三維參數(shù)化設(shè)計在港口水運行業(yè)中的應(yīng)用

楊鐸，韓越

（安徽省交通勘察設(shè)計院有限公司，安徽 合肥 230000）

1 前言

BIM 技術(shù)自2002年被正式提出，2004年引入國內(nèi)逐漸應(yīng)用，是繼CAD 技術(shù)應(yīng)用后，建筑[1]、橋梁[2]、交通[3-4]等行業(yè)的又一次重要技術(shù)革新，近幾年來發(fā)展迅速。國家對BIM 技術(shù)高度重視，住建部在《2011-2015年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》中，將BIM 技術(shù)列為重要推廣應(yīng)用技術(shù)。對應(yīng)的，在機械制造行業(yè)領(lǐng)域，提及更多的則是PLM，即產(chǎn)品生命周期管理（Product Lifecycle Management）。無論是BIM 還是PLM，它們的起點和信息依存基礎(chǔ)都是相同的，即三維設(shè)計。

三維可視化設(shè)計形象、直觀，具有直接取代傳統(tǒng)二維設(shè)計方式的巨大潛力，專業(yè)人員可以應(yīng)用三維設(shè)計軟件進(jìn)行碰撞檢查，避免錯、漏、碰等二維設(shè)計中容易出現(xiàn)的失誤；直觀的視覺信息與設(shè)計方案要表達(dá)的信息100%重合，避免了設(shè)計信息在圖紙與實物間轉(zhuǎn)換造成的信息丟失，設(shè)計質(zhì)量與準(zhǔn)確性可以得到相應(yīng)提升；并借助軟件自帶測量工具直接得到構(gòu)件的體積甚至質(zhì)量，進(jìn)而實現(xiàn)快速、高精度工程量統(tǒng)計。

水運、水利行業(yè)BIM 技術(shù)發(fā)展并不均衡，業(yè)內(nèi)部分大型設(shè)計單位，已涉足三維設(shè)計多年，借助于機械、建筑等行業(yè)的成熟經(jīng)驗，經(jīng)歷了“二維設(shè)計-三維建?！薄ⅰ叭S展示”、最后到“三維正向設(shè)計”的不同階段，探索和積累了在某些專業(yè)或項目中推廣三維設(shè)計的成熟經(jīng)驗，但相對來說，大部分業(yè)內(nèi)設(shè)計單位僅僅是剛開始應(yīng)用BIM 相關(guān)技術(shù)[5-6]。總體來說，整個行業(yè)逐漸將解決問題的關(guān)注點集中在了參數(shù)化建模、標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件庫以及各專業(yè)協(xié)同平臺上來。參數(shù)化建模方式在機械制造行業(yè)應(yīng)用已久，最常用的設(shè)計軟件，包括SolidWorks、CATIA、U/G 等，都具有專業(yè)化、參數(shù)化等建模功能，但在水運、水利等行業(yè)的應(yīng)用相對滯后，且大部分專業(yè)缺少專業(yè)應(yīng)用模塊?，F(xiàn)如今，眾多三維設(shè)計軟件已經(jīng)將國內(nèi)業(yè)務(wù)從機械制造擴(kuò)展到建筑、交通行業(yè)，開發(fā)出眾多可參數(shù)化的建筑設(shè)計模塊。業(yè)內(nèi)設(shè)計人員，借助于通用三維設(shè)計軟件，也開始不斷探索建立企業(yè)級參數(shù)模板庫與標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫，通過通用設(shè)計軟件自帶功能或者二次開發(fā)插件，不斷提高設(shè)計效率，并初步完成了某些專業(yè)或某類項目從二維設(shè)計到三維設(shè)計的過渡。

本文以內(nèi)河港口項目中水工金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)常見的鋼引橋結(jié)構(gòu)的三維參數(shù)化設(shè)計為例，借助達(dá)索3DE 通用設(shè)計軟件，簡述三維設(shè)計、參數(shù)化控制、設(shè)計模板等技術(shù)在水工結(jié)構(gòu)專業(yè)中的應(yīng)用。

