港口工程三維CAD設計平臺研究

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230）

港口工程三維CAD設計平臺研究

趙宏堅，何家俊，楊錫鎏

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230）

由于現有主流的產品設計都已轉向全三維設計模式為主，因而港口工程也逐步趨向全三維工程設計。文中提出實現港口工程全三維設計所需的三維CAD設計平臺的設計思路，提出了港口工程三維CAD設計平臺的構成與技術要點，同時還給出了實現該設計平臺各個模塊所需要的技術要點及實現這些技術點所需要的方法和思路。該設計平臺以三維構件化設計為基礎，并在此基礎上實現構件裝配、結構分析、構件配筋、工程出圖和協同設計等諸多功能。

港口工程；三維設計；可視化設計；三維CAD

在港口工程勘察設計領域，大多仍采用繪制二維工程圖的傳統平面設計模式進行工程項目設計。這種設計模式存在不少問題，如通過若干個二維圖來描述一個三維設計是很不直觀的，二維工程圖不能完全表述設計對象所有的設計信息，同一個工程對象的設計數據只能以離散的方式存在于不同的二維圖和數據表格中，缺乏關聯關系，這些問題都會嚴重影響設計效率和質量。

自上世紀90年代起，國際CAD設計領域已逐漸轉向全三維設計[1-3]，這種設計模式與傳統二維設計模式的本質區別在于設計對象通過直接建立三維模型來表達，并在原來純二維的設計環境基礎上，增加了更直觀靈活的三維設計環境，讓設計變得更直觀、更輕松。

要在港口工程領域實現全三維設計需要一個三維CAD設計平臺作為基礎和主要手段，該設計平臺應當具備對產品進行設計、分析、出圖等全流程的、三維的、協同的設計功能。除了基本的三維幾何模型構造手段外，在不同領域，三維CAD設計平臺的功能是有所不同的。

1 三維CAD設計平臺現狀

三維CAD設計平臺是三維設計系統的核心部分，是實現其它功能模塊的基礎。目前，國外先進的三維CAD平臺功能已非常強大，而且還提供各種編程工具和接口，為用戶進行二次開發創造便利條件，用戶可以方便地將其改造為專用軟件。

1.1 主流CAD平臺簡介

在建筑領域，有兩個比較普及的CAD平臺，第一個是美國Autodesk公司開發的AutoCAD，是國際上廣為流行的二、三維設計繪圖平臺[4]，除了提供強大的圖形編輯和處理功能外，Autodesk公司還相繼推出了四代二次開發工具，主要包括6種二次開發技術：AutoLISP、Visual LISP、ADS、VBA、ObjectARX和Dot NET，其中ObjectARX和Dot NET是全新的開發手段，功能非常強大。另外一個是美國 Bentley System公司開發的MicroStation，是國際上與AutoCAD齊名的二、三維CAD設計軟件[5]，支持參數化要素建模和專業照片級的渲染及可視化，可以直接讀寫DWG文件而無需任何轉換。MicroStation根據用戶需求也提供了5種可適合不同程度程序開發者的程序設計語言：UCM、CSL、MicroStationBasic、MDL和JMDL，使MicroStation具有強大的兼容性和擴展性，其第三方軟件超過1 000種以上，領域覆蓋了土木、建筑、交通、結構、機械、電子、地理信息、網絡、管線、圖檔管理、影像、出圖等多個領域。

以上兩個系統平臺都是二三維結合，并以二維為主的設計平臺，除此之外，還有一些純三維的CAD平臺，它們是以三維設計為主，二維出圖為輔。如Autodesk公司的Civil 3D[6]，一款面向土木工程設計與文檔編制的建筑信息模型（BIM）解決方案[7-8]。該軟件能夠創建協調一致、包含豐富數據的模型，并全面集成了勘測、放坡、地塊布局、道路建模、管道、土方量計算、施工圖、高級數據管理等模塊，實現了從勘測、設計、分析、可視化、文檔制作到施工的集成流程。

