基于Inventor平臺的風機擴展基礎參數化設計

摘? 要：隨著風力發電技術的發展，傳統的設計方法逐漸無法滿足風機基礎的設計要求，需要更高效、準確的設計方法。應用BIM技術對風機基礎完成參數化設計是一種優秀的解決方案。文章依據實際風力發電項目中風機基礎設計經驗，以擴展基礎為例，具體分析風機基礎體型參數計算、體型建模、參數化工程圖設計、參數化工程量統計、與三維配筋等軟件的互通等參數化設計步驟，對通過Autodesk Inventor平臺完成風機基礎參數化設計完成從整體到細節的研究。

關鍵詞：BIM；風機基礎；參數化；Inventor

中圖分類號：TP39? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）17-0116-06

Parameterized Design of Wind Turbine Spread Foundation Based on Inventor Platform

LI Qiaomu

（Gansu Water Resources and Hydropower Survey， Design and Research Institute Co.， Ltd.， Lanzhou? 730000， China）

Abstract： With the development of wind power generation technology， traditional design methods have gradually failed to meet the design requirements of wind turbine foundation， and more efficient and accurate design methods are needed. Applying BIM technology to complete the parameterized design of wind turbine foundation is an excellent solution. Based on the experience of wind turbine foundation design in actual wind power generation projects， this paper takes the spread foundation as an example to specifically analyze the calculation of wind turbine foundation shape parameters， shape modeling， parameterized engineering drawing design， parameterized engineering quantities calculation， the intercommunication with 3D reinforcement software， and other parameterized design steps. It completes the study from the whole to the details of the parameterized design of the wind turbine foundation through the Autodesk Inventor platform.

Keywords： BIM; wind turbine foundation; parameterization; Inventor

0? 引? 言

近年來，在不斷增長的對清潔和可再生能源需求的推動下，中國風力發電行業取得了顯著發展。風機是風電項目的重中之重，而風機基礎是決定其穩定性和運行壽命的關鍵。隨著風機單機容量逐年增大，對風機基礎設計的要求更加嚴格。傳統的風機設計方法主要采用CAD二維繪圖，效率、精度和表達效果已逐漸不滿足市場需求。如何提升風機基礎的設計效率和設計質量，是風電項目土建設計專業必須面對的問題。

為了提高風機基礎設計的效率和精度，以擴展基礎為例，本文提出了一種基于Autodesk Inventor軟件平臺的風機基礎體型參數化設計方法。該方法可同樣應用于其他類型風機基礎。該方法具有以下特點：

1）利用BIM技術提高風機基礎設計效率和精度，更快更準確地將設計意圖傳達給業主及施工方。

2）通過Inventor軟件進行風機基礎參數化設計，實現設計自動化和標準化，實現一模多用，降低設計門檻。

3）設計完成后由模型直接生成施工圖，去除手工將數值轉為圖形這一步驟，減少人工誤差，保證圖紙準確性。

本文將詳細介紹該設計方法的實現過程和應用效果，以期為風電項目中風機基礎的設計提供參考和借鑒。

1? BIM及Inventor軟件平臺簡介

1.1? BIM技術在風電項目中的應用

建筑信息模型（Building Information Modeling， BIM）通過創建數字模型，將設計、施工、運營和維護等各個階段的信息整合在一起，從而使業主、設計院及施工方之間進行有效協作，有助于加強協調、減少設計錯誤和施工成本[1]。但就目前而言，國內大部分地區的技術積累尚不足以支持多方協作，主要技術應用在設計院多專業間協同設計。具體到風電項目中，則是資源、施工、土建、電氣、建筑等專業配合完成場區道路、風機平臺、風機基礎、箱變基礎、集電線路鐵塔基礎、升壓站等設計。

近年來，BIM技術越來越多地應用于風電項目，在設計和施工過程中提供了顯著的效益[2，3]。成熟的BIM技術可以提高設計精度和靈活性，使設計人員能夠輕松地對設計進行更改，減少重新設計的時間和成本，同時提高項目的施工質量。

1.2? Inventor軟件簡介

Autodesk Inventor是Autodesk公司旗下一個功能強大的三維軟件平臺，廣泛應用于許多行業。該軟件可用于創建風機基礎的參數化模型，其參數化設計功能可以快速輕松地調整設計參數，且自帶的iLogic程序可以通過代碼完善參數化設計，從而實現更高效的設計迭代，實現設計自動化和標準化，非常適用于風力發電項目。Inventor也提供了分析功能，工程師可以利用軟件對風機基礎的力學性能進行詳細的分析，以確保基礎的安全性。此外，Inventor還提供了豐富的圖形處理功能。與Revit相比，Inventor的建模方式更加自由。

