SolidWorks 在水工金屬結(jié)構(gòu)BIM 設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

劉天祥，黃海楊，張 晴

（浙江省水利水電勘測設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，浙江 杭州 310002）

1 問題的提出

工程勘測設(shè)計(jì)是水利水電工程建設(shè)中的重要環(huán)節(jié)和依據(jù)，設(shè)計(jì)手段變遷共經(jīng)歷了3 個(gè)時(shí)代，即手工繪圖時(shí)代、電腦CAD 輔助設(shè)計(jì)時(shí)代、BIM 三維協(xié)同設(shè)計(jì)時(shí)代，三維設(shè)計(jì)手段已經(jīng)成為工程設(shè)計(jì)必然發(fā)展方向與趨勢[1]。2011 年，浙江省水利水電勘測設(shè)計(jì)院（以下簡稱“勘測設(shè)計(jì)院”）金屬結(jié)構(gòu)所在對(duì)三維設(shè)計(jì)軟件廣泛調(diào)研后引進(jìn)SolidWorks 軟件，率先開展三維設(shè)計(jì)試應(yīng)用，取得實(shí)質(zhì)性成果。并于2015 年11 月正式啟動(dòng)三維協(xié)同設(shè)計(jì)工作，引進(jìn)歐特克公司Revit 系列軟件構(gòu)建的BIM 三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)[2]，正式從CAD 二維繪圖時(shí)代向三維設(shè)計(jì)時(shí)代邁進(jìn)，以適應(yīng)水利行業(yè)信息化、數(shù)字化發(fā)展趨勢的客觀需要，滿足業(yè)主對(duì)設(shè)計(jì)成果可視化、直觀化及工程全生命周期信息化的需求。

結(jié)合金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)已有三維設(shè)計(jì)成果，文章主要介紹三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks 在閘門、啟閉設(shè)備、清污設(shè)備、壓力鋼管等常見金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備設(shè)計(jì)和建模中的應(yīng)用現(xiàn)狀、BIM 三維協(xié)同設(shè)計(jì)中難點(diǎn)和處理方案及下一階段的應(yīng)用展望。

2 金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)BIM 應(yīng)用成果

2.1 SolidWorks 軟件簡介

SolidWorks[3]是由美國SolidWorks 公司推出的三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)，是一個(gè)大型軟件包，由多個(gè)功能模塊組成，每一個(gè)功能模塊都有自己獨(dú)立的功能。設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)需要調(diào)用其中的某一個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，不同的功能模塊創(chuàng)建的文件有不同的文件擴(kuò)展名，主要有草圖繪制、零件設(shè)計(jì)、裝配模塊、工程圖模塊、鈑金設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)仿真等。

利用SolidWorks 建模首先基于整體角度研究將要建模的零件，分析其特征，明確不同特征之間的關(guān)系和內(nèi)在聯(lián)系，確定零件特征的創(chuàng)建順序，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行建模、添加工程特征。通過二維平面草圖的旋轉(zhuǎn)、拉伸、掃描和混合等工具實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體模型的構(gòu)建。SolidWorks 建模的一般過程如下：①建立或選取基準(zhǔn)特征作為模型空間定位的基準(zhǔn)：如基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)軸和基準(zhǔn)坐標(biāo)系等，建立每個(gè)實(shí)體特征時(shí)，都要利用基準(zhǔn)特征作為參照；②建立基礎(chǔ)實(shí)體特征：拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、混合等；③建立工程特征：孔、倒角、肋、拔模等；④特征的修改：特征陣列、特征復(fù)制等編輯操作；⑤添加材質(zhì)和渲染處理。

在應(yīng)用中，SolidWorks 軟件為三維模型之間的轉(zhuǎn)換和利用提供了較好的數(shù)據(jù)接口，可與Revit、Inventor 等歐特克BIM 平臺(tái)軟件直接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，也可通過建模分析一體化功能將SolidWorks模型導(dǎo)入ANSYS 軟件進(jìn)行有限元分析。

2.2 BIM 三維設(shè)計(jì)應(yīng)用

2011 年，勘測設(shè)計(jì)院對(duì)全國水利水電行業(yè)內(nèi)的設(shè)計(jì)單位、科研單位在三維設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用進(jìn)行廣泛專題調(diào)研，綜合比較后最終引進(jìn)SolidWorks 軟件，并成立三維設(shè)計(jì)小組，率先在金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行三維設(shè)計(jì)應(yīng)用，在多個(gè)工程實(shí)踐中取得了實(shí)質(zhì)性成果。

