基于3DE平臺(tái)的水工鋼閘門建模及工程量自動(dòng)統(tǒng)計(jì)研究

劉閩豫

黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,河南 鄭州 450000

0 引言

水工鋼閘門是保障水利水電工程正常運(yùn)行的重要組成部分。由于工程的獨(dú)特性,閘門承受的工況各異、閘門自身的結(jié)構(gòu)形式不同,目前鋼閘門采用的是非標(biāo)設(shè)計(jì)方法[1]。鋼閘門的非標(biāo)設(shè)計(jì)一直沿用著手工計(jì)算結(jié)合二維制圖軟件繪制的方式[2],這種設(shè)計(jì)方法存在出圖工作量大、圖紙修改繁瑣、極易出錯(cuò)等問(wèn)題。隨著BIM技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步,三維設(shè)計(jì)手段被廣泛的接受。模型是三維設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),但是當(dāng)前鋼閘門的BIM模型大多是對(duì)已有圖紙進(jìn)行逆向翻模得到,模型大多數(shù)情況下用于展示和方案匯報(bào),且模型和圖紙之間并沒(méi)有系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)性。這種“先圖紙,后模型”的逆向設(shè)計(jì)方法,使三維設(shè)計(jì)不能很好地與實(shí)際生產(chǎn)相融合,模型的使用效率不高。

當(dāng)前水工鋼閘門BIM設(shè)計(jì)軟件主要有Inventor、Bentley、Catia等幾款,各具特點(diǎn)。Inventor由Autodesk研發(fā),兼容性強(qiáng),易于上手;Bentley在建筑、結(jié)構(gòu)方面設(shè)計(jì)功能強(qiáng)大;Catia的優(yōu)勢(shì)則在曲面設(shè)計(jì)。本文應(yīng)用的3DExperenice(3DE)平臺(tái)是法國(guó)Dassault System公司CATIA V5軟件的升級(jí)版本,結(jié)合了多種模塊的綜合設(shè)計(jì)平臺(tái)[3],在水利水電行業(yè)設(shè)計(jì)工作中取得了一定的應(yīng)用成效。針對(duì)鋼閘門的建模而言,3DE平臺(tái)尚無(wú)相關(guān)的專用模塊,目前使用較多的是通用的“Part Design”零件設(shè)計(jì)模塊和“Assembly Design”裝配設(shè)計(jì)模塊。

STR是3DE平臺(tái)中專用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊,該模塊在船舶與海洋工程、建筑行業(yè)、能源行業(yè)有著較為成熟的應(yīng)用。STR主要包含兩大部分：結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)模塊(structure function design,SFD)和詳細(xì)設(shè)計(jì)模塊(structure detail design,SDD)[4]。SFD設(shè)計(jì)過(guò)程中,零件的厚度在模型的信息中賦予,而視圖上不顯示;SDD設(shè)計(jì)更加詳細(xì)全面,可以達(dá)到模型制造精度的要求。船舶行業(yè)常規(guī)的做法是利用SFD模塊確定設(shè)計(jì)方案后,由SFD模型轉(zhuǎn)化為SDD模型,防止由于前期模型過(guò)大造成計(jì)算機(jī)運(yùn)行卡頓與報(bào)錯(cuò)。

與船舶結(jié)構(gòu)相比,鋼閘門體型相對(duì)較小,結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。因此,本文直接以STR中的SDD模塊進(jìn)行閘門的正向建模,減少設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),提高建模效率。設(shè)計(jì)步驟主要有以下幾部分：資源庫(kù)構(gòu)建、閘門門體焊接件建模、機(jī)械零部件調(diào)用、工程量自動(dòng)統(tǒng)計(jì)。

1 平面鋼閘門正向建模

1.1 平面鋼閘門資源庫(kù)構(gòu)建

平面鋼閘門的資源庫(kù)是指在建模過(guò)程中,將需要重復(fù)調(diào)用的板材、型鋼、預(yù)定義的加筋板、開口等形成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)表格,從而構(gòu)建數(shù)據(jù)資源庫(kù)。將表格解析生成一系列標(biāo)準(zhǔn)件后,可在結(jié)構(gòu)建模時(shí)提取有效資源數(shù)據(jù),完成三維建模[5]。鋼閘門的資源庫(kù)由兩部分構(gòu)成：通用資源庫(kù)和結(jié)構(gòu)資源庫(kù)。通用資源庫(kù)主要完成閘門建模所需的平面、坐標(biāo)系、板等基礎(chǔ)資源的定制,如圖1所示;結(jié)構(gòu)資源庫(kù)完成面板、型材、開口、端切、焊接、顏色與命名規(guī)則等定制,如圖2所示。在存放設(shè)計(jì)資源的合作區(qū),以領(lǐng)導(dǎo)角色的身份,進(jìn)入Data Setup模塊中完成資源庫(kù)的配置工作。

