流速水流消減能量，安全輸送至下游河道的消能設(shè)施，在各種大、中、小型水利水電工程中廣泛采用。消力池以平底“U”型整體式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)型式最為常見[5]。消力池主要由3部分組成：陡坡段、池身段、明渠段。各部分細(xì)分后結(jié)構(gòu)型式有：豎曲線段、漸變段、反坡段、反弧段等。這種消力池基本體型為“U”型槽，除了有池長、池寬、池深、墻高等幾十個基本控制參數(shù)外，其邊墻、底板型式多樣，具有分段長、高度、寬度、坡度、弧度等多種控制參數(shù)。消力池有多種附屬結(jié)構(gòu)，如齒墻、尾坎、拉桿等，消力池還有多種輔助消能工[6]，如消力墩、懸柵、挑流坎等，其體型也需要很多控制參數(shù)(為體現(xiàn)模型的主要設(shè)計(jì)思維，模型中暫未考慮輔助消能工)。大量控制參數(shù)意味著存在較大的設(shè)計(jì)難度和工作量，尤其在設(shè)計(jì)方案比選工程中，改變其中的任意一個參數(shù)，對消力池的結(jié)構(gòu)型式都會帶來變化。對于采用平面設(shè)計(jì)軟件來說，每一次結(jié)構(gòu)型式的改變，都需要工程師們花費(fèi)大量的時間去修改和調(diào)整。大量的無謂方案比選所帶來的是低效的重復(fù)勞動，是工程師的噩夢。但對于同類的、基本相似的結(jié)構(gòu)型式之間的關(guān)聯(lián)度是很高的，利用Inventor三維設(shè)計(jì)軟件將其控制尺寸參數(shù)化，并將各參數(shù)之間關(guān)聯(lián)起來，建立建筑物模型，使得建筑物重建變得容易而高效，能夠更好地反映出不同設(shè)計(jì)方案之間的特點(diǎn)和差異，從而使工程師更快地表達(dá)設(shè)計(jì)意圖，尋找最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

Inventor為機(jī)械設(shè)計(jì)提供的三維設(shè)計(jì)軟件，有其行業(yè)的優(yōu)勢和特點(diǎn)。機(jī)械零件容易形成標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，其零件庫非常豐富，設(shè)計(jì)過程中使用起來更加方便、快捷。Inventor在水利水電工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用起步相對較晚，零件庫內(nèi)容較少，共享程度不高。再加上水工建筑物結(jié)構(gòu)型式受地形、地質(zhì)條件等制約因素影響較大，難以形成標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，使得Inventor在水利水電工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用發(fā)展較慢。

但是作為一款優(yōu)秀的三維設(shè)計(jì)軟件，在科學(xué)、合理的設(shè)計(jì)思維指導(dǎo)下，以Inventor在建模中強(qiáng)大的功能為基礎(chǔ)，充分利用Inventor軟件特點(diǎn)，采用有效的設(shè)計(jì)方法，是完全可以快速高效地建立水工建筑物Inventor模型的。

1 工程概況及建筑物結(jié)構(gòu)型式

本文所依托工程為迪那河五一水庫工程，位于新疆輪臺縣。水庫工程由大壩、溢洪洞、導(dǎo)流兼泄洪沖砂洞、發(fā)電引水系統(tǒng)和供水管線等主要建筑物組成，水庫正常蓄水位1370.0m，最大壩高102.5m，總庫容0.995億m3。工程規(guī)模屬Ⅲ等中型。導(dǎo)流兼泄洪沖砂洞出口段消力池設(shè)計(jì)泄量772.99m3/s，上下游水頭差為82.11m[7]。

導(dǎo)流兼泄洪沖砂洞出口段消力池由陡坡擴(kuò)散段(以下簡稱陡坡段)、池身段、明渠段三部分構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 消力池Inventor三維模型

陡坡段總長60.494m。其中前段渥奇曲線段長17.558m，曲線方程y=0.02793x+0.0049x2；中段陡坡坡度1∶5；末段采用反弧與消力池相接，圓弧圓心角11.310°，半徑60m。陡坡段為鋼筋混凝土整體式結(jié)構(gòu)，寬度由6.5m漸變到16m，墻高由10.6m漸變到20m。池身段總長87m，為鋼筋混凝土整體式結(jié)構(gòu)，寬16m，池深5.132m，邊墻高20m。明渠段總長48.943m，為鋼筋混凝土整體式結(jié)構(gòu)，寬16m。其中反坡段長18.943m，坡度i=-0.125，墻高12.5～14.868m；緩坡段長30m，坡度i=0.001，墻高12.5m。消力池還包括齒墻、尾坎、拉桿等結(jié)構(gòu)。消力池基本分段長為10m，其余段長滿足6m≤L≤12m原則分段，整個消力池共有20個分段。

