三維設計在水工金屬結構專業中的應用和展望

于 堯

(上海市水利工程設計研究院有限公司，上海 200061)

水利工程金屬結構專業的設計工作不同于常見的設備專業如給排水、暖通空調、電氣等，其專業設計包含了和其他設備專業相似的標準設備選型設計部分(即選擇滿足功能要求的設備等)，還包括了非標準設備設計(如閘門、攔污柵等)，涵蓋了鋼結構和機械專業設計，接近并略低于傳統意義上的產品設計，其施工階段的圖紙設計深度要滿足設備制造的要求。水工金屬結構和土建專業三維設計工作的最大區別是其模型構建需要裝配操作(不同于土建專業的“組裝”-簡單堆疊)。在專業內，模型的構建要考慮其在工程不同階段的傳遞，模型設計的最終深度要滿足制造的要求，而不是僅創建用于展示、投標等的示意模型。當專業模型整合到BIM中時，根據產權保護的要求，同時考慮到軟件的承載力和應用場景等，在無特殊要求的情況下，一般輸出的是簡化模型，用于土建結構配合展示、設備吊裝凈空檢查、管路布置優化等。

1 金屬結構專業三維設計應用

1.1 三維參數化設計

金屬結構專業的常用非標設備如閘門和攔污柵等的主要組成部分是由不同規格的型鋼、鋼管和非標焊接件等組成的平面或空間桁架結構，適合通過參數化骨架建立模型，如圖1所示。而相配套的傳動、支承、止水等組件一般隨主結構變化較少，一般是按標準系列選擇再進行微調，組件還含有不同數量的標準緊固件，適合建立為模塊化庫[3]。參數化模型建立的關鍵是要對整體結構有清晰的理解和劃分，對建模過程和裝配關系的組成要有全局性的規劃，幾何約束的設置優先級要高于尺寸約束，參數的設置要考慮關聯性和傳遞性。通過經驗總結和測試，建立全參數關聯模型。借助產品數據管理[4]、產品生命周期管理[5]軟件，專業間還可以實現共享、協同設計，專業成果數據可以實現較好的繼承和展現。

金屬結構專業設備的設計在部分多模塊軟件中還可以和應力分析、結構件分析、運動仿真模塊同步進行，參數的調整可以直接反饋為結果，省去了模型導出、處理、導入過程，節省了時間，一定程度上提高了效率。通過對軟件相應模塊接口的二次開發，將應力分析結果提取并和結構件尺寸有機關聯，可以實現結構的優化設計。通過組合相關土建結構模型進行運動仿真分析，可以判斷部分設備(如閘門)的啟閉過程能否達到預期要求。通過輸出結構件的網格幾何模型(STL文件)，可以實現設備模型的3D打印，如圖2所示，模型可以用來單獨或配合土建結構進行展示，或用于專業內的樣機分析。

圖2 3D打印生成的某平面直升門門葉(3D打印是快速成型-疊層/增材制造技術的統稱)

1.2 部件裝配模擬和埋件展示

在金屬結構設備的設計中，部分部件內部結構復雜，通過二維圖紙難以表達其全部內容，這個時候就可以通過爆炸視圖工具來展現分解到零件級別的結構，如圖3所示。在金屬結構常見閘門設計中，門槽的埋件圖紙的表達往往通過不同平面上的橫剖圖來表示，結構關系不直觀，且工程量統計易出錯，通過構建預埋件的三維參數化數字模型，能很好的解決埋件設計中的相關問題，同時包含埋件的二期混凝土模型還可以轉移給土建專業用于一期混凝土配筋。如圖4所示。

圖3 懸臂式滾輪爆炸視圖

圖4 閘門門槽預埋件透視

1.3 工程量統計

金屬結構專業設備的工程量統計主要分為專業內和專業間傳遞，對專業內部又按工程階段有所區分，在早期階段主要是非標設備的定位尺寸、預估重量以及標準設備(啟閉機、清污機等)的關鍵參數，在施工圖階段非標設備要給出詳細的材料(零件)組合明細表用于招標采購和制造，如圖5所示。對于專業間傳遞，主要是將金屬結構標準設備的相關參數以及非標設備的主要型式、尺寸和重量移交給造價專業。通過構建非標設備在不同階段的三維實體模型(按實際情況可以繼承階段模型再設計也可以單獨參數化階段模型)，可以精確統計非標金屬結構設備的重量(還可以計算整體密度如浮箱閘門，計算并顯示設備重心位置等)，在專業內部通過軟件內部的物料清單功能(根據需要定制)可以直接生成材料表，并同步在工程圖紙上，通過計算機統計生成的清單數量準確，出現常見的漏項、漏數錯誤的概率低。