圖1 鋼閘門通用資源庫(kù)

圖2 鋼閘門結(jié)構(gòu)資源庫(kù)

1.2 基于SDD的水工鋼閘門門體焊接件建模

水工平面鋼閘門門葉焊接件是鋼閘門的重要組成部分,包括面板、邊梁、主梁、垂直梁、水平梁、吊耳等,這也是三維建模的重點(diǎn)。在建模之前,需要明確閘門的設(shè)計(jì)方案,通常先根據(jù)上游專業(yè)的提資,明確荷載情況、孔口尺寸、運(yùn)用方式等設(shè)計(jì)邊界條件,然后按照SL74—2019《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]和相關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)進(jìn)行分析計(jì)算,確定閘門結(jié)構(gòu)布置形式。閘門的結(jié)構(gòu)布置形式大體可以由梁高、主次梁的間距、構(gòu)成面板及各主次梁板材的長(zhǎng)、寬、高等參數(shù)表示,由此可以構(gòu)建閘門的數(shù)字模型。將數(shù)字模型中的參數(shù)以Excel表的形式列出,修改參數(shù)便可得到不同的閘門結(jié)構(gòu)布置方案。因此,水工鋼閘門的設(shè)計(jì)具有明顯的參數(shù)化設(shè)計(jì)過(guò)程。水工鋼閘門的正向設(shè)計(jì)過(guò)程就是將參數(shù)化設(shè)計(jì)與SDD設(shè)計(jì)相結(jié)合,便于閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案快速確定以及三維模型的建立與修改,提高模型的重復(fù)利用率,以實(shí)現(xiàn)“先模型,后圖紙”的正向設(shè)計(jì)。

1)創(chuàng)建控制骨架。面板、主梁、邊梁、垂直次梁等組成門葉焊接件的零件,大多由規(guī)則的矩形鋼板焊接而成,零件的定位與限制邊界可用平面控制。因此,建模時(shí)首先創(chuàng)建控制骨架。由于1個(gè)軸系包含了3個(gè)軸向與3個(gè)平面,相比于3D形狀中缺省狀態(tài)下的xy、xz、yz平面,具有高度的集成性,能減少結(jié)構(gòu)樹的長(zhǎng)度,故選用軸系做為骨架平面。根據(jù)設(shè)計(jì)習(xí)慣,將迎水面板上游面底緣的中點(diǎn)作為軸系的基準(zhǔn)點(diǎn),以豎直向上作為z軸正方向,水流方向作為y軸正方向,根據(jù)右手準(zhǔn)則,水平向右作為x軸正方向。將鋼閘門看作是以yoz面為對(duì)稱中心的軸對(duì)稱模型,基礎(chǔ)軸系的xoy面、xoz面、yoz面按照參數(shù)表中相關(guān)數(shù)值進(jìn)行偏移,得到一系列控制平面,控制平面用不同顏色加以區(qū)分,方便下一步建模。

2)骨架零件建模。建模時(shí)將構(gòu)成閘門的所有板材分為兩類,一類是骨架零件,其利用骨架平面與Excel表中的參數(shù)完成建模;另一類是構(gòu)造類零件,其建模時(shí)需要利用已建成零件來(lái)完成建模。閘門的面板是典型的骨架零件,其建模操作如圖3所示。利用SDD的“面板”命令,支持面選擇xoz面,在限制區(qū)域中,L1、L2為面板寬度方向的限制,L3、L4為面板高度方向的限制,這4個(gè)限制均為第一步創(chuàng)建的骨架平面。面板的材料與厚度已提前在平面鋼閘門結(jié)構(gòu)資源庫(kù)中部署了一系列的數(shù)值,此處依據(jù)設(shè)計(jì)方案分別選擇Q235B與16 mm。閘門門葉結(jié)構(gòu)中,面板、邊梁下翼緣、主梁下翼緣可按照骨架零件的方式進(jìn)行建模設(shè)計(jì)。

圖3 閘門面板的建模

3)構(gòu)造零件建模。零件的限制平面不完全是骨架平面,需要待骨架零件建模完成后,利用骨架零件的表面做為部分限制。如邊梁腹板在建模時(shí),高度方向的限制可與面板相同,而腹板寬度方向的限制面則分別為面板順?biāo)鞣较虻南卤砻妗⑦吜合乱砭夗標(biāo)鞣较虻纳媳砻?。閘門門葉結(jié)構(gòu)中,邊梁腹板、主梁腹板、主梁上翼緣、垂直次梁下翼緣、垂直次梁腹板等可按照骨架零件的方式進(jìn)行建模設(shè)計(jì)。

4)水平次梁建模。通常選用標(biāo)準(zhǔn)型鋼做為水平次梁,利用SDD中“加強(qiáng)肋”的命令,確定所需的型鋼截面,選擇骨架平面中水平次梁的定位平面做為支持面,以兩邊梁的骨架平面為限制,可完成水平次梁建模,如圖4所示。

