GC在土石壩參數(shù)化設(shè)計中的應(yīng)用研究

文｜河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司 王巖

為有效的分析土石壩，采用參數(shù)化建模軟件Generative Component(GC)對土石壩主要構(gòu)件進(jìn)行參數(shù)化分析，找出其內(nèi)在結(jié)構(gòu)的規(guī)律性及各個構(gòu)件之間的參數(shù)關(guān)系，實現(xiàn)土石壩的數(shù)字化，參數(shù)化描述，生成參數(shù)可修改的結(jié)構(gòu)化三維模型。

1 概述

參數(shù)化建模軟件GC（Generative Component）是Bentley公司開發(fā)的一款基于Microstation平臺的關(guān)聯(lián)參數(shù)化建模系統(tǒng)。GC可以模擬人的思維邏輯，設(shè)定元素間的關(guān)系，形成各種各樣的空間形狀。只需在GC中邏輯修改，就可以輕松改變整個模型，改變傳統(tǒng)的CAD軟件只能通過畫線完成設(shè)計構(gòu)思的情況。GC已經(jīng)具備像人一樣進(jìn)行思維的前期條件，可讓建筑師、工程師以過去無法想象的方式呈現(xiàn)設(shè)計和實現(xiàn)結(jié)果；以自由的方式采用創(chuàng)新性的材料和組件，幫助設(shè)計師將靈感創(chuàng)意轉(zhuǎn)換為可實現(xiàn)的建筑作品；使編輯、刪除和重構(gòu)變化工作所耗費的事件更少，壓縮設(shè)計周期；只需在程序中改變不同結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)就可以生成不同的模型，但不會增加工作量。

GC在一定程度上可以將工程師從傳統(tǒng)的工程制圖解放出來，進(jìn)行更有效率、創(chuàng)造性的工作。工程師利用GC可以采用完全圖形方式工作，也可以將圖形與腳本和編程結(jié)合使用。GC使得工程師用邏輯的方式將我們對現(xiàn)實世界的感性認(rèn)識和改造世界的創(chuàng)新意識有機的結(jié)合在一起。

2 GC工作原理

GC可以與現(xiàn)有的Microstation元素結(jié)合使用，既可以在當(dāng)前的*.dgn文件中使用，也可以從參考文件中使用。

傳統(tǒng)的CAD應(yīng)用程序，例如Microstat ion，AutoCAD不會記住如何生成圖形，因此，有關(guān)如何創(chuàng)建圖形的信息總是屬于臨時信息。GC則不同，圖形的創(chuàng)建方式信息屬于永久性信息，對象可以記住自身的創(chuàng)建方式。同時GC還有以下優(yōu)點：它是基于幾何和特征的傳統(tǒng)建模，是一個參數(shù)化和關(guān)聯(lián)控制的系統(tǒng)，支持面向?qū)ο蟮能浖O(shè)計約定編寫腳本和編程。

使用GC進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計的典型工作流如下：

1)對工程進(jìn)行分析，選取最優(yōu)方程，并提取以后需要做方案調(diào)整的公共參數(shù)。

2)由方程生成各類特征，一般先生成點，由方程和公共參數(shù)控制點。

3)由點生成曲線，使用點來控制曲線。

4)由曲線生成曲面，使用曲線來控制曲面。

5)由曲面生成實體，使用曲面來控制實體。

6)使用GC直接生成各類專業(yè)模塊，比如建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件，也可以參數(shù)化切圖，統(tǒng)計材料甚至動畫漫游。

7)后期方案調(diào)整，修改方程和公共參數(shù)。

3 利用GC進(jìn)行土石壩建模案例

系統(tǒng)選擇使用GC實現(xiàn)了對土石壩參數(shù)化設(shè)計。首先利用GC實現(xiàn)對壩體模塊的構(gòu)建，然后利用模型特征技術(shù)實現(xiàn)對壩體模塊的特征模型的生成，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)土石壩參數(shù)化設(shè)計中參數(shù)信息的動態(tài)修改和壩體模塊裝配。