2 三維參數(shù)化模板

3DE 通用設(shè)計軟件具有參數(shù)控制、參數(shù)編輯、多專業(yè)平臺協(xié)調(diào)等優(yōu)勢，本文以此為平臺創(chuàng)建參數(shù)化模型，并借助其知識工程的強大功能生成可供使用的三維參數(shù)化模板。

眾多三維CAD 軟件，生成模型的方式略有不同，最常用的 “草圖-凸臺-零件-裝配”方式，需要設(shè)計人員在面對復(fù)雜結(jié)構(gòu)時，先創(chuàng)建大量的零件、再進(jìn)行最后裝配，工作量較大，工作效率偏低。雖然一些零件模型可保存在構(gòu)件庫中重復(fù)利用，但從其在水工金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)的實際應(yīng)用來看，設(shè)計效率的提升并不明顯。借助軟件自帶的幾何體尺寸參數(shù)，也可以幫助設(shè)計人員較快地修改零件尺寸，但零件數(shù)量較多時，效率提高依然不明顯，參數(shù)化的優(yōu)勢并未體現(xiàn)。

本文介紹的三維參數(shù)化模板，著重關(guān)注如何較大化地提高水工金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計效率，幫助設(shè)計人員從容應(yīng)對設(shè)計工作以及設(shè)計變更。

三維參數(shù)化模板創(chuàng)建思路：在幾何體自有尺寸參數(shù)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)建用戶參數(shù)，通過創(chuàng)建和編輯參數(shù)之間的數(shù)值與邏輯關(guān)系公式，來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)總體尺寸（如橋體長度、寬度、高度等），桿件空間位置尺寸（如橋面橫梁、縱梁間距）與數(shù)量，零件截面尺寸（如型鋼截面形狀、高度、壁厚）等的相互配合，進(jìn)而實現(xiàn)對相關(guān)幾何體空間尺寸與空間位置的控制，將可編輯的參數(shù)范圍從零件級別擴(kuò)大到整體模型級別。參數(shù)化模板作為后續(xù)項目類似結(jié)構(gòu)設(shè)計的參照，通過對豐富的用戶參數(shù)的快速編輯（如橋體長度、寬度、高度等），可以快速生成我們需要的新模型。在類似結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，實現(xiàn)了建模速度的明顯提高，設(shè)計時間的明顯縮短，設(shè)計效率的明顯提升。

以平行弦式普通桁架鋼引橋為例，其主要由不同截面的桿件組成，包括：主桁架、橋面梁系、縱向聯(lián)結(jié)系、橫向聯(lián)結(jié)系、欄桿、節(jié)點板等。在此三維模型（圖1）中，共設(shè)置了74 個相關(guān)用戶參數(shù)（表1），設(shè)置了368個參數(shù)之間的關(guān)系式，來控制整個模型，實現(xiàn)了從整體到局部，從空間間距到桿件數(shù)量，從桿件長度到截面尺寸的全參數(shù)“半自動化”控制。使用此三維模板進(jìn)行鋼引橋設(shè)計，大大縮短了三維建模時間。

表1 用戶參數(shù)的分類及參數(shù)類型

3 高效出圖

借助于三維參數(shù)化模板技術(shù)，可以實現(xiàn)相似結(jié)構(gòu)的快速設(shè)計和建模，但現(xiàn)階段與施工對接時，出版二維圖紙依然不可避免，重復(fù)性的出圖依然會浪費較多的時間和精力。通過設(shè)置模型與圖紙間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，可實現(xiàn)投影輪廓自動更新、標(biāo)注自動更新等功能，來實現(xiàn)高效出圖。

3.1 輪廓、標(biāo)注自動更新

創(chuàng)建三維參數(shù)化模板的同時，可創(chuàng)建配套圖紙模板，并設(shè)置投影、剖切平面位置、標(biāo)注位置等，每次利用三維模板完成新方案設(shè)計后，通過圖紙更新即可得到完成度較高的備用施工圖，經(jīng)過簡單調(diào)整即可完成施工圖設(shè)計，避免了重復(fù)出圖，進(jìn)一步提高了設(shè)計效率。

3.2 工程量自動統(tǒng)計

水工金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)在施工圖階段，通常需要進(jìn)行手動工程量統(tǒng)計，占用了較大的工作量與工作時間。