2? BIM參數化簡介

2.1? 快速修改模型

參數化設計允許設計人員將設計規則及參數分配給BIM模型的整體或局部。這種方法提供了許多傳統2D繪圖技術無法實現的優勢。在遇到設計需要變更，或者項目發生變化時，可以在參數表中直接更改模型中的參數，相應的模型也會跟隨實時變化。因此參數化能夠極大地減少完成多個項目所需的時間和精力，并提高設計過程的整體效率。

2.2? 重復使用

在Inventor的參數化模型中增加可視化參數表單并添加準確的參數注釋后，其他設計人員就可以通過閱讀參數注釋理解參數含義，并以通過調整表單中參數的方式輕松調整模型。積累常見類型風機基礎參數化模型庫后，在遇到同種類型基礎時調出模型，修改參數來調整模型后可直接用于新項目，從而提高效率，減少工作量。

2.3? 一致性

普通的CAD平面制圖可能會出現因為人工失誤導致的錯漏，比如圖形繪制偏差或標注數值錯誤。而參數化設計不存在這一問題。參數化設計可將模型的尺寸、位置、角度等參數化，具有“輸入即所得”的特性，可以保證設計結果的精度和一致性，減少人為因素的影響。

2.4? 協同性

Inventor的模型參數，可被其他Inventor模型直接引用。當引用的參數發生變化時，引用參數的模型也會跟隨變化，從而保證同一項目其他專業即使不太理解本專業參數概念，其模型也能夠跟隨本專業參數變化。不同專業的設計人員能更有效地協作。

2.5? 自動化

參數化可用于生成自動生成工程量及概算表，這些表格可以跟隨參數調整而自動更新。

隨著技術的不斷進步，BIM參數化建模會得到更廣泛的應用，有助于推動風電行業的創新和效率。

3? 風機基礎參數化設計

根據基礎的結構形式不同，風機基礎可分為擴展基礎、樁基礎及巖石錨桿基礎。根據基礎與上部結構連接形式不同，風機基礎可分為基礎環式基礎和預應力錨栓基礎。篇幅所限，本文僅以最為常見的預應力錨栓擴展基礎為例，完成風機基礎體型參數化設計。其他類型風機基礎可同樣參考本文中方法進行參數化設計。

風機基礎參數化設計內容主要集中在體型參數確定、模型布局、參數添加、模型及工程圖iLogic規則代碼編寫及工程量計算代碼編寫等。

3.1? 風機基礎體型參數

在使用Inventor完成風機基礎參數化設計時，有兩種常用的方式來確定風機基礎體型參數：可在iLogic中錄入代碼結合Inventor表單完成基礎體型參數計算設計，或者使用Excel輔助完成計算并引用參數。

3.1.1? iLogic編程確定體型參數

此方法需要將所有計算公式及規范要求以代碼的方式輸入iLogic中[4]，配合表單完成體型參數確定。

以擴展基礎變截面寬高比不得超過2.5為例，即（R - r1） / h2≤2.5，式中R為基礎底面半徑，r1為臺柱半徑，h2為基礎變截面高度。

定義臺柱半徑及基礎變截面高度后，在iLogic中輸入

value = InputBox（"輸入基礎底面半徑（m）："， "輸入"， "10"）

If （（value-臺柱半徑）/基礎變截面高度>2.5） Then

MessageBox.Show（"按照《陸上風電場工程風電機組基礎設計規范》NB/T10311—2019，基礎變截面寬高比不得大于2.5"， "Error"）

ElseIf （（value-臺柱半徑）/基礎變截面高度<=2.5） Then

MessageBox.Show（"寬高比符合強制性條文要求"，"True"， MessageBoxButtons.OK， MessageBoxIcon.Information）

End If

以上語句釋義為：當輸入的基礎底面半徑減去臺柱半徑后，再除以基礎變截面高度，如果結果大于2.5，則彈出提示“按照《陸上風電場工程風電機組基礎設計規范》NB/T 10311—2019，基礎變截面寬高比不得大于2.5”，否則提示“變截面寬高比符合強制性條文要求”。

如果將所有計算公式及強條以代碼形式輸入iLogic，則所需要的工作量較大。

3.1.2? 通過Excel輔助計算并引用

也可以通過Excel輔助計算，再將計算結果直接引用至Inventor中完成基礎體型參數確定[5]。

以擴展基礎為例，在風機荷載的大彎矩作用下，正常工況下不能脫空以及極端載荷情況下的最大壓應力為該基礎設計的控制因素。

即正常工況下荷載效應標準組合下，基底不允許脫開[6，7]，e / R≤0.25，其中e為合力作用點的偏心距，R為基礎底面半徑。某風機基礎正常工況下地基抗壓計算如表1所示。