2.2.1 閘門

閘門構(gòu)造種類繁多，平面滑動(dòng)閘門、平面定輪閘門、弧形閘門、翻板閘門、橫拉閘門等均已實(shí)現(xiàn)三維建模（見圖1～2，因設(shè)備眾多，僅舉2 例）。目前金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)領(lǐng)域常見的12 種平面閘門（定輪閘門和滑動(dòng)閘門）已經(jīng)實(shí)現(xiàn)三維參數(shù)化建模，可將三維模型與計(jì)算書無縫對(duì)接并聯(lián)動(dòng)生成二維工程圖[4]。SolidWorks 模型可通過建模分析一體化功能導(dǎo)入ANSYS 軟件進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)分析。

圖1 弧形閘門三維模型圖

對(duì)于結(jié)構(gòu)、布置形式、啟閉運(yùn)行操作等較為復(fù)雜的閘門，金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可利用SolidWorks 軟件進(jìn)行三維動(dòng)畫展示與運(yùn)動(dòng)仿真，更加形象直觀地將設(shè)計(jì)意圖傳遞給業(yè)主，提高可視化程度與溝通效率。

圖2 平面定輪閘門三維模型圖

參數(shù)化設(shè)計(jì)將模型中的定量信息變量化，利用SolidWorks 軟件內(nèi)置方程式定義各零部件尺寸約束和幾何約束等關(guān)系，利用內(nèi)嵌Excel 表格對(duì)模型參數(shù)變量進(jìn)行配置設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)表自動(dòng)生成門葉結(jié)構(gòu)和零部件。利用參數(shù)化模型制作二維工程圖，通過適當(dāng)?shù)囊晥D表達(dá)和尺寸標(biāo)注等操作生成施工圖深度的二維工程圖紙。

門葉結(jié)構(gòu)尺寸標(biāo)注、材料明細(xì)表統(tǒng)計(jì)等工作量繁雜且易出錯(cuò)，基于三維模型中閘門各零部件尺寸、材質(zhì)、重量等特性參數(shù)的定義，SolidWorks 二維工程圖能夠自動(dòng)集成統(tǒng)計(jì)各特性參數(shù)，并按照自定義的明細(xì)表格式輸出到工程圖中。

ANSYS 軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，主要包括前處理模塊、分析計(jì)算模塊和后處理模塊等3 個(gè)部分。SolidWorks 三維模型可以通過連接ANSYS Workbench 等功能快速導(dǎo)入到ANSYS 軟件中進(jìn)行有限元模型分析[5]，閘門門葉多為梁板結(jié)構(gòu)，且設(shè)置大量補(bǔ)強(qiáng)板、構(gòu)造孔，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建模分析一體化功能避免了有限元計(jì)算過程的二次建模，且實(shí)體三維模型有限元分析結(jié)果更加接近實(shí)際荷載約束和應(yīng)力、位移狀態(tài)，提高設(shè)計(jì)計(jì)算效率和計(jì)算精度。

2.2.2 啟閉設(shè)備

常見水工金屬結(jié)構(gòu)啟閉設(shè)備有卷揚(yáng)式啟閉機(jī)、液壓式啟閉機(jī)、螺桿式啟閉機(jī)、電動(dòng)葫蘆、臺(tái)車式啟閉機(jī)、門機(jī)、橋機(jī)等，均實(shí)現(xiàn)三維建模（見圖3～4）。

圖3 固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)三維模型圖

圖4 雙向門機(jī)三維模型圖

2.2.3 清污設(shè)備

常見清污設(shè)備有回轉(zhuǎn)式格柵清污機(jī)、抓斗式清污機(jī)、皮帶式污物輸送機(jī)等，也已實(shí)現(xiàn)三維建模（見圖5～6）。

圖5 回轉(zhuǎn)式格柵清污機(jī)三維模型圖

圖6 抓斗式清污機(jī)三維模型圖

2.2.3 壓力鋼管

SolidWorks 軟件具有曲面設(shè)計(jì)和鈑金設(shè)計(jì)等功能[3]，水電站或引水工程壓力管道系統(tǒng)中的鋼岔管、彎管、錐管等異型管可利用二維體型圖進(jìn)行三維建模，通過全數(shù)字驅(qū)動(dòng)和定位約束功能產(chǎn)生三維線型或曲面，展開并生成各單個(gè)管節(jié)的放樣坐標(biāo)參數(shù)表，相較于傳統(tǒng)作圖法、公式計(jì)算等方法展開更加直觀、可靠，一定程度上提高了展開效率和準(zhǔn)確性（見圖7～8）。

圖7 鋼岔管三維模型圖

圖8 異徑彎管三維模型圖

3 金屬結(jié)構(gòu)BIM 三維協(xié)同設(shè)計(jì)