除了建筑行業，在機械行業，有更加成熟和強大的三維CAD設計平臺，如CATIA[9]、UG[10]、Pro/E[11]等。CATIA是法國Dassault公司的三維CAD產品設計系統，可以以全三維形式設計各種工業產品，具備強大的實體建模功能，加上強大的曲面造型功能，使其能模擬和建立任何復雜的工業產品對象。此外，Siemens PLM Software的UG和 Parametric Technology Corporation的 Pro/E都有相似的功能。這些大型的三維CAD設計平臺除了強大的造型能力外，還具備完善的協同設計能力。

1.2 存在的問題

上面介紹的三維CAD設計平臺是以建筑行業或機械行業為主的，這些行業無論在設計操作、設計流程，還是在數據表達方式、數據流轉方式等方面都和港口工程行業有著不少的區別。

如果在這些CAD平臺上進行港口工程三維CAD設計平臺的開發，雖然提供的系統架構和各種功能可以直接利用，無需重復開發，只需開發項目需求中原CAD平臺沒有或欠缺的功能即可，開發內容比完全自主開發要少得多，開發周期較短。但是，二次開發是基于原CAD平臺已有的功能上進行擴充和修改，具有一定的局限性，如果所要開發的功能是一個獨立于原CAD平臺之外的功能，則采用二次開發工具進行開發的難度極大。其次，現有平臺很多是行業相關的，系統開發需要遵循平臺原有的工作流程，很難進行自主流程的改造，原有平臺的工作流程不一定完全能滿足港口工程行業的需求。另外，當開發的功能需要調用未開放的系統內核時，就需要CAD平臺提供商去開放接口，這時的權限、時間和費用等問題會制約該功能的開發。最后，現有CAD平臺的系統架構十分復雜，非CAD平臺開發商的開發人員不可能了解其內部架構關系，很可能出現修改其中一個功能卻引起其他功能無法正常使用的情況，系統運行的穩定性和可靠性也無法保障。

因此建立基于港口工程的自主三維CAD設計平臺是很必要的。下面介紹港口工程三維CAD設計平臺的構成和各模塊的技術要點。

2 港口工程三維CAD設計平臺

港口工程三維CAD設計平臺應當具備進行港口工程結構物全三維可視化設計的基本功能。這些功能包括進行工程三維地質可視化的三維地質建模模塊，進行水工結構物設計的構件設計、構件裝配、構件分析和構件配筋等模塊，輸出成果的工程出圖模塊，以及進行協同工作的協同設計模塊，如圖1所示。

圖1 港口工程三維CAD設計平臺Fig.1 Three-dimensional CAD design platform of harbor engineering

2.1 地質建模

地質建模是對取得的勘察資料，如鉆探、物探等取得的資料，加上各種室內試驗數據，通過三維建模技術把三維地質模型最大限度接近真實地構造出來。地質三維模型包括地表模型和地層模型，三維地表模型構造出來后可以具備輔助工程的選址，進行各種工程結構物的布置，提前呈現整體工程設計效果等功能。三維地層模型構造出來后，能夠對地下情況有比較直觀的了解，能夠對地層進行開挖、回填、設計結構物等操作，可以進行各種穩定性的分析，如圖2所示。

圖2 三維地質模塊構建和應用流程Fig.2 Build and application process of threedimensional geological module

三維地質建模技術包括地質數據整合、地層自動構建和相關圖紙輸出等技術。

在地質數據里，包含現場采集數據、實驗數據和物探數據等各種數據，這些不同類型的數據可能使用不同的介質進行存放，但最終都會匯集到不同的軟件系統里，利用數據庫轉換和XML文檔轉換等技術可以實現數據的統一轉換。實現地質數據和三維地質幾何模型的整合。

在三維地質建模里，地層模型可以通過手動方式完成建模，但是當地層層數較多、范圍較廣，加上地層層間關系復雜，如存在尖滅、透鏡體和夾層等特殊情況時，如果全部使用手動建模方式來工作，工作量將是非常巨大的，因此需要實現地層的自動建模技術。地層自動建模技術涉及地質模型的拓撲表達，地層層間關系自動識別，以及其他一些圖形算法?，F有對地質模型的拓撲表達有實體表達、三棱柱表達等技術，可以通過這些技術實現三維地質模型的三維幾何表達。另外可以通過從純幾何層次關系和地質經驗數據兩個方面去實現地層層間關系的自動識別功能。三維地質模型生成后可以直接生成柱狀圖，通過剖切后可以生成剖面圖，數據經過整理后可以生成地質成果表。

