三維參數化設計在港口水運行業中的應用

楊鐸，韓越

（安徽省交通勘察設計院有限公司，安徽 合肥 230000）

1 前言

BIM 技術自2002年被正式提出，2004年引入國內逐漸應用，是繼CAD 技術應用后，建筑[1]、橋梁[2]、交通[3-4]等行業的又一次重要技術革新，近幾年來發展迅速。國家對BIM 技術高度重視，住建部在《2011-2015年建筑業信息化發展綱要》中，將BIM 技術列為重要推廣應用技術。對應的，在機械制造行業領域，提及更多的則是PLM，即產品生命周期管理（Product Lifecycle Management）。無論是BIM 還是PLM，它們的起點和信息依存基礎都是相同的，即三維設計。

三維可視化設計形象、直觀，具有直接取代傳統二維設計方式的巨大潛力，專業人員可以應用三維設計軟件進行碰撞檢查，避免錯、漏、碰等二維設計中容易出現的失誤；直觀的視覺信息與設計方案要表達的信息100%重合，避免了設計信息在圖紙與實物間轉換造成的信息丟失，設計質量與準確性可以得到相應提升；并借助軟件自帶測量工具直接得到構件的體積甚至質量，進而實現快速、高精度工程量統計。

水運、水利行業BIM 技術發展并不均衡，業內部分大型設計單位，已涉足三維設計多年，借助于機械、建筑等行業的成熟經驗，經歷了“二維設計-三維建模”、“三維展示”、最后到“三維正向設計”的不同階段，探索和積累了在某些專業或項目中推廣三維設計的成熟經驗，但相對來說，大部分業內設計單位僅僅是剛開始應用BIM 相關技術[5-6]。總體來說，整個行業逐漸將解決問題的關注點集中在了參數化建模、標準化構件庫以及各專業協同平臺上來。參數化建模方式在機械制造行業應用已久，最常用的設計軟件，包括SolidWorks、CATIA、U/G 等，都具有專業化、參數化等建模功能，但在水運、水利等行業的應用相對滯后，且大部分專業缺少專業應用模塊。現如今，眾多三維設計軟件已經將國內業務從機械制造擴展到建筑、交通行業，開發出眾多可參數化的建筑設計模塊。業內設計人員，借助于通用三維設計軟件，也開始不斷探索建立企業級參數模板庫與標準構件庫，通過通用設計軟件自帶功能或者二次開發插件，不斷提高設計效率，并初步完成了某些專業或某類項目從二維設計到三維設計的過渡。

本文以內河港口項目中水工金屬結構專業常見的鋼引橋結構的三維參數化設計為例，借助達索3DE 通用設計軟件，簡述三維設計、參數化控制、設計模板等技術在水工結構專業中的應用。

2 三維參數化模板

3DE 通用設計軟件具有參數控制、參數編輯、多專業平臺協調等優勢，本文以此為平臺創建參數化模型，并借助其知識工程的強大功能生成可供使用的三維參數化模板。

眾多三維CAD 軟件，生成模型的方式略有不同，最常用的 “草圖-凸臺-零件-裝配”方式，需要設計人員在面對復雜結構時，先創建大量的零件、再進行最后裝配，工作量較大，工作效率偏低。雖然一些零件模型可保存在構件庫中重復利用，但從其在水工金屬結構專業的實際應用來看，設計效率的提升并不明顯。借助軟件自帶的幾何體尺寸參數，也可以幫助設計人員較快地修改零件尺寸，但零件數量較多時，效率提高依然不明顯，參數化的優勢并未體現。

本文介紹的三維參數化模板，著重關注如何較大化地提高水工金屬結構的設計效率，幫助設計人員從容應對設計工作以及設計變更。

三維參數化模板創建思路：在幾何體自有尺寸參數的基礎上，創建用戶參數，通過創建和編輯參數之間的數值與邏輯關系公式，來實現結構總體尺寸（如橋體長度、寬度、高度等），桿件空間位置尺寸（如橋面橫梁、縱梁間距）與數量，零件截面尺寸（如型鋼截面形狀、高度、壁厚）等的相互配合，進而實現對相關幾何體空間尺寸與空間位置的控制，將可編輯的參數范圍從零件級別擴大到整體模型級別。參數化模板作為后續項目類似結構設計的參照，通過對豐富的用戶參數的快速編輯（如橋體長度、寬度、高度等），可以快速生成我們需要的新模型。在類似結構的設計中，實現了建模速度的明顯提高，設計時間的明顯縮短，設計效率的明顯提升。

