常規(guī)水工建筑物參數(shù)化設(shè)計(jì)方法與應(yīng)用

查松山，王亞東，謝玉強(qiáng)

(中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司，安徽 合肥 230601)

近年來，計(jì)算機(jī)輔助制圖技術(shù)得到了極大發(fā)展，在某些領(lǐng)域甚至達(dá)到了替代傳統(tǒng)手繪的程度。從最初的手工繪制到二維計(jì)算機(jī)制圖以及近幾年的三維設(shè)計(jì)，工程領(lǐng)域在設(shè)計(jì)制圖方式上發(fā)生了極大的變化。三維設(shè)計(jì)也逐漸走進(jìn)水利工程行業(yè)中[1]。三維模型較強(qiáng)的直觀性，能夠很好地展示模型結(jié)構(gòu)信息[2]，呈現(xiàn)工程建筑建成情況，符合人類設(shè)計(jì)習(xí)慣，具有較強(qiáng)的優(yōu)越性[3]，使其在眾多企業(yè)和實(shí)際工程項(xiàng)目中得以應(yīng)用[4]。除此之外，隨著工程設(shè)計(jì)建造經(jīng)驗(yàn)的積累，以及基礎(chǔ)力學(xué)地質(zhì)學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科知識的研究，各個行業(yè)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)逐漸完善，使得設(shè)計(jì)工作逐漸向規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、參數(shù)化方向發(fā)展。

在參數(shù)化設(shè)計(jì)方面，國內(nèi)外學(xué)者及工程人員進(jìn)行了大量開發(fā)和應(yīng)用嘗試，為參數(shù)化設(shè)計(jì)發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。從20世紀(jì)60年代，Bezier和De Casteljau開發(fā)了包含基本的2D模型和曲線的新模塊，到Coon和Ferguson創(chuàng)建的3D線框和表面拼接的CAD建模工具。1963年，Sutherland對新繪圖方法的研究，代表著參數(shù)化設(shè)計(jì)的技術(shù)和方法成為可能[5]。為之后的軟件開發(fā)及參數(shù)化設(shè)計(jì)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。20世紀(jì)80—90年代，相對成熟的參數(shù)化設(shè)計(jì)被應(yīng)用到飛機(jī)、輪船和汽車等制造業(yè)中。1997年建筑行業(yè)參數(shù)化設(shè)計(jì)也開始起步，如弗蘭克·蓋里負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)的古根海姆博物館，由此導(dǎo)致傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)技術(shù)向三維設(shè)計(jì)技術(shù)轉(zhuǎn)變[6]。2013年李端陽、劉晶等人利用參數(shù)化建模軟件Generative Components(GC)實(shí)現(xiàn)水電站廠房蝸殼三維參數(shù)化建模，通過調(diào)整控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)多方案快速比選，極大提升了設(shè)計(jì)效率[7]。2018年管華明基于MicroStationCE平臺，采用MDL C++語言，以六角頭螺栓C級零件為例，介紹了三維參數(shù)化模型庫框架的實(shí)現(xiàn)方法，有效提高了設(shè)計(jì)人員的生產(chǎn)效率[8]。2020年，趙寅、于洪鑫等人采用Dynamo for Revit實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜邊坡開挖支護(hù)三維參數(shù)化設(shè)計(jì)，快速創(chuàng)建了精度高、可視化效果強(qiáng)的三維模型，體現(xiàn)了三維參數(shù)化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)[9]。

1 存在的問題

三維設(shè)計(jì)發(fā)展至今，模型參數(shù)化設(shè)計(jì)方法眾多，各專業(yè)領(lǐng)域不同，參數(shù)化軟件平臺也不盡相同。相對于房屋建筑、機(jī)械制造和市政工程等行業(yè)，針對性的參數(shù)化設(shè)計(jì)模塊較多，如Catia、Bentley和Autodesk等的參數(shù)化模型庫。而專門用于水利行業(yè)參數(shù)化設(shè)計(jì)的技術(shù)模塊偏少，如類似于樓梯、門窗、彎管、閥門等水工建筑物的參數(shù)化構(gòu)件。

在水利工程行業(yè)中，與大型拱壩泵站參數(shù)化研究相比，關(guān)于中小型常規(guī)水工建筑物三維參數(shù)化建模研究的內(nèi)容相對較少。傳統(tǒng)三維建模方法，對于同類型不同尺寸的水工建筑物而言，重復(fù)性較高，建模效率較低。因此將中小型常規(guī)水工建筑物進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，創(chuàng)建專屬模型庫對于提升水工三維模型創(chuàng)建效率，方便工程設(shè)計(jì)人員方案比選和施工設(shè)計(jì)圖出圖速度等方面具有較大的現(xiàn)實(shí)價(jià)值和實(shí)用意義。