三維地質模型建立后，可以通過三維實體模型的布爾運算操作實現模型的剖切、開挖和回填。通過這些操作后的模型，可以把剖面、模型等數據導入到巖土分析軟件中進行穩定和沉降分析。

2.2 構件設計

構件化設計的主要思想是對設計對象的結構進行分解，形成獨立的構件，然后分別對這些構件進行設計，最后把這些構件裝配組合起來形成最后的產品對象，如圖3所示。構件設計是三維構件化設計的基礎。

圖3 構件化設計流程Fig.3 Component design process

構件設計的主要技術包括草圖設計、特征設計等。

二維草圖設計是三維構件設計的基礎，通過草圖的繪制，配以各種建模操作就能形成各種三維構件模型。二維草圖技術主要包括幾何圖元繪制和幾何約束求解，其中最重要的是幾何約束求解技術。幾何約束求解技術在構件設計過程中的作用是非常大的，它能大大提高設計效率，而且是構件和結構重構自動化處理的必要技術。

特征設計主要指在草圖基礎上進行各種特征建模、線框建模、以及直接建模等操作，以完成三維構件的設計，這些操作的基礎是實體建模技術，該技術的結構表達主要使用世界主流的B-Rep表示法，和建立在B-Rep基礎上的各種操作，其中包括拉伸、布爾、歐拉、局部修改等。三維構件設計技術除了實體幾何的建立外，還應設置完善的屬性系統，這些屬性包括材料屬性、定位屬性、配筋屬性、分析屬性，等等。

2.3 構件裝配

構件裝配技術，是把各種已經設計好的構件模型裝配成一個工程結構模型，通過對構件進行各種空間定位操作，如移動、旋轉等，加上各種約束手段，如網格約束、三維幾何約束等，可以把這些構件的相對位置嚴格確定下來，完成裝配工作。

裝配技術的關鍵是網格約束和三維幾何約束，它們都可以通過幾何約束求解器完成求解。實現幾何約束求解技術的求解方法有很多種，如數值方法、構造方法、圖方法和符號代數方法等。

2.4 結構分析

三維結構分析是指使用通用有限元分析技術對設計的工程對象以及集合進行分析，主要技術包括分析模型轉換、分析求解和后處理輸出。

分析模型轉換技術是指根據工程對象以及集合的三維設計模型轉換成用戶所需的三維分析模型。分析模型并不是簡單地把CAD模型作為其幾何模型，同一個工程對象可以轉換成多種分析模型，不能按唯一的標準進行轉換，通過構件設計中的同參異構技術和設計人員的手動修改，可以實現自動或手動的把設計模型轉換成分析模型。同參異構技術是實現自動模型轉換的關鍵技術，其精粹就是使用相同的主要建模參數形成各種不同的幾何形體，以分別滿足設計模型和分析模型的建模需要。

分析求解技術是指對分析模型采用有限元方法進行求解的技術，而網格劃分和大型方程組的優化求解是應用有限元方法的最大難點，涉及解析幾何和純數學領域的復雜理論和算法。對于較簡單的結構類型可以開發自己的求解器，對于較為復雜的結構形式可以使用各種大型的通用有限元求解器，可以把求解內容轉換成求解器腳本，再傳入求解器進行求解，常用腳本語言有ANSYS的APDL，ABAQUS的Python等。

后處理輸出技術是指對各種計算結果進行分類、統計、顯示、打印以及生成計算書等，其中計算結果的獲取和以各種圖表形式顯示是該項技術的關鍵和難點所在?？梢酝ㄟ^各種通用圖形工具包繪制結果圖形，通過文檔的腳本控制自動生成計算書。

2.5 構件配筋

構件配筋技術主要是指對三維構件進行鋼筋配置的技術。三維構件配筋技術主要包含鋼筋模型的表達、配筋模式設計和解除鋼筋碰撞問題等。

鋼筋模型的表達主要是指以什么數據結構去表達配置的鋼筋。在一個構件里的鋼筋就有成百上千條，在一個結構里鋼筋數量就更加多了，如果要同時顯示、編輯這些鋼筋，可以想象三維圖形的繪制量是非常巨大的，因此需要對鋼筋的數據結構進行優化。通過繪制結構樹的優化和圖形LOD技術的應用，可以有效解決大三維模型的顯示問題。

