土建計算模型轉PDMS三維模型應用技術探討

肖 南 張晨征 郭 泳

(國核電力規劃設計研究院，北京 100095)

土建計算模型轉PDMS三維模型應用技術探討

肖 南 張晨征 郭 泳

(國核電力規劃設計研究院，北京 100095)

針對電廠設計土建專業參與三維協同過程中遇到的建模困難問題，提出了土建計算模型轉三維模型的技術方案和流程，基于PDMS三維設計平臺，采用模型轉換軟件接口進行了實際工程應用，大幅提高了建模效率，保證了工程質量，取得了良好的效果。

PDMS，電廠設計，土建計算模型，三維模型，轉換接口

0 引言

在火電和核電設計領域中，計算機輔助設計已從傳統的二維設計手段發展到人機交互式的、高度集成化的、智能化的三維協同設計階段[1,2]。

三維協同設計要求多個專業在統一的平臺上共同工作，其中土建專業的參與和應用非常重要。三維協同設計以布置設計為主，機務、電氣、熱控、暖通等專業都要在土建結構梁、柱、墻、板三維模型的基礎上開展工作，土建專業三維模型給工藝專業提供設計參照[3]。

許多科研和設計人員對土建三維協同設計的應用做了思考和研究。鄧志堅等[4]研究了PDMS建庫原理，結合中國土建規范，建立了較完備的PDMS土建元件庫和等級庫，使土建三維建模具備了基礎條件；祝黎[5]將PKPM-PDMS三維接口技術應用在電廠渣水加藥間、1號轉運站、碎煤機的工程卷冊中，對模型轉換技術做了嘗試；王守利[6]研究了土建三維模型層次的命名規則，嘗試了層次命名的自動化實現；袁泉等[7,8]在研究三維模型和結構計算模型傳遞接口的基礎上，提出了新的土建結構設計流程；蘇陽等[9]從三維建模、三維提資、三維收資、模型校核、碰撞檢查、模型校審、出圖等方面探討了土建數據在三維協同設計平臺中的流轉。謝華[3]在比較傳統設計和三維協同設計差別的基礎上，指出了三維模型數據的自由流動性，土建專業可以在工藝荷載、樓面荷載、預埋件等方面受益。

但是，目前土建結構專業在參與三維協同設計的過程中，仍存在著諸多困難：

1)事后抄模。即將成品CAD圖紙中的模型重新在三維平臺中建立一遍，配合工藝專業做檢碰，而不是在三維平臺中完成設計，根據三維模型抽出成品圖紙。

2)重復建模。在結構計算軟件中，需要建立三維計算模型，進行力學分析，完成強度剛度穩定性檢驗校核。在三維建模過程中，結構計算模型的價值無法利用，導致建模工作重復。

3)建模效率低。目前主流三維平臺雖然都提供了土建結構建模功能，但操作繁瑣，且設計習慣與國內軟件相差較大，導致設計人員掌握難度大，建模效率低。

為解決以上問題，本文提出了土建結構計算模型轉換為三維模型的技術方案，并基于PDMS三維設計平臺，采用盈建科轉換接口進行了實際工程應用，取得了良好的效果。

1 土建計算模型轉三維模型技術方案

1.1 概述

土建計算模型轉三維模型分兩種應用場景：1)計算模型初次導入三維設計平臺，形成對應的三維模型，流程圖如圖1所示；2)計算模型和三維模型局部發生變化時，計算模型中變化的部分能更新到三維模型中，三維模型中的變化部分在更新后能被保留下來，流程圖如圖2所示。下面對這兩部分技術方案分別做介紹。

1.2 計算模型導入到三維模型

1.2.1 構件截面庫的匹配

模型構件截面庫的匹配是模型轉換的基礎和前提，必須將結構計算軟件中的各種類型的截面與三維軟件中的截面對應起來。

計算模型的截面庫[10]以PKPM為例，如圖3所示；三維模型的截面庫[4]以PDMS為例，如圖4所示。兩者之間的匹配關系見表1。

另外需注意，對于形狀相同的截面，兩個中性軸也必須匹配，否則會導致截面方向和位置錯誤。

1.2.2 構件坐標的正確轉換

結構計算模型中，結構構件一般簡化為直線段，構件的起點和終點坐標按構件的中性軸計算，構件和構件直接按端點相連，相交節點處的尺寸沒有考慮扣除。而在三維模型中，構件均為實體模型，必須正確處理構件之間的連接關系，扣除構件節點的尺寸，這樣才不會引起構件之間的碰撞，如圖5所示。