1.4 工程圖生成

金屬結構專業的工程圖紙主要分為非標設備的設計圖紙和全部設備的布置圖(含設備主要參數)，其中非標設備的設計圖紙一般可以通過三維機械設計軟件直接投影生成，根據需要添加剖視圖、局部放大視圖、重疊視圖、尺寸、公差配合、表面處理要求、焊接要求等信息，模型的更改和圖紙上相對應的信息是同步的，所以修改模型后不需要花費大量的時間用來修正相關圖紙。對于已實現全參數關聯-界面化/表單化的模型，圖紙處理的過程更為輕松。設備布置圖需要參考土建結構的有關圖紙復合生成，可以選擇從土建三維模型切分導入或在本軟件中參數構建相關土建模型加工生成，亦或是綜合本專業已生成的和土建專業傳遞來的二維圖紙。如圖6所示。

需要注意的是，通過投影生成的圖紙和傳統的二維CAD圖紙在某些表達上可能會有所區別，比如原二維圖紙的部分表達可能以示意為主，并非真實投影；還存在為了節約圖紙幅面，部分零件沒有單獨的圖紙，只在裝配圖上有部分尺寸標注的情況；部分三維設計軟件的工程圖模塊只使用操作系統內置的TTF字體而非AutoCAD中常用的SHX字體，導致不同專業的圖紙字體不能統一。在完成二維向三維的過渡期間，需要根據相關制圖規范對軟件進行定制，同時相關的公司規定和專業習慣也要修訂和統一。

圖6 某節制閘門門葉結構圖

1.5 設備布置

金屬結構專業的設備布置在項目的前期階段，可以使用簡化模型配合土建結構用于展示。在施工圖階段，可以融合設備和土建模型，并借助土木工程三維設計軟件進行啟閉機-液壓管路布置等精細化設計工作，有助于優化相關土建結構和管路布置。如圖7所示。

1.6 設備編碼和管理

在工程項目的施工和運維階段，可以參照相關標準和需求，制定設備的編碼清單，通過軟件賦予設備編碼，再導入相關管理平臺，可以實現數據集成、資產和信息管理等功能。如圖8所示。

1) 經濟水平不同的城市的投資能力存在差異，因此，在多港口地區當港口城市經濟實力相差懸殊時，會出現經濟水平更高的城市港口規模持續增加，其他城市的港口維持基本規模的狀況。但要注意克服大港口壟斷帶來的負面效果，目前這種現象在我國較少見，因為我國同一區域內港口城市經濟實力的差距在變小。當港口城市經濟實力相差無幾時，港口城市都將積極投資擴大港口。目前，我國的各多港口地區基本處于這種狀況。此時，應注意加強監管或總量控制，避免供給過剩，浪費資金、岸線和土地資源，最好的做法是把投資港口的決策權交由港口企業。

圖7 結合土建結構金屬結構專業設備三維布置圖

圖8 某泵閘工程金屬結構設備編碼

2 幾何建模內核和模型交換

上文中描述的金屬結構設備和土建結構模型融合應用，不可避免的涉及到不同三維設計軟件間的數據傳遞。數據傳遞的方向包括提供方內部上下游應用間(可以為同專業不同應用場合或不同專業不同應用場合)，以及項目參與各方間。數據在傳遞的同時就可能帶來不同程度的丟失，丟失是否會影響傳遞方使用，關鍵在于丟失的內容、丟失率以及應用對數據丟失內容的接受度。一般來說，通過文件格式的傳遞包含了幾何和非幾何信息，在現有技術條件的約束下(軟件接口、文件格式和規范性)，從設備專業的三維設計向土木工程三維設計主要傳遞的是幾何信息(可以為簡化的)，非幾何信息的傳遞目前意義不是很大，對于在管理平臺中的設備模型，其非幾何信息(技術，維護參數等)可以通過后期添加。

一般來說，在三維設計數據傳遞的過程中首先要保證的是幾何信息的有效轉換，在此基礎上再擴展到其他數據信息。在實際操作中，模型在傳遞過程中會存在幾何信息不同程度的丟失。比如在軟件A顯示為完整圓形的面，在B軟件中顯示為由多個等邊小三角組成邊緣的圓面；在軟件A中顯示正常的曲面，在B軟件中破了一個洞。丟失的主要原因是不同軟件使用的內核對點線面描述不同，實體模型構建的順序和經過布爾運算不同(和GPU的硬件規格和計算精度以及所使用的驅動也有一定關聯)。從三維設計軟件的操作到顯示器上的模型展現，在幾何層面上經歷了圖形庫和幾何建模內核的調用。

表1 不同CAD/CAE軟件使用的幾何建模內核和圖形函數庫對比圖(實際使用中行業不限于機械和土木工程)