2 參數(shù)化模型的意義

參數(shù)化設(shè)計(jì)本質(zhì)上是一種設(shè)計(jì)方法，不僅可以用于非線性建筑設(shè)計(jì)，在傳統(tǒng)類型的建筑設(shè)計(jì)中也可以運(yùn)用[10]。與形態(tài)各異曲線錯綜復(fù)雜的建筑表皮的房屋建筑行業(yè)相比，傳統(tǒng)水利行業(yè)建筑形式較為簡約，參數(shù)化設(shè)計(jì)更為容易。

對于水閘、涵洞、擋土墻、鋪蓋等常規(guī)水工建筑物，在中小型水利工程及大型水利工程的附屬建筑物中比較常見，且數(shù)量眾多，如果采用傳統(tǒng)方法創(chuàng)建三維模型，重復(fù)勞動較多，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。不難發(fā)現(xiàn)該類建筑物具有設(shè)計(jì)工作流程類似，結(jié)構(gòu)簡單，涉及專業(yè)相對較少的特點(diǎn)，具有模塊化、參數(shù)化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)?？煽紤]對常規(guī)水工建筑物主體進(jìn)行參數(shù)化建模。對于某一類型的建筑物，只要初始建立一個合適的參數(shù)化模型，后續(xù)同類建筑物可以通過修改參數(shù)來達(dá)到建立模型的目的。水工建筑物參數(shù)化建模具有以下優(yōu)點(diǎn)。

(1)提升建筑物三維模型創(chuàng)建速度。常規(guī)水工建筑物結(jié)構(gòu)較為相似，構(gòu)件重復(fù)率較高，參數(shù)化模型構(gòu)建可根據(jù)工程需要調(diào)整控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)快速建模的目的，為后期模型應(yīng)用和施工圖繪制提供條件。

(2)提高建筑物三維模型精創(chuàng)建準(zhǔn)度。在工程實(shí)際建模過程中，軟件偶爾會出現(xiàn)捕捉錯誤致使結(jié)構(gòu)模型精度不足，或限于地理?xiàng)l件出現(xiàn)異形結(jié)構(gòu)，如圓弧異形擋土墻、異形鋪蓋和消力池等結(jié)構(gòu)。因有高程、角度或弧線限制，傳統(tǒng)建模手段會出現(xiàn)模型尺寸精度不足的情況，將模型參數(shù)化可大大提高建筑物三維模型精創(chuàng)建準(zhǔn)度。

(3)實(shí)現(xiàn)相關(guān)建筑物工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化。工程建設(shè)不同于其他制造行業(yè)，因其受外部邊界條件和工程地質(zhì)的影響，使得在實(shí)際工程中并無完全相同的兩項(xiàng)工程。但在邊界類型相同或類似的工程中，因設(shè)計(jì)人員不同使得同類構(gòu)件結(jié)構(gòu)形式不盡相同，增加設(shè)計(jì)工作及施工成本。在對工程進(jìn)行歸類統(tǒng)一的基礎(chǔ)上將其參數(shù)化，創(chuàng)建水工建筑物參數(shù)化模型庫，便于方案調(diào)整調(diào)用，避免重復(fù)勞動，可有效提升工程設(shè)計(jì)效率，是實(shí)現(xiàn)常規(guī)水工建筑物結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的需要。

常見的水工建筑物種類眾多，對于局部異形結(jié)構(gòu)，可采用常規(guī)手段建模調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。

3 常規(guī)水工建筑物參數(shù)化建模

現(xiàn)今各大三維設(shè)計(jì)軟件廠商，關(guān)于參數(shù)化設(shè)計(jì)均有各自的功能模塊，優(yōu)缺點(diǎn)各異。其中Bentley公司的OpenBuildings Designer軟件在參數(shù)化設(shè)計(jì)方面參考了GC系統(tǒng)特點(diǎn)[11]，具有較強(qiáng)的靈活性可創(chuàng)建各類三維幾何體，支持多種集合和邏輯可能性，且能夠記錄模型創(chuàng)建方式，為三維設(shè)計(jì)工作提供了新方式。本文采用OpenBuildings Designer 軟件，以擋土墻、箱涵和水閘為例，對參數(shù)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行介紹，具體方法如下。