在電廠主廠房結構中，還存在大量的構件偏心和對齊。在結構計算模型中，構件的偏心一般采用軸線的坐標加上構件相對于軸線的偏心來考慮；而在三維模型中，構件的偏心直接體現在構件的起點和終點坐標上，模型轉換過程中應注意區別和聯系。

表1 PKPM截面與PDMS對應關系表

另外，在三維模型中，每根構件都有PLine線和對齊屬性[11]。模型轉換時，根據實際情況靈活設置，可簡化坐標換算，方便的實現梁頂與柱頂對齊，梁邊與柱邊對齊等效果，如圖6所示。

1.2.3 對計算模型整體的平移和旋轉

三維模型要體現出電廠的全貌，包含多個建(構)筑物且主廠房內包含多個機組的廠房。在建立結構計算模型時，每個建(構)筑物會分別建模計算，主廠房的每個機組也會分別建模計算。在將計算模型導入到三維平臺的過程中，需要將多個計算模型合并為一個三維模型，這時需要指定導入模型的插入點位置和對應的坐標，還需要指定導入模型的局部坐標系對應于全廠坐標系的方位角，這樣才能正確的將計算模型轉換為三維模型，為工程應用服務。

1.2.4 模型層次結構的劃分

計算模型中，構件常用的分類方式有以下幾種：1)按構件類型分：梁、柱、墻、板；2)按層高分：地面、中間層、運轉層……頂層；3)按構件材料分：混凝土、鋼、鋼骨混凝土；4)按截面形狀分：矩形、工字形、槽形、圓管形等。

在三維平臺中，為滿足管理大量模型的要求，結構模型按Site，Zone，Frame，SubFrame，Section存放在不同的層次結構中；同時，為了按卷冊繪制施工圖的要求，將主廠房結構按區域做了劃分，如：A列柱、汽機房、除氧煤倉間，中間層、運轉層等。

由于計算模型和三維模型對構件分類方式的不同，在模型轉換過程中會有一些障礙。轉換過程中，需將計算模型中的全部信息抽取出來，再根據三維模型的要求劃分區域，劃分層次，滿足工程應用的要求。

1.3 計算模型局部更新到三維模型

通過上節所述的計算模型轉換三維模型的技術，替代了土建設計師手工抄模建立三維模型的過程，發揮了計算模型的價值，提高了三維建模效率。

但在實際應用中還存在以下情況：

1)導入的三維模型中，只包含梁、柱、支撐、樓板等構件，需要在初次導入的模型中，在三維模型中增加牛腿、挑耳、埋件、孔洞等細部構件；

2)在結構設計的過程中，計算模型也不是一次完成的。在設計不斷深化的過程中，需要改變構件的截面尺寸，移動構件的位置，增加一些次要構件；

3)將修改后的計算模型再次導入三維平臺后，在原三維模型中新增的細部構件都不存在了。

為解決上述問題，需要實現計算模型到三維模型的局部更新功能。該功能要求計算模型和三維模型中的構件信息建立對應的索引關系，如圖7所示。模型更新時，先判斷構件是否發生了變化，僅對于發生變化的構件，用計算模型中的構件替換三維模型中的構件，其他三維模型則保持不變，如圖8所示。這樣既實現了計算模型的更新，又保證了在三維模型中新增的細部構件的存在，保證已完成的工作成果不受損失。更新完成之后，需輸出詳細的更新報告，報告中應指出，新增了哪些構件，刪除了哪些構件，修改了哪些構件及這些構件的屬性變化情況。

2 模型轉換應用實例

基于計算模型轉三維模型的技術要求，開展轉換軟件的選型。經調研，目前能實現模型轉換功能的軟件有盈建科、探索者、邁達斯等。其中，盈建科模型轉換接口的功能與上述要求比較符合，下面采用該接口進行實際工程的應用。

2.1 工程概況

測試項目采用新疆天山電力奇臺熱電聯產一期2×350 MW工程，其廠址位于昌吉回族自治州奇臺縣城東北方向擬建的喇嘛湖梁工業園內。主廠房按兩機兩爐超臨界空冷燃煤發電機組進行設計，布置方式為汽機房—除氧間—煤倉間—鍋爐順列布置，汽輪發電機組縱向布置。主廠房采用現澆鋼筋混凝土結構。廠房橫向由A列柱—汽機房屋蓋—除氧煤倉間框架組成框排架結構體系，縱向采用鋼筋混凝土框架支撐結構體系。汽機平臺采用現澆鋼筋混凝土框架結構，平臺與A，B柱之間通過牛腿交接連接。