2.1 圖形庫的概念

圖形函數庫(GL-Graphics Library)是一個設計用來幫助完成從計算機圖形到顯示器過程的庫，通常包括處理常見渲染任務的函數。它可以只調用中央處理器，在軟件中計算完成，常見于嵌入式系統；或者由圖形處理單元硬件加速，在個人計算機中較常見。通過采用這些函數，程序可以合成要輸出到顯示器的圖像。這種方式減少了程序開發人員創建和優化輸出圖像的工作，使其專注于構建圖形程序本身。常見的圖形庫有OpenGL、DirectX、Vulkan等，應用在計算機、手機等平臺中，有些圖形庫還有2D和3D版本之分，如Direct2D和Direct3D。在常用CAD/CAE軟件中使用的是OpenGL和Direct3D。公開圖形函數庫是用于渲染2D、3D矢量圖形的跨語言、跨平臺的應用程序編程接口[6]，可以完全用軟件實現(完全由CPU運算)，但通常用于與圖形處理單元(GPU)交互，以實現硬件加速渲染。Direct 3D是在Windows操作系統上基于C++開發的3D繪圖編程接口，是DirectX的一個組件。

2.2 幾何建模內核的概念

幾何建模內核(GMK)是三維設計軟件中程序組件，用于定義和存儲三維實體對象的核心數學函數庫[7]。不同軟件產品使用的GMK不同，實體模型構建的步驟也不同，可建模的范圍和精度也有差異，這是不同三維CAD軟件在圖形層面轉換時存在丟失的根本原因。常見商業GMK有Parasolid、ACIS(Alan， Charles， Ian’s System)、C3D、ShapeManager等，常用的機械工程和土木工程CAD軟件所使用的幾何建模內核以及圖形函數庫見表1。

用戶通過輸入界面進行操作，軟件使用幾何建模內核完成建模后，再通過調用圖形函數庫完成最終的桌面端顯示功能。幾何建模內核決定了軟件建模的效率和能力，而軟件使用的圖形函數庫影響了最終圖形的顯示效果(是否支持調用GPU加速，即軟件使用的圖形函數庫和GPU支持的是否匹配)，如果計算機中的GPU不支持OpenGL或者支持的版本低，而三維CAD軟件只使用了OpenGL，那么就可能會切換為純CPU運算模式，在一定程度上會降低用戶端使用的流暢感和顯示效果。

2.3 文件格式和模型交換

工程人員通過CAD軟件完成建模后，通常會直接根據文件類別保存為軟件設置好的原生格式。一般來說該原生格式的內部功能劃分、編碼方式取決于軟件公司，但文件內對用戶有價值的主要是幾何和部分非幾何信息。當用戶需要在不同軟件或者軟件版本間傳遞文件數據時，為避免數據冗余，傳遞前應根據需求對數據進行整理和清理。

數據交互包含兩個層次：①數據提供方內部。②數據提供方和外部接收方之間。數據交互應基于一定的目的性(純幾何交互或復合交互)，參與方應根據需求和實際情況，評估確定交互采用的方式。在實際操作中，主要有兩種方式：①原生格式轉換。這種方式最為理想，包括輸出對方軟件的原生格式或者對方直接接受本方的原生數據，由于各軟件的幾何建模內核不同，大部分為私有或者授權使用，所以一般需要不同軟件廠商相互授權并特殊定制或者通過專業的服務提供商轉換。②中間格式轉換，即輸出由國際組織定制的標準格式如產品設計領域的STEP[8](產品模型數據交互規范)，它是國際標準化組織制定的描述整個產品生命周期內產品信息的標準(ISO 10303)； IFC(工業基礎類，以STEP為基礎)，其中IFC-SPF的文件擴展名為.ifc，是由ISO10303- 21[9]定義的文本格式，IFC-XML的文件擴展名為.ifcXML，是由ISO10303- 28[10]定義的XML文件，適合XML工具。IFC是AEC-BIM領域里國際標準格式，用于描述整個建設工程全生命周期內信息[11- 13]；或使用符合某種幾何建模內核的純幾何交換格式，如符合Parasolid內核建模規則的XT格式。

理論上，不同軟件之間的數據轉換不可避免地要產生數據丟失。鑒于現階段各軟件輸出為中間格式或原生格式文件的能力有差異(還有文件版本的差異)，在實際應用中也存在不同文件格式、版本導致轉換偏差等情況，應在正式交互前對擬采用格式進行測試，采取相應措施確保數據滿足一致性、適用性的要求[14- 15]。

3 結語

長期以來，水工金屬結構的專業設計有較大比例是以經驗圖紙為基礎，進行更新和修改，設計水平的提高受到一定的限制。在機械制造行業廣泛推廣使用計算機進行三維設計的年代，金屬結構專業三維數字化設計和分析工具的使用并不普遍，這和行業間的交流以及建設工程行業承包類型的選擇以及建設程序有關。

本文僅從專業角度，介紹通過三維計算機輔助設計和分析技術的應用，提高水工金屬結構專業的的設計水平，減少重復繪圖工作，實現計算分析和設計修改的無縫連接。如何建立健全技術和管理流程，有機結合產品信息模型和土建結構信息模型，為機電設備在工程建設全生命周期內的應用發揮更大的效益，還有待深入研究和實踐。