以平行弦式普通桁架鋼引橋為例，其主要由不同截面的桿件組成，包括：主桁架、橋面梁系、縱向聯結系、橫向聯結系、欄桿、節點板等。在此三維模型（圖1）中，共設置了74 個相關用戶參數（表1），設置了368個參數之間的關系式，來控制整個模型，實現了從整體到局部，從空間間距到桿件數量，從桿件長度到截面尺寸的全參數“半自動化”控制。使用此三維模板進行鋼引橋設計，大大縮短了三維建模時間。

表1 用戶參數的分類及參數類型

3 高效出圖

借助于三維參數化模板技術，可以實現相似結構的快速設計和建模，但現階段與施工對接時，出版二維圖紙依然不可避免，重復性的出圖依然會浪費較多的時間和精力。通過設置模型與圖紙間的關聯關系，可實現投影輪廓自動更新、標注自動更新等功能，來實現高效出圖。

3.1 輪廓、標注自動更新

創建三維參數化模板的同時，可創建配套圖紙模板，并設置投影、剖切平面位置、標注位置等，每次利用三維模板完成新方案設計后，通過圖紙更新即可得到完成度較高的備用施工圖，經過簡單調整即可完成施工圖設計，避免了重復出圖，進一步提高了設計效率。

3.2 工程量自動統計

水工金屬結構專業在施工圖階段，通常需要進行手動工程量統計，占用了較大的工作量與工作時間。

可通過創建三維模板與圖紙模板間的相關數據鏈接，即：材料表單元格與模型參數之間的數值關系，實現材料表內數據的自動更新，通過更新圖紙即可實現工程量的自動統計，避免了手動統計效率低、準確性差的缺點。

4 輔助有限元前處理

有限元仿真的前處理過程，特別是網格尺寸、網格數量，對計算結果準確性的影響較大。對于以桿件、板殼為主的金屬結構來說，如果使用實體單元進行網格劃分，最終單元數量會超過千萬級甚至億級，有限元軟件計算時間過長，計算錯誤幾率增加。使用三維CAD 軟件完成金屬結構設計后，多數情況下無法直接利用實體模型進行有限元仿真，還需要設計人員在有限元軟件中重新創建以線、面為基本元素的簡化模型來進行仿真計算，在有限元前處理中重復建模浪費了較多的時間和精力。

為了解決這個問題，我們提出了線-面-體“三合一”設計模板的思路。在創建鋼引橋三維參數化模板時，同時創建了線框模型（圖2）作為結構骨架，以此為定位基準創建面模型（圖3），最后使用“厚曲面”命令將面生成體模型，供設計人員進行出圖。3 種不同基本元素組成的三維模型，共用一套參數體系，修改某一參數后，可實現同時調整和更新。

將線框模型導出、導入有限元軟件，使用一維梁單元劃分網格，可求解桿件內力，驗算變形與撓度、長細比等，輔助設計人員進行初步設計和優化；面結構模型導出、導入有限元軟件，使用二維面單元劃分網格，用于局部結構強度、穩定性驗算，比如節點板局部驗算，桿件端部焊接區域驗算等。

5 總結

本文中介紹的三維參數化模板技術，通過參數化控制，實現了“半自動化”三維建模、二維出圖、輔助有限元仿真等目的，明顯地提高了專業設計效率與設計精度。設計人員借助通用三維設計軟件，不斷擴大參數化、標準化在設計流程中的應用范圍，進一步簡化設計中的次要工作（如二維作圖、工程量統計、有限元前處理等），減少人工手動操作，將廣大設計人員從繪圖工作中解放出來，把大部分時間和主要精力放在結構設計、仿真計算與結構優化上來。經過長時間積累，可逐步形成具有專業特點，符合從業人員使用習慣的參數化模板庫、標準化構件庫，實現金屬結構專業從二維設計到三維正向設計的逐步過渡，此項技術同樣可以推廣到其它缺少專業軟件的相關專業，進而擴大到整個內河港口項目設計。對專業設計水平與總體行業發展的提高，必將具有重要意義和巨大的經濟效益。

隨著BIM 技術的深入發展與推廣，三維正向設計必然會取代二維CAD 設計，參數化、標準化在三維正向設計上的應用，可以大幅度提高三維正向設計的效率與精度，為其在港口水運、水利行業的推廣與應用增加助力。