基于BIM技術的起重機械設計與制造

盛彩連 董澤鑫

（上海電力機械有限公司，上海 200245）

1 基于Bentley系列軟件的塔節建模

Bentley系列軟件包括三維參數化建模、曲面和實體建模、設施規劃等功能模塊，支持三維可視化、導航以及漫游等功能，提供了支持建筑全周期工具，支持協同管理并與專業軟件集成，是建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）的重要支撐技術[1]。

1.1 軸網的建立

鋼結構塔節在ProStructures軟件中進行建模的前提是先建立好軸網，以保證各個型鋼和零件的相對位置。通過圖紙尺寸確定好軸網的外形尺寸，建立軸網如圖1所示。

圖1 建立軸網

1.2 型鋼庫的使用

ProStructures的型鋼庫中配備了國標、歐標、美標及自定義等各種型號的型鋼。使用時，可根據所需要的型鋼在型鋼庫中查找型鋼并調入模型文件。其中，插入方式可以選擇線性插入，通過關鍵點插入到已經預設置好的軸網上。若軸網規格無法滿足型鋼放置需要，則可通過繪制輔助線來放置型鋼[2]。放置型鋼時可根據需要旋轉型鋼的放置角度、長度等。已經添加的型鋼可以通過其屬性查看型鋼型號、材料及長度等信息，如圖2所示。

圖2 型鋼屬性信息

1.3 連接板的創建

利用ProStructures中的連接中心功能，可以直接在兩根型鋼之間生成連接板，并且在型鋼的相應位置鉆孔。具體的連接中心有多種類型，如端板、拼接節點以及剪力板連接等[3]。本文塔節的建模主要應用的連接方式為剪力板連接。

剪力板連接又分為剪力板、加勁肋梁以及加筋板梁等。針對于本文塔節的建模，選擇加勁肋梁的連接形式，如圖3所示。

圖3 連接中心

1.4 模型的導出

在建好所需模型后，如圖4所示，將模型導入3D Max軟件中制作動畫。Bentley系列軟件中建模軟件的格式多為DGN文件，需要將文件格式轉化為3D Max支持的FBX文件格式。導出文件時，3D Max所識別的個體是以FBX文件的顏色或圖層區分的，需做成一個整體的零件以同一顏色繪制，或者使其處在同一圖層。在導出文件時，可以通過顯示集設置進行單項選擇。導出時選擇交互文件類型中的FBX文件，在導出設置中需要選擇單位和公差。公差通常設置為0.001，這樣導出的模型較為適配。同時，勾選“翻轉Y和Z”，3D Max中的坐標和Bentley軟件是相反的，需反轉Y坐標和Z坐標。

圖4 鋼結構塔節模型

2 基于3D Max軟件的動畫制作

3D Max是一款功能強大的三維制作渲染軟件[4]。在計算機里顯示3D圖形，就是在平面里顯示三維圖形。從人眼的視覺效果上虛構的三維立體感，通過計算機屏幕上色彩灰度的不同調節，使人眼產生視覺上的特殊效果[5]。

2.1 銑床加工動畫

導入模型，點擊左上角命令，導入選項中選擇“合并”命令，在3D Max內載入已經創建的三維模型（銑床、待加工工件等）。調整位置，通過“視角塊”的自由旋轉找到合適視角，通過“菜單欄”上的“移動”“旋轉”“縮放”指令，對載入的銑床及相關模型進行位置的安放。

創建“組”，根據提前編寫的腳本內容，對預操作模型進行“組”的創建，即編排模型內部和模型之間的附屬關系、運動關系。

創建關鍵幀，通過對“菜單欄”和“關鍵幀區”結合使用，創建模型開始關鍵幀，完成手輪旋轉、銑刀旋轉、工作臺往復運動以及工件的位置變換等。鼠標左鍵拖拽關鍵幀即可移動關鍵幀，Shift+鼠標左鍵拖拽關鍵幀即可復制關鍵幀。通過對關鍵幀的創建與調節進行銑床加工動畫制作，如圖5所示。