圖4 水平次梁建模過(guò)程

5)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。通過(guò)以上4個(gè)步驟,可以得到較完整的門焊接件體模型,然而要達(dá)到LOD300[7]級(jí)別以上的高精度模型,還需要對(duì)門體焊接件進(jìn)行細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。依據(jù)平面鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范,門葉焊接件中的水平次梁應(yīng)連續(xù)不能斷開,為滿足制造工藝要求,在建模時(shí)水平次梁與縱梁腹板相交處需要設(shè)置過(guò)焊孔。根據(jù)定制的結(jié)構(gòu)資源庫(kù)中“Opening Table”項(xiàng),利用“面板和平板上開口”的命令對(duì)已創(chuàng)建的水平次梁和縱梁自動(dòng)識(shí)別,實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)過(guò)焊孔創(chuàng)建,如圖5所示。焊接件中通常需要布置加筋板來(lái)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,其中包含了一些非矩形的筋板。通過(guò)定制不規(guī)則筋板的模板創(chuàng)建模型,如圖6所示。最終利用正向設(shè)計(jì)完成門葉焊接件如圖7所示。

圖5 自適應(yīng)過(guò)焊孔創(chuàng)建

圖6 不規(guī)則筋板創(chuàng)建

圖7 門葉焊接件模型

1.3 機(jī)械零部件的調(diào)用

水工鋼閘門的機(jī)械零部件主要包括行走支承裝置、止水裝置、沖水閥、吊耳及鎖定裝置。機(jī)械零件大多結(jié)構(gòu)形式相對(duì)固定,通常只是外形尺寸和細(xì)節(jié)部分不同,因此利用3DE平臺(tái)的Catalog目錄功能,將常用機(jī)械零部件做成系列化模型(見圖8),構(gòu)建相應(yīng)的零件庫(kù),方便閘門建模進(jìn)行調(diào)用。

圖8 閘門常用機(jī)械零件模型

2 鋼閘門工程量自動(dòng)統(tǒng)計(jì)

2.1 門葉焊接件自動(dòng)命名

由于制造加工的要求,需要確定門葉焊接件中各板材的外形尺寸并以“長(zhǎng)度×寬度×厚度”進(jìn)行命名。常規(guī)做法是人工進(jìn)行測(cè)量確定,此方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力且極易出錯(cuò)。3DE在缺省狀態(tài)下,結(jié)構(gòu)樹的名稱是模型類型和數(shù)字組合形成的唯一編號(hào)。若3DE能識(shí)別板材的外形尺寸,并將該尺寸直接賦予在模型結(jié)構(gòu)樹上,不僅可以在三維環(huán)境中更加直觀地查看模型,更能減少人工出錯(cuò)與耗時(shí)。通過(guò)底層代碼編寫,在缺省狀態(tài)下,能自動(dòng)識(shí)別板材的外形輪廓尺寸,并將其在結(jié)構(gòu)樹中命名。

2.2 基于知識(shí)工程的工程量自動(dòng)統(tǒng)計(jì)

知識(shí)工程是3DE快速協(xié)同設(shè)計(jì)的核心,指在通過(guò)一定的知識(shí)規(guī)則,定義對(duì)象的參數(shù)和屬性,從而來(lái)驅(qū)動(dòng)幾何模型。模板是知識(shí)工程中的重要組成部分,通過(guò)“Quality Rules Reuse”模塊定制如圖9所示的工程量自動(dòng)統(tǒng)計(jì)模板,識(shí)別SDD設(shè)計(jì)的模型類型,選取名稱、長(zhǎng)度、寬度、厚度、材料、重量、數(shù)量的屬性,在Drafting模塊中利用視圖命令,投影出模型的三視圖,并根據(jù)需要生成剖面圖與局部放大圖等輔助視圖,減少繪圖工作量。調(diào)用工程量統(tǒng)計(jì)模板,利用BOM表格的命令,一鍵生成門葉焊接件工程量統(tǒng)計(jì)。

圖9 工程量自動(dòng)統(tǒng)計(jì)模板

3 結(jié)論

本文基于3DE平臺(tái),擺脫了傳統(tǒng)三維軟件利用草圖生成模型的方式,實(shí)現(xiàn)了水工鋼閘門的無(wú)草圖建模方式,符合行業(yè)數(shù)字化發(fā)展的要求;基于底層代碼編程與知識(shí)工程模板定制,實(shí)現(xiàn)了閘門門葉焊接件工程量自動(dòng)統(tǒng)計(jì),解決了實(shí)際生產(chǎn)中的難題,提高了工作效率。未來(lái)通過(guò)對(duì)BIM制圖工作的進(jìn)一步研究,可減少制圖工作對(duì)數(shù)字化設(shè)計(jì)的束縛,促進(jìn)數(shù)字化設(shè)計(jì)朝著高質(zhì)、高效發(fā)展。