3.1 水工擋土墻參數(shù)化

擋土墻主要用于支承填土或山坡土體，防止填土或土體變形失穩(wěn)物。在水利工程中擋土墻是較為常見的建筑物[12]。

擋土墻分類方法眾多，為方便參數(shù)化設(shè)計(jì)，本文根據(jù)擋土墻結(jié)構(gòu)形式將其分為：重力式擋土墻、懸臂式擋土墻、扶壁式擋土墻、空箱式擋土墻等。且根據(jù)平面布置形式又可分為直線型和弧線型。在此以扶壁式擋土墻為例介紹參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，主要建模思路如圖1所示。

圖1 建模流程圖

3.1.1參數(shù)化模塊分析

扶壁式擋土墻根據(jù)常規(guī)結(jié)構(gòu)形式，可將其分成不同模塊，如立板、底板、扶壁、齒墻、壓頂和貼腳等。根據(jù)不同模塊分別創(chuàng)建控制參數(shù)，通過邊界約束條件，組合完成設(shè)計(jì)。

3.1.2定義參數(shù)變量

在建模模式下約束選項(xiàng)卡-尺寸標(biāo)注-變量中，定義擋土墻參數(shù)并賦予初始值(建議采用常規(guī)尺寸賦值)，如圖1所示。其中參數(shù)化變量可通過兩種方式創(chuàng)建：①直接在局部變量中定義并賦值；②在項(xiàng)類型中先定義擋土墻項(xiàng)類型庫，再定義扶壁式項(xiàng)類型，之后定義參數(shù)變量。區(qū)別如圖2中扶壁式屬性區(qū)和變量屬性區(qū)。對于模型倒角，水平與豎直尺寸可分別賦值或采用倒角斜邊和倒角角度兩種方法，如圖3所示。根據(jù)方法2創(chuàng)建的模型參數(shù)，當(dāng)其以cell文件格式放置項(xiàng)目中時(shí)，在屬性欄具有自定義屬性參數(shù)屬性區(qū)，方便后期模型參數(shù)調(diào)整更新。

圖2 參數(shù)定義界面

圖3 倒角方法示意圖

3.1.3創(chuàng)建參數(shù)化模型

擋土墻底板和前墻立板橫截面的創(chuàng)建，可采用一體式創(chuàng)建或分塊創(chuàng)建。根據(jù)擋墻形式合理確定主要約束關(guān)系(如平行、垂直或重合)，并對變量賦予初始值，如圖4所示。建模過程中建議通過固定其中一邊或者兩邊為基準(zhǔn)邊界，避免參數(shù)修改時(shí)模型更新方向不定，軟件卡頓或者出現(xiàn)錯誤。

圖4 扶壁式擋土墻斷面參數(shù)定義

直線型擋墻可直接在建模模式下，實(shí)體拉伸，點(diǎn)擊右側(cè)(x)圖標(biāo)，對其進(jìn)行參數(shù)賦值，由此控制擋土墻長度(如圖5所示)；亦或創(chuàng)建擋墻縱向邊線賦值?；【€型擋土墻須采用放樣方法，具體步驟為：首先創(chuàng)建擋墻放樣弧線并固定其頂點(diǎn)(宜與橫斷面固定點(diǎn)重疊)；之后須確定弧線半徑R和弧線角度A兩個參數(shù)，在此須通過輔助線控制弧線角度(如圖6所示)；測試弧線可根據(jù)設(shè)計(jì)意向?qū)崿F(xiàn)指定功能時(shí)，可對扶壁式擋墻底板及前墻立板進(jìn)行放樣并測試。

圖5 拉伸距離參數(shù)定義

圖6 放樣曲線及陣列界面

扶壁創(chuàng)建過程同底板和前墻立板。其中扶壁個數(shù)，可采用陣列中沿線陣列方式實(shí)現(xiàn)，但陣列沿線須重新繪制并賦值及添加限制條件，如圖4所示。為確保兩側(cè)扶壁貼合前墻，可先定義兩側(cè)扶壁，后陣列中間扶壁，陣列弧線長度可通過陣列角度和半徑控制。因陣列個體個數(shù)不得小于2，該種方式僅適用于扶壁個數(shù)不少于3個的情況，對于扶壁個數(shù)僅2個或異形扶壁式擋土墻可單獨(dú)創(chuàng)建參數(shù)化模型或采用他方式實(shí)現(xiàn)。

模型的不足：在弧線形扶壁式擋土墻參數(shù)化建模過程中，扶壁創(chuàng)建方式與底板和前墻立板采用的弧線放樣不同，因扶壁為等厚結(jié)構(gòu)，扶壁墻踵側(cè)延厚度方向的邊線為直線。當(dāng)其與墻踵邊緣(弧線形)平齊時(shí)，無法實(shí)現(xiàn)完全貼合，模型精度降低。該問題暫未得到解決，相信在以后的研究工作中同行業(yè)工作者定能解決實(shí)現(xiàn)弧線形參數(shù)化扶壁式擋土墻高精度精準(zhǔn)建模。