2 建模設(shè)計(jì)思維研究

采用什么樣的設(shè)計(jì)思維建模，體現(xiàn)了設(shè)計(jì)者對建筑物特點(diǎn)和軟件功能的理解[8]。好的建模思維可以更高效、準(zhǔn)確地表達(dá)設(shè)計(jì)意圖。消力池Inventor建模設(shè)計(jì)思維主要體現(xiàn)在以下方面。

2.1 提高模型適應(yīng)性

建立三維模型時，應(yīng)使其盡可能的適應(yīng)不同工程條件，能夠表達(dá)同類建筑物在不同條件下的特征。其它工程不再重新建模，使用時只需在與其關(guān)聯(lián)的Excel表中輸入基本數(shù)據(jù)，就能形成本工程的三維模型。這是三維模型設(shè)計(jì)的目的之一。

設(shè)計(jì)時應(yīng)充分考慮影響建筑物結(jié)構(gòu)型式的各種因素，建立起與建筑物各部位結(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)聯(lián)，使模型能夠按照設(shè)計(jì)意圖靈活修改，從而大大減少制圖工作量，讓設(shè)計(jì)者把主要精力投入到設(shè)計(jì)方案研究中去。這也是三維模型設(shè)計(jì)的優(yōu)勢之一。

2.2 充分考慮協(xié)同化設(shè)計(jì)

協(xié)同化設(shè)計(jì)思維應(yīng)該貫穿于設(shè)計(jì)始終。所有組件有明晰的標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)調(diào)的邏輯關(guān)系，是成功創(chuàng)建一個三維模型的基礎(chǔ)。三維模型不但要保證其中的各零件、各部件都按照既定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行創(chuàng)建和裝配，而且每一組成部分之間都應(yīng)具有協(xié)調(diào)性。協(xié)同化設(shè)計(jì)可以基于一個草圖，在這個草圖發(fā)生改變之后，所有利用這個草圖創(chuàng)建的零件能夠自動跟隨改變。

2.3 充分考慮快速建模

Inventor設(shè)計(jì)中，我們希望把特征差異較小的不同型號的零件系列化，進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)用和管理，進(jìn)而提高設(shè)計(jì)效率。但水工建筑物特點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)差異性較大、難以系列化的構(gòu)件較多。比如消力池“U”型槽的底板可能是直線，也可能是圓弧，還可能是三維曲線，甚至是這些型式的組合，參數(shù)繁多、型式千差萬別；U型槽還有齒墻、拉桿、尾坎等附屬結(jié)構(gòu)，種類多樣?；谝陨咸攸c(diǎn)，在各種型式的結(jié)構(gòu)體中找出共性，將其參數(shù)化，找到快速創(chuàng)建零件的方法，變得十分重要，見表1。

表1 消力池參數(shù)表

3 實(shí)現(xiàn)建模設(shè)計(jì)思維的途徑和方法

3.1 充分參數(shù)化提高模型適應(yīng)性

泄洪建筑物消力池基本體型是由水力學(xué)計(jì)算和模型試驗(yàn)確定的，影響因素主要包括設(shè)計(jì)泄洪流量、上下游水頭、河道高程、河道水深等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。消力池體型包括池長、池寬、池深、邊墻高度等幾十種基本尺寸。將水力學(xué)計(jì)算和模型試驗(yàn)結(jié)果與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系在Excel表中建立起關(guān)聯(lián)，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的變化，將引起與之關(guān)聯(lián)的參數(shù)的更新，就可以自動生成新的消力池的三維模型[9]。這在工程方案比選中，可直觀反映出建筑物體型變化，并可直接得到相應(yīng)方案的工程量，大大提高了設(shè)計(jì)效率。

對影響消力池結(jié)構(gòu)變化的尺寸全部參數(shù)化，共有參數(shù)116個，其中手動輸入?yún)?shù)的基本參數(shù)49個。

3.2 利用衍生縱剖面草圖協(xié)同化設(shè)計(jì)