2.2 主廠房計算模型導入三維平臺

主廠房1號機的PKPM計算模型如圖9所示；2號機的PKPM計算模型如圖10所示。將計算模型通過轉換接口轉為PDMS三維模型，如圖11所示。經校核，轉換后的三維模型中：構件截面匹配正確，構件位置坐標正確，構件的偏心和對齊能正確處理，1號機和2號機通過模型整體平移指定插入點，正確的組合在一起。

2.3 主廠房計算模型局部更新到三維平臺

在主廠房1號機PKPM模型使用局部更新功能。原始計算模型如圖12所示，構件局部修改后模型如圖13所示，從左到右依次為：移動次梁位置、刪除次梁、增加次梁。經校核，計算模型的局部修改正確的更新到了三維模型中，如圖14所示。同時，在三維模型中手工建立的牛腿、埋件、孔洞等細部構件，在模型更新后被保留，如圖15所示。

2.4 應用效果

該模型轉換技術能保證計算模型和三維模型的一致性，且能隨著設計不斷深入保持三維模型的實時更新，保證了設計質量。同時，該技術能極大提高三維建模效率，以主廠房為例，原來手工建立三維土建模型需花費約2周時間，采用模型轉換技術后，1 d就能建立模型。若考慮到后期三維模型的更新和維護，廠區內主廠房之外的內建(構)筑物的三維建模，節省的時間會更多。

3 結語

工程測試和應用表明，土建計算模型轉三維模型的技術方案是切實可行的。采用該轉換技術，能充分利用土建計算模型的價值，避免重復建模和事后抄模，大幅提高三維建模效率，保證了三維平臺中土建模型的及時性和正確性，滿足了工藝專業的檢碰需求，提高了整體工程質量。同時，為下一步利用三維平臺進行孔洞、埋件提資，利用三維模型抽框架外形圖和樓板布置圖打下了基礎。目前該技術在國核電力規劃設計研究院已成功應用于多個國內外項目，取得了良好的應用效果。

[1] 張明志,郝 倩.淺析PDMS三維布置設計在火電項目中的應用[J].中國工程咨詢，2009(7):18-19.

[2] 魯勤武.基于PDMS平臺的核電工程模塊三維設計系統研究開發[J].中國核科學進展技術報告核能動力分卷(上)，2011(2):338-343.

[3] 謝 華.PDMS在土建結構設計中的應用[J].武漢大學學報(工學版)，2006(39):184-187.

[4] 鄧志堅,張漢東.三維工廠設計軟件VANTAGE PDMS在土建專業的二次開發及應用[J].安徽建筑，2006(1):118-121.

[5] 祝 黎.PKPM-PDMS三維接口技術應用的研究[J].山東電力技術，2010(1):57-58.

[6] 王守利.關于土建專業三維模型層次自動命名的研究[J].電氣技術，2013(3):24-25.

[7] 袁 泉,李丙益.三維工廠設計中結構設計流程的探討[J].武漢大學學報(工學版)，2007，40(sup):289-292.

[8] 袁 泉,李丙益.火力發電廠主廠房三維結構布置設計探討[J].武漢大學學報(工學版)，2008,41(sup):1-4.

[9] 蘇 陽,孔祥宇.土建專業三維平臺數據流轉的實踐[J].武漢大學學報(工學版)，2011,44(sup):139-141.

[10] 中國建筑科學研究院PKPMCAD工程部.結構平面CAD軟件用戶手冊及技術條件[Z].2013:55-59.

[11] AVEVA.Structural Design User Guide[Z].Cambridge,UK.2007.

Application technology of civil calculation model converting PDMS 3D model

Xiao Nan Zhang Chenzheng Guo Yong

(StateNuclearElectricPowerPlanningDesign&ResearchInstitute,Beijing100095,China)

According to the difficult of civil modeling in design of power plant involved in 3D collaborative process, technical scheme and flow chart of civil calculation model converting 3D model is proposed, and based on PDMS 3D design platform and model transformation software, this converting technology is utilized in actual project. It greatly improved the efficiency of modeling, ensured the engineering quality, achieved good effect.

PDMS, power plant design, civil calculation model, 3D model, conversion interface

1009-6825(2015)07-0254-04

2014-12-23

肖 南(1982- )，男，工程師； 張晨征(1981- )，男，工程師； 郭 泳(1988- )，男，助理工程師

TP301

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