鋼筋在構件中的布置方式是多種的，如何合理地劃分這些布置方式，并配以合適的操作過程，就是配筋模式需要研究的內容，配筋模式的劃分直接影響到配筋過程的效率和正確性?，F有比較有效的配筋模式有表面配筋、截面配筋和曲面配筋等。

由于鋼筋的數量繁多，很容易出現鋼筋間的碰撞問題，除了鋼筋間的碰撞問題外，當鋼筋的形狀比較復雜時，鋼筋本身也有可能存在碰撞問題。鋼筋本身的碰撞問題可以通過對碰撞的某幾個鋼筋段進行位置偏移來實現碰撞的排除。鋼筋之間的碰撞問題是比較復雜的，主要在于鋼筋碰撞的自動調整可能會導致新的碰撞，因此碰撞的自動調整算法有可能會陷入死循環。經過研究發現，碰撞問題大部分在鋼筋配置步驟的開始時就可以避免，關鍵是系統能對可能產生碰撞的配筋操作提前給出提示，以便用戶調整配筋的參數，從而避免碰撞問題的出現，這種方法稱為主動避讓方法，是現有解決鋼筋碰撞的主要方法。

2.6 工程出圖

雖然CAD設計領域在不斷推廣三維模型設計，但在具體工程實踐中，二維工程圖紙依然是必不可少的，在港口工程設計領域也不例外，因此工程出圖技術是三維CAD設計平臺的必要技術之一。出圖模塊除了二維圖紙出圖外，還應支持三維圖紙的出圖，也就是圖紙中模型是三維的，其他描述是二維的圖紙，該種圖紙在很多情況下比二維圖紙具有更清晰的描述效果。出工程圖的技術研究內容包括圖紙結構表達、出圖操作、對象標識和圖紙布局等。

圖紙結構表達主要是指圖紙中各種圖元的組織方式。由于出工程圖模塊需要支持二、三維并存的工程圖紙，因此底層圖紙的結構組織要比純二維圖紙復雜，當圖紙內容比較多時，圖紙結構設計的好壞會直接影響到圖紙的顯示和操作效率。二、三維并存的圖紙設計涉及較頻繁的結構改動，在平衡存儲空間和執行效率后，適宜采用樹狀數據結構為主要圖元結構。

在設計平臺中，構件或結構是三維的，而工程圖紙大部分是二維的，這就必須研究一些手段進行三維到二維模型的轉換，從而形成工程對象的出圖操作。經研究，投影和剖切操作是三維對象轉二維圖紙的主要操作手段。

出圖對象標識是指建立三維模型對象和二維圖形對象之間的聯系。在出工程圖時，很多情況下都需要這種對應關系，當真實的工程對象和對應的二維圖紙對象存在比較大的區別時，就需要使用圖元替代來進行出圖，這時就需要這種二、三維對象的內在聯系來維護這種替代圖元和真實圖元間的關系；此外，當三維模型修改后，已出的二維圖紙是必須體現其修改的，在修改二維圖紙時需要反饋到三維模型上去，因此需要建立二、三維對象間的關系。

在三維對象或集合轉成二維圖紙時，在圖紙上會同時存在多個對象子圖，這些子圖很容易發生相互重疊，另外，當一個對象的二維標識比較多時，這些標識也會相互重疊在一起。因此，需要解決如何處理這些子圖和標識的布局問題。實現圖紙的自動布局可以通過先實現子圖的區域劃分，再實現子圖區域內部圖元和標注的自動布局。

2.7 協同設計

協同設計技術主要是指不同專業的生產部門相互協作，對各種工程對象進行設計，最終形成工程設計產品。要實現多專業協同設計，涉及到工程對象設計工作流程的分解、同步和異步操作、權限管理和日志記錄等技術。

工程對象工作流分解技術是指把工程對象的設計工作按一定的粒度進行分解，形成可獨立操作和保存的工作步驟。要實現工作流分解，關鍵是要對流程中的各個工作步驟作依賴分析，避開流程分解時可能出現的死循環，最終形成合理的、可操作的步驟項。

