基于Bentley的水電電氣三維元器件庫管理及參數化建模探索

彭自強

（湖南省水利水電勘測設計研究總院，湖南 長沙 410007）

隨著信息技術的飛速發展，BIM技術已成為工程建設領域的研究熱點。基于BIM技術的三維設計正逐步推動著設計領域的變革，被稱為繼CAD之后的第二次設計技術革命。

三維設計不再像傳統二維設計只是基于簡單二維圖符表達的平面設計，而是一種立體的三維空間表達。電氣三維設計作為水電站三維設計的重要分支，其涵蓋的三維元器件模型數量多，且由于各項目不同、各設備廠家不同，導致元器件模型樣式多種多樣，形成了龐大的三維元器件庫，給管理工作帶來了較大困難，直接影響了三維設計成果的規范性與完整性；同時設計人員需要花費大量時間去建立各三維元器件的模型，為三維設計工作增添了較大工作量，嚴重削弱了三維設計所具備的優勢。

參數化建模作為參數化設計的重要過程，越來越成為當前三維設計領域的研究熱點。參數化建模可以通過修改已定義好的參數來實現對模型的驅動，參數化驅動的方式便于用戶進行設計和后期修改，可以快速實現建模，對建立和完善元器件庫以及進一步提高設計效率具有十分重要的意義。

本文對基于Bentley軟件的水電三維電氣元器件庫管理方式及參數化建模進行了探索，詳細介紹了元器件庫管理、參數化建模原理、各參數化建模方法以及能達到的效果，最后得出適用于電氣三維元器件庫管理及參數化建模的方法。

1 水電三維電氣元器件庫管理

針對水電站復雜、龐大的電氣設備群，按照逐級細分、分類管理、便于查找的原則，三維電氣元器件庫可以按專業劃分為電氣一次專業元器件庫和電氣二次專業元器件庫兩個大類。在這兩個大類中繼續逐級細分，其中，電氣一次專業元器件庫按類型分為：開關柜、變壓器、戶外開關站、GIS、柴油發電機、照明設備、橋架設備等，電氣二次專業元器件庫按類型分為：通信柜、控制柜、中控屏、蓄電池、工業電視等。具體構成框圖如圖1所示。

根據構成框圖，采用VBA語言針對Bentley平臺開發了一款湖南院三維電氣元器件庫管理工具，界面如圖2所示。

通過安裝該管理工具，設計人員能夠方便的對龐大的三維元器件庫進行高效管理，該管理工具具備以下優勢：

（1）涵蓋三維元器件庫的全部元器件，設計人員可以事先預覽模型并能得到模型的描述信息；

（2）設計人員只需雙擊預覽模型，即可以直接在專業軟件進行放置；

圖1 水電三維電氣元器件庫

（3）管理工具基于Bentley平臺的基礎軟件Microstation編寫，適用于其他各專業軟件，具有較強的推廣性及交互性。

圖2 管理工具界面

2 參數化建模原理

參數化建模是一個描述對象規律的過程，其通過描述對象形體變化的規律來控制對象，模型參數的值可以變化，但參數之間的規律是沒有變化的。因此，對于隨機的、沒有規律的對象是無法實現參數化的，因為，當一個參數變化時，其他參數的變化沒有規律可循。

參數化模型表示了元器件的幾何約束和工程約束。幾何約束包括結構約束和尺寸約束。結構約束是指幾何元素之間的拓撲約束關系，如平行、垂直、相切、對稱等；尺寸約束則是通過尺寸標注表示的約束，如距離尺寸、角度尺寸、半徑尺寸等。工程約束是指尺寸之間的約束關系，通過定義尺寸變量及它們之間在數值上和邏輯上的關系來表示。

參數化建模的關鍵問題是如何創建一個滿足設計要求的參數化模型，所以在進行參數化建模時需要考慮多方面的因素：

（1）分析組成元器件幾何形體的基本元素，以及各個元素之間的關系；

（2）分析自由參數與哪些元素有關，如何保證只有參數的自由變化；

（3）確定模型主特征及所有的輔助特征；

（4）利用表達式編輯器，按照自由參數對部分表達式進行分析；

（5）確定特征創建順序，并進行模型的創建；

（6）更改各個自由參數的值，驗證模型的變化是否合理；

根據上述參數化建模原理，三維電氣元器件庫中的變壓器、柴油發電機等元器件的結構跟隨電壓等級、容量等參數沒有固定的可遵循變化規律，因而，這些元器件無法實現參數化建模；對于開關柜、GIS等設備由于結構簡單，沒有必要花費太多精力去實現其參數化建模功能；針對戶外開關站設備，其外觀形狀跟隨電壓等級有固定的變化規律，且其結構復雜，可以進行參數化建模探索。

3 基于Bentley軟件的參數化建模探索

Bentley平臺下有多種參數化建模工具，PCS（Parametric Cell Studio）、GC（Generative Components）以及各軟件的CE版都是較好的參數化建模工具，針對上述幾個參數化建模工具的探索介紹如下：

（1）PCS是基于ABD的參數化建模工具，通過其建立的參數化元件只能在ABD中使用，無法在Bentley其他軟件中調用；

（2）GC是基于Microstation的關聯參數化建模系統，其參數化規則和關系是用戶自定義的，通過界面圖形操作和結合編程的混合方法，設計人員可以使用GC模擬出各類幾何結構、每項操作都會被記錄并持久化，GC生成的文件可以在Bentley的各軟件中使用；

（3）當前階段，Bentley公司僅發布了MS（Microstation）和 ABD（AECOsim Building Designer）的CE版軟件，各CE版軟件自帶參數化建模工具，但其參數化元件只能在CE版本使用，不能向下兼容。

三維電氣設計的專業軟件為Substation和BRCM，因PCS和MS及ABD的CE版參數化功能無法在電氣專業軟件中使用，故無法實現三維電氣元器件的參數化建模。GC參數化建模工具復雜的操作且帶命令式的編程功能使得對電氣元器件進行參數化增加了很大工作量，不是一種理想的參數化建模工具。

Substation中國工具包中的參數化建模模塊，界面如圖3所示。其中包含斷路器、隔離開關、CT、PT、避雷器等戶外開關站設備，且通過調整電壓等級即可自動修改元器件模型，快速形成相應電壓等級的元器件模型；同時，如果項目所處環境為特殊環境，對結構有特殊要求，設計人員也可手動調整結構參數，生成手動調整的元器件模型，以滿足設計需要，并且可以生成相應的配置文件，供項目其他設計人員使用。

圖3 參數化建模模塊

電纜敷設與管理軟件BRCM中的橋架敷設工具可以實現橋架參數化建模。用戶可以設置橋架的類型、寬度、高度等參數，軟件可以自動生成相應橋架，同時還可以將參數帶入工程量清單，參數化橋架工具如圖4所示。

綜上所述，三維電氣元器件僅需對戶外開關站內各元器件以及橋架設備進行參數化建模。而針對這些元器件的參數化建模，通過Substation中國工具包中的參數化建模工具以及BRCM中的橋架敷設工具即可很好的實現。

圖4 參數化橋架工具

4 結論

文章對三維電氣元器件庫管理方式進行了研究，運用VBA語言開發了一款元器件庫管理工具；同時結合參數化建模的原理對水電電氣三維元器件庫進行了建模分析，提煉出了元器件庫中適合進行參數化建模的元器件；針對當前水電領域的三維設計軟件——Bentley軟件，對其參數化建模工具進行了探索分析，最后得出Substation中國工具包參數化建模模塊以及BRCM電纜橋架參數化工具可以適用水電電氣三維元器件參數化建模的需要。

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