在三維設(shè)計(jì)中，有兩種常見的設(shè)計(jì)方法，就是自頂向下和自底向上進(jìn)行設(shè)計(jì)。自頂向下的設(shè)計(jì)，其核心就是創(chuàng)建整體的骨架，以及基于骨架驅(qū)動整體的方法[10]。由于水工建筑物結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各部分聯(lián)系緊密，建筑物縱剖面集合了大部分的設(shè)計(jì)要素。在消力池三維設(shè)計(jì)中，采用了基于衍生縱剖面草圖進(jìn)行零件創(chuàng)建的方法(如圖2—5所示)，縱剖面草圖就是消力池的骨架，主要有以下特點(diǎn)：

(1)各零件采用相同的定位標(biāo)準(zhǔn)，且各零件位置均可在縱剖面草圖上予以定義。將消力池起點(diǎn)與原點(diǎn)建立關(guān)聯(lián)，零件裝配時僅需“在原點(diǎn)處固定放置”，無需再通過“約束”、“聯(lián)接”等關(guān)系功能進(jìn)行裝配，避免零件出現(xiàn)干涉等問題[11]，使得零件裝配過程準(zhǔn)確、簡單、高效。

(2)零件的拉伸長度、放樣軌跡、掃掠路徑均在縱剖面圖草圖上定義，零件創(chuàng)建時無需再單獨(dú)制作輔助草圖。如底板中心線可以作為陡坡豎曲線段零件放樣時的軌道草圖，也可作為明渠緩坡段零件掃略的路徑草圖。如圖3—4所示。

(3)衍生的縱剖面草圖可直接作為創(chuàng)建零件的草圖，在該縱剖面草圖上甚至無需做圖元投影即可完成零件的創(chuàng)建。如拉桿、齒墻和尾坎的創(chuàng)建等。

(4)在衍生的縱剖面草圖上可以完成零件的定位、斷面形式等重要特征，在該零件創(chuàng)建時，可以在此基礎(chǔ)上繼續(xù)下一步工作，即可完成該零件的創(chuàng)建。如圖5所示，拉桿的定位、斷面形式等特征在縱剖面草圖統(tǒng)一定義，在創(chuàng)建拉桿零件時，直接在衍生的縱剖面草圖上增加欄桿拉伸長度特征后，即完成了拉桿零件的創(chuàng)建。

(5)衍生的縱剖面草圖及輔助線在零件創(chuàng)建時可用于零件實(shí)體正確性、相對位置關(guān)系準(zhǔn)確性等的檢查。如在陡坡豎曲線段和反弧段創(chuàng)建時可以檢查實(shí)體的精確度；又如池身中間標(biāo)準(zhǔn)段的位置、個數(shù)在參數(shù)改變后是否正確，通過縱剖面草圖就可以直觀看到，無需等到零件創(chuàng)建完畢進(jìn)行組裝時才去判斷其準(zhǔn)確性。

圖2 消力池縱剖面草圖

圖3 陡坡豎曲線段(半剖視圖)

圖4 明渠緩坡段(半剖視圖)

圖5 拉桿(半剖視圖)

基于衍生縱剖面草圖進(jìn)行零件創(chuàng)建，也就是采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，提高了各零件設(shè)計(jì)的協(xié)同性，提高了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，從而大大提高設(shè)計(jì)效率。

3.3 利用“草圖零件”+iFeature快速建模

消力池的基本結(jié)構(gòu)型式是“U”型槽。根據(jù)這一結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，基本結(jié)構(gòu)零件的創(chuàng)建考慮可在垂直水流方向建立草圖，在順?biāo)鞣较虿捎美?、放樣、掃掠等功能?chuàng)建實(shí)體零件[12]。但整個消力池共有20個分段，由于除池身標(biāo)準(zhǔn)段和明渠緩坡標(biāo)準(zhǔn)段外，各分段結(jié)構(gòu)型式差異較大。采用常規(guī)方法創(chuàng)建零件的工作量很大、效率低。因此，如何快速在垂直水流方向建立草圖成為快速創(chuàng)建零件的關(guān)鍵。