極端工況荷載效應標準組合下，擴展基礎在核心區外承受偏心荷載，基礎底面邊緣最大壓力pkmax≤1.2fa，fa表示修正后持力層的地基承載力特征值。

以上述計算思路為主導，將預輸入體型參數、計算公式及其他必要數值引入Excel表格中完成計算，并保證各項計算結果滿足規范要求。將最終體型參數計算結果引入Excel單獨的一張表單中，再通過iLogic中多種Excel引用代碼將Excel表中體型參數引入Inventor中。如GoExcel.CellValues函數，可以將Excel中多個值一次性取出。也可在Inventor的管理—參數選項卡中，將Excel表格直接鏈接入模型。鏈接Excel推薦以Name-Value-Typecode-Comment的列標題放置具體參數，與Inventor自帶參數表中參數名稱—表達式—單位—注釋一一對應。如修改Excel中參數值引起風機基礎體型參數變化，Inventor中引用數值會同步變化。

3.2? 風機基礎體型建模

3.2.1? 體型建模思路

Inventor創建風機擴展基礎模型有兩種常見的思路：自下而上和自上而下，也即從局部到整體和從整體到局部。

3.2.1.1? 自下而上

自下而上，即創建ipt格式風機基礎組件后，在iam格式文件中通過裝配設計工具組裝為整體基礎模型。這種方法需要逐個裝配零件，費時費力，且一旦調整參數后，零件裝配關系極易出錯，不推薦使用。

3.2.1.2? 自上而下

自上而下[8]，其核心思想則是在ipt格式部件的草圖中完成整體風機基礎結構布局，再通過補充草圖和選擇局部草圖創建實體的方式生成新實體。通過這種方式，新生成的實體之間的空間關系已通過草圖確定，不需要額外進行裝配。在參數調整后，實體間空間關系隨參數自動發生變化，不易出錯。因此推薦使用此種建模方式。

3.2.2? 模型布局

按照自上而下的設計思路，在ipt文件中創建風機基礎模型整體布局草圖[9]，通過各類模型創建工具，由二維草圖生成三維模型，再通過管理-布局-生成零部件選項生成風機基礎iam模型文件。在繪制草圖時，采取何種建模方式能夠全面、有效配合設置參數，是模型布局的關鍵。如風機基礎主體體型模型是基礎外輪廓以基礎中心線為中心旋轉后生成，還是采用多個柱體合成，哪種方式能更準確、便捷且完善地設置參數，則選擇哪種。因此，即使最終生成的模型形體一致，其草圖、局部模型也可能存在很多建模方式的不同。

3.2.3? 參數添加

設計人員必須考慮如何合理設定參數，包括參數名、參數值、參數公式、參數引用、參數嵌套及參數注釋。簡潔直觀的參數名稱方便引用。準確的參數注釋則能幫助理解參數含義。通過參數間的相互關系及公式來嵌套參數，盡可能減少參數的輸入需求，是保證參數化模型簡單易用、不易出錯的前提。

3.3? iLogic規則代碼編寫

一個優秀的參數化模型還要求按照工程需求編寫合理的iLogic代碼來計算工程量、限制視圖在工程圖中的比例和位置、調用或輸出參數及完善可視化參數表單等。

Inventor自帶的參數表，其排版比較單一，直觀性和功能比較簡單，主要為直接添加參數時使用。如需要更直觀調整參數，則需要通過iLogic表單功能，添加可視化表單，將所需調整參數添加至可視化表單中并排版，以方便參數調整。

3.4? 參數化工程圖

3.4.1? 參數引用及賦值

以自上而下的建模方式，在ipt文件中創建風機基礎體型總體布局并添加主要參數，使用生成零部件功能在iam文件中生成總裝零部件，再通過創建工程圖功能生成施工圖紙。主要參數在基礎總體布局ipt文件中添加完成。如需在iam零部件總裝圖或工程圖中修改參數，則需在iLogic中添加賦值參數代碼，方可在iam總裝圖或工程圖中修改參數。如iam文件或工程圖中，對ipt中參數賦值，iLogic中添加規則如下：

Parameter（"風機基礎.ipt.臺柱半徑"） = 臺柱半徑

Parameter（"風機基礎.ipt.基礎底面半徑"） =基礎半徑

代碼中風機基礎.ipt應與所創建ipt總布局文件名稱保持一致，其他參數依此類推賦值，需注意ipt文件中應有對應參數。

3.4.2? 可視化表單

Inventor自帶的表單功能，與自帶的參數表相比，可以根據需求制成指定樣式的表單，也可以將iLogic運行規則加入其中，視覺效果、功能和表達更勝一籌。

以風機擴展基礎為例，如圖1所示。

3.4.3? 視圖

Inventor模型在調整參數后，工程圖中的視圖產生相應變化，可能會發生比例、尺寸過大或位置偏移等。因此需要在iLogic中編寫工程圖代碼，限制視圖尺寸、比例及位置。如限制寬度的w=ActiveSheet.View（“視圖名稱”）.width，限制比例的s=ActiveSheet.