可通過創(chuàng)建三維模板與圖紙模板間的相關(guān)數(shù)據(jù)鏈接，即：材料表單元格與模型參數(shù)之間的數(shù)值關(guān)系，實現(xiàn)材料表內(nèi)數(shù)據(jù)的自動更新，通過更新圖紙即可實現(xiàn)工程量的自動統(tǒng)計，避免了手動統(tǒng)計效率低、準(zhǔn)確性差的缺點。

4 輔助有限元前處理

有限元仿真的前處理過程，特別是網(wǎng)格尺寸、網(wǎng)格數(shù)量，對計算結(jié)果準(zhǔn)確性的影響較大。對于以桿件、板殼為主的金屬結(jié)構(gòu)來說，如果使用實體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終單元數(shù)量會超過千萬級甚至億級，有限元軟件計算時間過長，計算錯誤幾率增加。使用三維CAD 軟件完成金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計后，多數(shù)情況下無法直接利用實體模型進(jìn)行有限元仿真，還需要設(shè)計人員在有限元軟件中重新創(chuàng)建以線、面為基本元素的簡化模型來進(jìn)行仿真計算，在有限元前處理中重復(fù)建模浪費了較多的時間和精力。

為了解決這個問題，我們提出了線-面-體“三合一”設(shè)計模板的思路。在創(chuàng)建鋼引橋三維參數(shù)化模板時，同時創(chuàng)建了線框模型（圖2）作為結(jié)構(gòu)骨架，以此為定位基準(zhǔn)創(chuàng)建面模型（圖3），最后使用“厚曲面”命令將面生成體模型，供設(shè)計人員進(jìn)行出圖。3 種不同基本元素組成的三維模型，共用一套參數(shù)體系，修改某一參數(shù)后，可實現(xiàn)同時調(diào)整和更新。

將線框模型導(dǎo)出、導(dǎo)入有限元軟件，使用一維梁單元劃分網(wǎng)格，可求解桿件內(nèi)力，驗算變形與撓度、長細(xì)比等，輔助設(shè)計人員進(jìn)行初步設(shè)計和優(yōu)化；面結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)出、導(dǎo)入有限元軟件，使用二維面單元劃分網(wǎng)格，用于局部結(jié)構(gòu)強度、穩(wěn)定性驗算，比如節(jié)點板局部驗算，桿件端部焊接區(qū)域驗算等。

5 總結(jié)

本文中介紹的三維參數(shù)化模板技術(shù)，通過參數(shù)化控制，實現(xiàn)了“半自動化”三維建模、二維出圖、輔助有限元仿真等目的，明顯地提高了專業(yè)設(shè)計效率與設(shè)計精度。設(shè)計人員借助通用三維設(shè)計軟件，不斷擴(kuò)大參數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化在設(shè)計流程中的應(yīng)用范圍，進(jìn)一步簡化設(shè)計中的次要工作（如二維作圖、工程量統(tǒng)計、有限元前處理等），減少人工手動操作，將廣大設(shè)計人員從繪圖工作中解放出來，把大部分時間和主要精力放在結(jié)構(gòu)設(shè)計、仿真計算與結(jié)構(gòu)優(yōu)化上來。經(jīng)過長時間積累，可逐步形成具有專業(yè)特點，符合從業(yè)人員使用習(xí)慣的參數(shù)化模板庫、標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件庫，實現(xiàn)金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)從二維設(shè)計到三維正向設(shè)計的逐步過渡，此項技術(shù)同樣可以推廣到其它缺少專業(yè)軟件的相關(guān)專業(yè)，進(jìn)而擴(kuò)大到整個內(nèi)河港口項目設(shè)計。對專業(yè)設(shè)計水平與總體行業(yè)發(fā)展的提高，必將具有重要意義和巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

隨著BIM 技術(shù)的深入發(fā)展與推廣，三維正向設(shè)計必然會取代二維CAD 設(shè)計，參數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化在三維正向設(shè)計上的應(yīng)用，可以大幅度提高三維正向設(shè)計的效率與精度，為其在港口水運、水利行業(yè)的推廣與應(yīng)用增加助力。