3.1 壩體三維參數(shù)化建模過程

整個系統(tǒng)中所有的壩體模型都利用GC生成，但是由于模型眾多，這里選擇土石壩上游壩身為例對建模過程進(jìn)行介紹。

3.1.1 確定壩體圖形變量

圖形變量時指已經(jīng)命名的、可將值保存為單個值或值列表的數(shù)據(jù)容器。這些值可以通過使用變量名替代所需值來訪問。系統(tǒng)將壩體的主要參數(shù)設(shè)置為圖形變量，以便在建模時候使用這些參數(shù)確定幾何元素特征點的位置。土石壩上游壩身的主要變量見表1：

設(shè)置圖形變量可以大大簡化復(fù)雜參數(shù)或者系列參數(shù)的調(diào)用過程，通過調(diào)整壩體圖形變量可以迅速直觀地實現(xiàn)設(shè)計意圖，便于后期模型重用和方案調(diào)整。

表1 土石壩上游壩身參數(shù)列表

3.1.2 確定構(gòu)件幾何特征點分布及壩體斷面

幾何特征點的確定通過圖形變量和幾何模型的約束關(guān)系的進(jìn)行計算得出確定的某一特征點的位置。但是對于初始幾何特征點（即模型基點）的位置，可以由用戶任意指定。幾何特征點生成過程樹狀圖如下所示，其中邊代表了幾何特征點的生成順序，邊上的權(quán)值代表了特征點生成過程遵循的圖形變量約束規(guī)則。

約束規(guī)則是根據(jù)實際開發(fā)過程，對各個幾何特征體需要滿足的幾何約束關(guān)系進(jìn)行定義。

圖1 土石壩上游壩身幾何特征點的約束關(guān)系圖

圖2 土石壩上游壩身建模過程

確定完土石壩上游壩身各個特征點的位置后，使用GC中的命令Create New Feature-＞Polygon-＞ByVertices創(chuàng)建斷面。其最終效果如圖2所示。對于生成的斷面。

3.1.3 通過斷面生成三維實體

通過實體的OffsetFromClosedCurve操作，指定其閉合界面的偏移值，可以說生成符合系統(tǒng)要求的土石壩上游壩身的實體圖像。如圖2(b).

土石壩每個壩體模塊的構(gòu)建過程都是類似的，這里不再贅述。由于模型各個部件之間彼此聯(lián)系，整個建模過程必須要有有效的組織建模邏輯和層次，如果不能明晰關(guān)系之間的復(fù)雜性，就無法調(diào)控最后的參數(shù)化模型。最后，我們將所有的壩體模塊裝配在一起，其效果如圖3所示。

圖3 最終完成的土石壩三維模型

3.2 數(shù)據(jù)式修改土石壩參數(shù)模型

數(shù)據(jù)式建模是基于Excel的變量控制建模方式。通過修改預(yù)先錄入Excel表格中的數(shù)據(jù)可以即時實現(xiàn)自動化建模或模型修改，大大提高設(shè)計效率。

對于模型參數(shù)我們可以將參數(shù)信息預(yù)先載入Excel表格中，當(dāng)需要對某個模型參數(shù)信息進(jìn)行修改的時候，直接在Excel中進(jìn)行修改。

其中也對Excel數(shù)據(jù)的導(dǎo)入可使用以下代碼：

表2給出來三組土石壩上游壩身的數(shù)據(jù)集合以及三組不同的賦值，根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，我們可以生成不同的土石壩上游壩身效果圖，如圖3所示。

4 結(jié)束語

參數(shù)化設(shè)計師計算機技術(shù)不斷智能化發(fā)展的結(jié)果，對現(xiàn)有的模型設(shè)計體系有革命性的推動，更適合現(xiàn)有社會條件下復(fù)雜、多變且快速的設(shè)計環(huán)境。GC正式具有關(guān)聯(lián)性的參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)，為工程師有效地探索其他模型構(gòu)建形式提供新途徑。本文從參數(shù)化思想出發(fā)，利用GC平臺，構(gòu)建了土石壩的三維模型，并實現(xiàn)模型參數(shù)的動態(tài)修改過程。

表2 上游壩身各個參數(shù)修改表