View（“視圖名稱”）.Scale，限制位置的ActiveSheet.View（“視圖名稱”）.SetCenter（centerX，centerY）等[10]。

3.4.4? 工程量計算代碼

Inventor可以直接得到模型的體積，設置模型材質后可以得到重量。但工程圖中需要的工程量統計往往有單位及計量方法的需求。因此常常需要在iLogic中輸入代碼去計算出需求格式及單位的工程量，并定義計算結果的名稱以方便引用及二次計算。在定義名稱并在工程圖的表格中選取該定義之后，計算出的工程量就可以直接在該表格中顯示。某風電項目風機基礎生成工程量表如表2所示。

3.5? 風機基礎參數化設計注意事項

在風機基礎的設計中，有一些十分重要的細節，缺失這些細節會導致參數化建模出現錯誤，甚至無法完成。

3.5.1? 實體創建

新建實體功能是自上而下建模思路的核心點。在ipt總體布局中創建局部模型時，如需要將該部分模型單獨計算工程量，或可作為獨立模型被引用，則必須注意在通過二維草圖創建三維模型時，在創建形狀對話框中選擇新建實體，使該部分模型生成獨立實體。如此操作后，在導出零部件時可在項目文件夾中附帶生成新實體，免去單獨繪制該實體并組裝的煩瑣。

而在補充某一個新實體時，則可以選擇求并、求交、求差來完善該實體。這三種情況下，新修改的實體形狀仍然附加在之前創建的實體中，在導出零部件時與之前創建的相關實體算作同一個實體。

3.5.2? 防止參數錯亂

在iLogic中引用參數時，必須注意參數預輸入值不可為0。比如已在ipt總布局文件中完成參數設置，在iam的iLogic中添加賦值ipt總布局文件中參數的代碼，之后在iam總裝文件的Inventor自帶參數表中或自建表單中輸入參數，即可按iam新輸入的參數對ipt總布局文件中的參數進行修改。如果預輸入值為0，則可能導致模型尺寸、距離、角度關系為0，模型混亂發生錯誤。某風電項目風機基礎局部參數表如圖2所示。

3.5.3? 與其他軟件的互通

Inventor在參數化和工程量統計上較為優秀，但Revit在鋼筋設計上更勝一籌。而在布置場區或碰撞檢查時，又需要將模型導入Infraworks或Navisworks等軟件。在這種情況下，至關重要的是數據可以在不同的程序之間無縫傳輸。而Autodesk Inventor與Revit、Infraworks、Navisworks、混凝土三維配筋軟件等大多數BIM設計軟件具有高水平的互操作性，能夠在軟件之間實現順暢的數據交換和協作。導入和導出過程非常簡單，有清晰的說明和簡單易懂的用戶界面。

以與圖石混凝土三維配筋軟件的互通為例，在Inventor菜單欄按照文件-導出-CAD格式的順序打開另存為對話框，在保存類型中選擇SAT文件（*.sat），點擊確定，即可將已建好的模型導出為SAT格式。之后打開圖石混凝土三維配筋軟件，即可將SAT格式文件直接導入并在導入的體型模型配筋。

Autodesk Inventor與其他BIM軟件之間的高水平互操作性證明了標準文件格式在促進不同程序之間的數據交換方面的重要性。這使施工方、設計單位和甲方更容易在項目上進行協作，無論他們使用何種BIM軟件。

3.6? 其他工具

Inventor還提供了一系列模擬和分析工具，可以評估基礎結構在各種載荷及約束條件下的性能，如圖3所示。

通過以上參數化流程，一個完整的風機擴展基礎參數化流程就結束了。

4? 結? 論

采用BIM技術進行參數化設計是當前風電場項目風機基礎優化設計的優秀解決方案，可以提高設計質量，減少設計錯誤。而Autodesk Inventor軟件平臺是參數化設計的強大工具，其使用也可以擴展到設計和優化風電項目的其他結構部分，以進一步提高風電項目設計的效率和可靠性。

參考文獻：

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[10] 國家能源局.陸上風電場工程風電機組基礎設計規范：NB/T 10311-2019 [S].北京：中國電力出版社，2019.

作者簡介：李喬木（1989.09—），男，漢族，甘肅金昌人，中級工程師，碩士，研究方向：新能源發電設計。