圖5 銑床加工

2.2 焊接加工動畫

導入模型，點擊左上角命令，導入選項中選擇“合并”命令，在3D Max內載入已經創建的三維模型（焊機、待加工工件等）。調整位置，通過“視角塊”的自由旋轉找到合適視角，對載入的焊機及相關模型進行位置的安放。

創建“組”，參考上述同名操作，另逐條焊縫需單獨分離，要保持創建“組”時的打開時機正確。

創建“粒子噴射”。實際焊接操作中，火星濺射的場景在3D Max里用“粒子噴射”指令完成。在“創建區”選擇“粒子噴射”，在焊接相應區域添加并調整粒子噴射方向、范圍等，再設置關鍵幀完成該效果的創建。

創建“關鍵幀”，參考上述同名操作，另待加工工件的焊縫需要做“可見性”處理，并跟隨焊槍運動加相應關鍵幀，通過關鍵幀的創建與調節進行焊接加工動畫制作，如圖6所示。

圖6 焊接加工

2.3 拼接組裝動畫

導入模型，點擊左上角命令，導入選項中選擇“合并”命令，在3D Max內載入已經創建的三維模型（塔節部件、螺栓等）。調整位置，通過“視角塊”的自由旋轉找到合適視角，對載入的塔節及相關模型進行位置的安放。

創建“組”，參考上述同名操作，同時要求塔節各部件的“組”在拼接過程中打開時機與關鍵幀保持一致。

創建“關鍵幀”，參考上述同名操作，其中“可見性”處理是重點。該環節動畫“可見性”為主導，根據腳本內容調節依次出現的各部件，并對各部件的“可見性”做相應關鍵幀，通過關鍵幀的創建與調節進行拼接加工和動畫制作，如圖7所示。

圖7 拼接組裝

2.4 渲染動畫

在完成動畫制作、賦予材質和相機創建后，即可進行最后的渲染。打開“菜單欄”的“渲染設置器”，調整寬高比為“1920×1080”，取消GI的勾選（一般不啟用，若啟用則渲染時間倍數增加，非高質量要求不啟用），查看安全框和渲染視圖是否選擇正確，選擇渲染的保存位置，輸出格式為“JPEG”格式。點擊“渲染”指令開始渲染，通常渲染時間會較長且占用中央處理器（Central Processing Unit，CPU）較大，故盡量保持設備完全處于渲染狀態，如圖8所示。

圖8 渲染動畫

3 使用PR（Premiere Pro CC）軟件對動畫進行合成剪輯

在3D Max中完成的動畫渲染圖以JPEG的形式導出，合成剪輯的步驟在PR軟件中完成。首先從“導入區”加載3D Max導出的JPEG文件，在“工作區”中視頻道、聲道等位置對文件進行后期處理，將單個的JPEG文件合成為整體視頻文件，對文件進行添加字幕配音、添加轉場效果等一系列處理，而后在上方“菜單欄”內點擊“編輯”“導出”，最后以.mp4格式導出到指定的文件夾內，完成操作，即完成基于BIM技術的鋼結構塔節的工藝過程的三維動畫。

4 結語

BIM是三維模型為主、物件導向、建筑學有關的計算機輔助設計。將BIM技術與機械設計與制造結合，創新推動的作用顯著。基于BIM技術制作的三維動畫能夠高度還原實際生產情況，可運用在車間工人與技術人員的技術交底方面，實現可視化直觀展示，提高從業人員整體素質和生產效率。基于BIM技術制作的三維動畫還可運用在產品的虛擬制造方面，對試制產品的生產工藝進行虛擬制造，驗證工藝邏輯性、生產能力與產品的適配性，有效節約生產成本。BIM技術在生產調度方面也具有廣闊的前景，實時調控大規模生產的進度，能夠極大程度上提高生產效率，縮短工期。本文旨在基于BIM技術結合起重機械設計與制造的應用，為機械行業制造企業的應用提供支持，通過三維動畫制作課題的窗口，對響應數字化制造起到積極影響。