3.1.4檢測調(diào)試

模型建成后，需對參數(shù)化模型的參數(shù)變量逐一測試，確定適用范圍(如陣列個數(shù))，經(jīng)測試在適用范圍內(nèi)模型無報(bào)錯。

3.2 箱涵參數(shù)化

箱涵是指洞身以鋼筋混凝土箱形管節(jié)修建的涵洞，在水利工程中較為常見。其主要用于輸水或泄水，根據(jù)過流量的大小及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求可分為單孔、兩孔和多孔。參數(shù)化方式可分為兩種：①根據(jù)孔數(shù)分別創(chuàng)建不同參數(shù)化模型文件；②除單孔和兩孔箱涵外，多孔箱涵采用陣列方式創(chuàng)建參數(shù)化模型文件(如圖7所示)。

圖7 中隔墻陣列示意圖

參數(shù)化模型創(chuàng)建流程同參數(shù)化擋土墻。對于多孔箱涵的創(chuàng)建方式不同，優(yōu)缺點(diǎn)也不相同。方法1：優(yōu)點(diǎn)是參數(shù)變量便于控制，不易出現(xiàn)限制條件沖突報(bào)錯問題；缺點(diǎn)對3孔及以上箱涵需分別創(chuàng)建參數(shù)化模型文件，創(chuàng)建模型較多工作量較大。方法2：優(yōu)點(diǎn)是對于孔數(shù)大于2的箱涵結(jié)構(gòu)可通過陣列方式創(chuàng)建中隔墻，根據(jù)箱涵孔數(shù)控制陣列個數(shù)(不小于2)，相較于方法1模型文件個數(shù)急速較少，模型調(diào)用方便，減少使用者熟悉學(xué)習(xí)成本，提升建模工作效率；缺點(diǎn)是當(dāng)參數(shù)數(shù)值設(shè)置不合理時(shí)容易出現(xiàn)約束條件沖突失效，模型報(bào)錯，調(diào)試時(shí)間較長等。

3.3 水閘參數(shù)化

水閘是修建在河道或渠道上利用閘門調(diào)節(jié)水位和控制流量的低水頭水工建筑物。根據(jù)泄水特點(diǎn)和運(yùn)行要求，閘室結(jié)構(gòu)形式分為開敞式、涵洞式、胸墻式或雙層式等[13]。在此以開敞式水閘為例，對其進(jìn)行參數(shù)化建模(如圖8所示)。

圖8 參數(shù)水閘

根據(jù)水閘結(jié)構(gòu)形式，將其拆分成底板、邊墩、中墩、閘門槽二期混凝土等模塊，并分別對以上模塊創(chuàng)建參數(shù)，以對其進(jìn)行參數(shù)化建模。建模流程及基本操作同參數(shù)化擋土墻和參數(shù)化箱涵相同。閘孔個數(shù)建模方法可參照參數(shù)化箱涵中隔墻。對于二期閘門槽二期混凝土，可采用傳統(tǒng)建模方式或單獨(dú)創(chuàng)建閘門槽二期混凝土參數(shù)化模型。單獨(dú)分開建模優(yōu)點(diǎn)是能夠減少單個模型參數(shù)變量個數(shù)，避免約束條件過于繁雜，當(dāng)參數(shù)數(shù)值設(shè)置不合理時(shí)，模型沖突報(bào)錯，參數(shù)調(diào)整時(shí)軟件運(yùn)行時(shí)間長等弊端。

4 結(jié)語

不同于國內(nèi)其他類似三維建模方法及為實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模進(jìn)行的二次開發(fā)研究。本文基于Bentley公司開發(fā)的OpenBuildings Designer軟件，采用軟件自帶參數(shù)化模塊功能，對常規(guī)水工建筑物參數(shù)化建模設(shè)計(jì)方法進(jìn)行介紹，并以擋土墻、箱涵和水閘為例詳細(xì)展示了參數(shù)化建模方法，并簡要分析不同建模方式的優(yōu)缺點(diǎn)。模型主要采用了化整為零的思路，如將水閘分為底板、邊墩和中墩等對其進(jìn)行參數(shù)化建模。避免了水利工程類設(shè)計(jì)人員二次開發(fā)帶來的較長時(shí)間學(xué)習(xí)成本，建模方法簡單易操作，為同類型模型創(chuàng)建提升工作效率，減少重復(fù)勞動。該參數(shù)化建模方法可為廣大工程類從業(yè)人員提供參考，具有較大的使用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。