本人在實(shí)踐中采用了利用“草圖零件”+iFeature快速建模的方法，并提出“草圖零件”這一概念。

所謂“草圖零件”，就是僅含有草圖特征的零件，也即不含有實(shí)體特征的零件。目的是減少特征數(shù)量和簡化建模步驟，便于對特征草圖的修改和特征的重新提取，也便于新建特征草圖。首先創(chuàng)建“U”型槽橫剖面草圖，其參數(shù)變量主要包括：底寬、墻高、底板厚度、邊墻厚度、不等厚墻高、墻頂厚度、貼腳高度、貼腳坡度等。如圖6所示。草圖編輯完成后，將“U”型槽橫剖面“提取iFeature”，保存為*.ide文件。創(chuàng)建新零件時，在指定位置通過“插入iFeature”，同時修改相應(yīng)參數(shù)，完成草圖的創(chuàng)建，再通過拉伸、放樣、掃掠等完成零件的創(chuàng)建。如圖7所示。

圖6 消力池“草圖零件”

圖7 插入“草圖零件”iFeature(半剖視圖)

“草圖零件”+iFeature快速快速創(chuàng)建截面草圖的方法，解決了快速創(chuàng)建零件的核心問題，針對水工建筑物結(jié)構(gòu)復(fù)雜、差異性較大的特點(diǎn)，這種方法顯得尤為簡便、高效。

3.4 利用陣列功能裝配標(biāo)準(zhǔn)零件

本工程消力池池身標(biāo)準(zhǔn)段長共有8段，若采用逐個放置的辦法當(dāng)然可實(shí)現(xiàn)池身段的裝配，但效率較低而且沒有必要。

池身標(biāo)準(zhǔn)段除了首段實(shí)體底部含有齒墻，而其它段沒有以外，各段基本結(jié)構(gòu)型式相同，優(yōu)先考慮使用陣列功能。但由于Inventor“三維模型”菜單中“陣列”命令無法實(shí)現(xiàn)在新建實(shí)體中抑制齒墻的陣列，致使新建實(shí)體都帶有齒墻，不符合設(shè)計(jì)意圖；若采用“陣列特征”功能的結(jié)果是8個標(biāo)準(zhǔn)段形成了一個實(shí)體，導(dǎo)致最終設(shè)計(jì)圖紙無法表達(dá)池身分段型式，也不適合選用。因此，池身首段應(yīng)單獨(dú)創(chuàng)建，其后7個標(biāo)準(zhǔn)段采用陣列創(chuàng)建。如圖8所示。明渠緩坡段共有3段標(biāo)準(zhǔn)段，其上游側(cè)2個標(biāo)準(zhǔn)段也可以采用陣列創(chuàng)建。

圖8 池身中間段陣列(3/4剖視圖)

3.5 增加截面草圖提高模型精確度

Inventor的放樣、掃掠功能在采用曲線軌道、跡線創(chuàng)建實(shí)體時，與理論實(shí)體有時差異較大，精確度不高。如陡坡豎曲線段，底板為握奇線，墻頂水平。零件創(chuàng)建時，若采用始端、末端截面草圖進(jìn)行放樣時，零件實(shí)體頂部鼓起，相對于理論實(shí)體變形較大。如圖9所示。

圖9 兩個截面草圖創(chuàng)建的零件(半剖視圖)

在該段中部插入截面草圖，采用三個截面草圖進(jìn)行放樣后，零件實(shí)體與理論實(shí)體相似度大大提升，精確度得到提高。如圖10所示。若精確度仍然不高，可以利用“草圖零件”+iFeature快速創(chuàng)建草圖的優(yōu)勢，繼續(xù)內(nèi)插截面草圖，采用多個截面草圖進(jìn)行放樣。

圖10 三個截面草圖創(chuàng)建的零件(半剖視圖)

4 結(jié)語

本文以消力池Inventor建模為研究對象，根據(jù)水工建筑物的特點(diǎn)，充分利用Inventor的強(qiáng)大功能，提出了在水工建筑物Inventor三維設(shè)計(jì)中提高模型適應(yīng)性、提高設(shè)計(jì)協(xié)同化、以及快速高效建模的思維模式；提出了充分利用“草圖零件”+iFeature、陣列功能等快速高效建模的方法，以及增加截面草圖提高模型精確度的方法。對提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮短設(shè)計(jì)開發(fā)周期大有裨益，并對水利水電行業(yè)Inventor三維設(shè)計(jì)提供借鑒。本次研究主要針對水利工程的初步設(shè)計(jì)階段深度，隨著工程設(shè)計(jì)階段的推進(jìn)，模型需要進(jìn)一步細(xì)化，參數(shù)需要進(jìn)步擴(kuò)展。