在對工作流程進行分解后，還需要對這些分解的工作步驟設置同步和異步操作。由于需要多個專業人員對工程對象進行設計，如果多個設計人員同時對一個工程對象進行操作，那么他們的設計過程數據保存就需要同步和異步操作的支持了。同步、異步操作可以通過對一個操作步驟進行鎖定和對未完成步驟進行狀態保留等方法來實現，這里涉及任務工作流處理、狀態機和大型數據庫服務等技術。

要實現多專業協同，還需要對工作步驟設定權限管理，以及對每一個步驟進行日志管理。由于對產品設計過程中所涉及人員具備的操作權限是高低不同的，因此設計權限管理是必須的。此外，為了方便追蹤和管理各操作人員的操作結果，需要設置日志管理。實現權限管理和日志管理主要涉及權限分析和大型數據庫服務技術。

3 HIDAS三維CAD設計平臺

HIDAS是Harbor Investigation and Design Application System的縮寫，是由中交第四航務工程勘察設計院主持研發的，旨在改變現有港口工程勘察設計模式的革命性系統。

該系統結構如圖4所示，主要由3個層次組成，分別是三維應用開發框架、工程設計基礎平臺和港口工程勘察設計應用系統，其中應用開發框架是三維CAD設計系統開發的底層平臺，勘察設計應用系統是具體的業務系統，工程設計基礎平臺就是上文提到的三維CAD設計平臺的其中一種實現。

圖4 HIDAS系統總體架構Fig.4 Overall architecture of HIDAS system

HIDAS的工程設計基礎平臺實現了港口工程三維CAD設計平臺中的地質建模、構件設計、構件裝配、結構分析、構件配筋、工程出圖等模塊的大部分功能，協同設計模塊也會在不久的將來實現。

在工程基礎平臺上實現的港口工程勘察設計應用系統已經在水工結構的三維設計、分析、配筋、出圖等作業中逐步體現出其優越性，主要體現在低級工作的大量減少和工作效率的大幅提高。圖5為HIDAS所出的工程二、三維結合工程圖紙。

圖5 鋼管樁樁頂配筋圖Fig.5 Reinforcement drawing on steel pipe pile top

4 結語

本文提出了港口工程三維CAD設計平臺的構成與技術要點，該設計平臺以三維構件化設計為基礎，并在此基礎上實現構件裝配、結構分析、構件配筋、工程出圖和協調設計等諸多功能，能滿足港口工程行業全流程的三維設計、數據整合流轉和各專業間的協同設計。

本文給出了實現該設計平臺各個模塊所需要的技術要點，并提供了實現這些技術點所需要的方法和思路。

本文簡單介紹了HIDAS三維CAD設計平臺，它是港口工程三維CAD設計平臺構建思路的一種實現，也是實現該思路的一種嘗試。HIDAS三維CAD設計平臺成功實現了該思路的大部分功能，也證明了本文提出的港口工程三維CAD設計平臺設計思路的可行性。HIDAS三維CAD設計平臺在日后還會不斷擴展，以完整實現設計平臺的所有功能，并在不斷的實踐中加以改善，為完成港口工程三維設計模式的轉變做出貢獻。

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Study on three-dimension CAD design platform of harbor engineering

ZHAO Hong-jian，He Jia-jun，YANG Xi-liu
（CCCC-FHDI Engineering Co.，Ltd.，Guangzhou，Guangdong 510230，China）

Due to the current mainstream product design has been turned to mainly on the three dimensional design model，harbor engineering also gradually incline to full three-dimensional engineering design.This paper proposes a design thought of a three-dimensional CAD design platform of harbor engineering investigation and design industries，and provides the technical essential，implementation approach and methods that how to realize the design platform.The platform based on threedimensional component design，and on this basis，it realizes many functions，such as component assembly，structure analysis，component rebar，drawing output and collaborative design.

harbor engineering；three-dimensional design；visual design；three-dimensional CAD

U652.74

：A

：1003-3688（2014）03-0020-06

10.7640/zggwjs201403004

2013-08-26

趙宏堅（1979— ），男，廣州市人，博士，工程師，主要從事港口工程設計軟件系統研發。E-mail：zhaohj@fhdigz.com