Revit 軟件是歐特克公司專門針對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)行業(yè)推出的以BIM 為重點(diǎn)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件?；贐IM 技術(shù)基礎(chǔ)，Revit 軟件可實(shí)現(xiàn)三維協(xié)同設(shè)計(jì)，即在三維狀態(tài)中，可與建筑、結(jié)構(gòu)、水暖電等專業(yè)形成完整的BIM 模型?？睖y設(shè)計(jì)院BIM 應(yīng)用實(shí)施以Revit 系列軟件為三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備以及水工、地質(zhì)、水力機(jī)械、電氣、建筑等專業(yè)模型基于統(tǒng)一軸網(wǎng)、原點(diǎn)坐標(biāo)系在Revit 中統(tǒng)一，形成一個(gè)全專業(yè)的完整模型，各專業(yè)在建模過程中可將相關(guān)專業(yè)模型鏈接至本專業(yè)模型中進(jìn)行配合檢查[6]，以提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)和配合中的問題，及時(shí)修正并完善模型，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。利用Revit 系列軟件和Navisworks 軟件將各專業(yè)整合后用BIM 模型進(jìn)行碰撞檢查，以實(shí)現(xiàn)自身及專業(yè)之間的模型碰撞自動(dòng)檢測，并出具相應(yīng)碰撞報(bào)告以便設(shè)計(jì)人員及時(shí)進(jìn)行修改和反饋。

為積極推進(jìn)并配合三維協(xié)同設(shè)計(jì)工作，勘測設(shè)計(jì)院所屬部門金屬結(jié)構(gòu)所多次展開三維設(shè)計(jì)交流分享活動(dòng)，研討并落實(shí)本專業(yè)三維協(xié)同設(shè)計(jì)推廣應(yīng)用、工作目標(biāo)和具體實(shí)施方案。三維協(xié)同設(shè)計(jì)正式啟動(dòng)以來，金屬結(jié)構(gòu)所相繼完成一系列國內(nèi)、國外水利水電工程的三維建模前期配合，充分利用SolidWorks 軟件優(yōu)勢和已經(jīng)逐步積累的參數(shù)化設(shè)計(jì)成果，取得了較好的成效（見圖9～11）。

圖9 某樞紐工程三維協(xié)同模型圖

圖10 金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備模型整體布置圖

圖11 引水流道金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備模型布置圖

三維協(xié)同設(shè)計(jì)配合過程中，金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備采用SolidWorks 建模，通過三維設(shè)計(jì)軟件Inventor 將模型轉(zhuǎn)化為Revit 族文件與水工三維模型部分進(jìn)行配合。金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)模型將根據(jù)不同需求提供不同建模深度的三維模型，以適應(yīng)本專業(yè)及配合專業(yè)在項(xiàng)目不同階段、不同深度的三維設(shè)計(jì)需求。

4 結(jié)論及展望

金屬結(jié)構(gòu)所充分利用并發(fā)揮SolidWorks 軟件強(qiáng)大的三維造型能力、二維工程圖編輯能力及設(shè)計(jì)表達(dá)能力，提高了專業(yè)設(shè)計(jì)效率、設(shè)計(jì)質(zhì)量以及可視化程度，參數(shù)化建模更是大大縮短了設(shè)計(jì)周期。三維協(xié)同設(shè)計(jì)的開展與推進(jìn)是勘測設(shè)計(jì)單位市場競爭力的有力體現(xiàn)，在勘測設(shè)計(jì)院全面啟動(dòng)三維協(xié)同設(shè)計(jì)工作之際，金屬結(jié)構(gòu)所基于已有三維設(shè)計(jì)基礎(chǔ)和研究成果，充分發(fā)揮三維設(shè)計(jì)優(yōu)勢，將在以下幾個(gè)方面持續(xù)推進(jìn)：

（1）充分發(fā)揮已有的三維設(shè)計(jì)成果，積極配合三維協(xié)同項(xiàng)目和編制專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)書的同時(shí)保持與配合專業(yè)間的有效、及時(shí)反饋與溝通；

（2）做好示范項(xiàng)目的推廣、總結(jié)工作，盡可能安排條件成熟的項(xiàng)目采用三維設(shè)計(jì)，逐步實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)人員、設(shè)計(jì)項(xiàng)目的高比例覆蓋；

（3）發(fā)揮三維軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)優(yōu)勢，逐步促成金屬結(jié)構(gòu)各專項(xiàng)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化，實(shí)現(xiàn)本專業(yè)三維設(shè)計(jì)常態(tài)化，形成閘門、啟閉設(shè)備的BIM 族譜；

（4）逐步在工程實(shí)踐中推廣二維出圖，協(xié)調(diào)出圖管理系統(tǒng)，流暢完成透明圖打印、歸檔等管理工作；

（5）針對(duì)三維協(xié)同項(xiàng)目配合，金屬結(jié)構(gòu)所將在工程設(shè)計(jì)建設(shè)過程中進(jìn)一步實(shí)踐和探索，積極探討并解決BIM 設(shè)計(jì)和三維協(xié)同設(shè)計(jì)配合中的問題。