SolidWorks 在水工金屬結構BIM 設計中的應用

劉天祥，黃海楊，張 晴

（浙江省水利水電勘測設計院有限責任公司，浙江 杭州 310002）

1 問題的提出

工程勘測設計是水利水電工程建設中的重要環節和依據，設計手段變遷共經歷了3 個時代，即手工繪圖時代、電腦CAD 輔助設計時代、BIM 三維協同設計時代，三維設計手段已經成為工程設計必然發展方向與趨勢[1]。2011 年，浙江省水利水電勘測設計院（以下簡稱“勘測設計院”）金屬結構所在對三維設計軟件廣泛調研后引進SolidWorks 軟件，率先開展三維設計試應用，取得實質性成果。并于2015 年11 月正式啟動三維協同設計工作，引進歐特克公司Revit 系列軟件構建的BIM 三維協同設計平臺[2]，正式從CAD 二維繪圖時代向三維設計時代邁進，以適應水利行業信息化、數字化發展趨勢的客觀需要，滿足業主對設計成果可視化、直觀化及工程全生命周期信息化的需求。

結合金屬結構專業已有三維設計成果，文章主要介紹三維設計軟件SolidWorks 在閘門、啟閉設備、清污設備、壓力鋼管等常見金屬結構設備設計和建模中的應用現狀、BIM 三維協同設計中難點和處理方案及下一階段的應用展望。

2 金屬結構設計BIM 應用成果

2.1 SolidWorks 軟件簡介

SolidWorks[3]是由美國SolidWorks 公司推出的三維機械設計軟件系統，是一個大型軟件包，由多個功能模塊組成，每一個功能模塊都有自己獨立的功能。設計人員可以根據需要調用其中的某一個模塊進行設計，不同的功能模塊創建的文件有不同的文件擴展名，主要有草圖繪制、零件設計、裝配模塊、工程圖模塊、鈑金設計、模具設計、運動仿真等。

利用SolidWorks 建模首先基于整體角度研究將要建模的零件，分析其特征，明確不同特征之間的關系和內在聯系，確定零件特征的創建順序，在此基礎上進行建模、添加工程特征。通過二維平面草圖的旋轉、拉伸、掃描和混合等工具實現三維實體模型的構建。SolidWorks 建模的一般過程如下：①建立或選取基準特征作為模型空間定位的基準：如基準面、基準軸和基準坐標系等，建立每個實體特征時，都要利用基準特征作為參照；②建立基礎實體特征：拉伸、旋轉、掃描、混合等；③建立工程特征：孔、倒角、肋、拔模等；④特征的修改：特征陣列、特征復制等編輯操作；⑤添加材質和渲染處理。

在應用中，SolidWorks 軟件為三維模型之間的轉換和利用提供了較好的數據接口，可與Revit、Inventor 等歐特克BIM 平臺軟件直接實現數據交換，也可通過建模分析一體化功能將SolidWorks模型導入ANSYS 軟件進行有限元分析。

2.2 BIM 三維設計應用

2011 年，勘測設計院對全國水利水電行業內的設計單位、科研單位在三維設計軟件的應用進行廣泛專題調研，綜合比較后最終引進SolidWorks 軟件，并成立三維設計小組，率先在金屬結構專業領域進行三維設計應用，在多個工程實踐中取得了實質性成果。

2.2.1 閘門

閘門構造種類繁多，平面滑動閘門、平面定輪閘門、弧形閘門、翻板閘門、橫拉閘門等均已實現三維建模（見圖1～2，因設備眾多，僅舉2 例）。目前金屬結構專業領域常見的12 種平面閘門（定輪閘門和滑動閘門）已經實現三維參數化建模，可將三維模型與計算書無縫對接并聯動生成二維工程圖[4]。SolidWorks 模型可通過建模分析一體化功能導入ANSYS 軟件進行有限元結構分析。

圖1 弧形閘門三維模型圖

對于結構、布置形式、啟閉運行操作等較為復雜的閘門，金屬結構設計可利用SolidWorks 軟件進行三維動畫展示與運動仿真，更加形象直觀地將設計意圖傳遞給業主，提高可視化程度與溝通效率。

圖2 平面定輪閘門三維模型圖

參數化設計將模型中的定量信息變量化，利用SolidWorks 軟件內置方程式定義各零部件尺寸約束和幾何約束等關系，利用內嵌Excel 表格對模型參數變量進行配置設計，驅動數據表自動生成門葉結構和零部件。利用參數化模型制作二維工程圖，通過適當的視圖表達和尺寸標注等操作生成施工圖深度的二維工程圖紙。

門葉結構尺寸標注、材料明細表統計等工作量繁雜且易出錯，基于三維模型中閘門各零部件尺寸、材質、重量等特性參數的定義，SolidWorks 二維工程圖能夠自動集成統計各特性參數，并按照自定義的明細表格式輸出到工程圖中。

ANSYS 軟件是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，主要包括前處理模塊、分析計算模塊和后處理模塊等3 個部分。SolidWorks 三維模型可以通過連接ANSYS Workbench 等功能快速導入到ANSYS 軟件中進行有限元模型分析[5]，閘門門葉多為梁板結構，且設置大量補強板、構造孔，結構復雜，建模分析一體化功能避免了有限元計算過程的二次建模，且實體三維模型有限元分析結果更加接近實際荷載約束和應力、位移狀態，提高設計計算效率和計算精度。

2.2.2 啟閉設備

常見水工金屬結構啟閉設備有卷揚式啟閉機、液壓式啟閉機、螺桿式啟閉機、電動葫蘆、臺車式啟閉機、門機、橋機等，均實現三維建模（見圖3～4）。

圖3 固定卷揚式啟閉機三維模型圖

圖4 雙向門機三維模型圖

2.2.3 清污設備

常見清污設備有回轉式格柵清污機、抓斗式清污機、皮帶式污物輸送機等，也已實現三維建模（見圖5～6）。

圖5 回轉式格柵清污機三維模型圖

圖6 抓斗式清污機三維模型圖

2.2.3 壓力鋼管

SolidWorks 軟件具有曲面設計和鈑金設計等功能[3]，水電站或引水工程壓力管道系統中的鋼岔管、彎管、錐管等異型管可利用二維體型圖進行三維建模，通過全數字驅動和定位約束功能產生三維線型或曲面，展開并生成各單個管節的放樣坐標參數表，相較于傳統作圖法、公式計算等方法展開更加直觀、可靠，一定程度上提高了展開效率和準確性（見圖7～8）。

圖7 鋼岔管三維模型圖

圖8 異徑彎管三維模型圖

3 金屬結構BIM 三維協同設計

Revit 軟件是歐特克公司專門針對建筑結構設計行業推出的以BIM 為重點的建筑結構設計軟件?；贐IM 技術基礎，Revit 軟件可實現三維協同設計，即在三維狀態中，可與建筑、結構、水暖電等專業形成完整的BIM 模型?？睖y設計院BIM 應用實施以Revit 系列軟件為三維協同設計平臺，金屬結構設備以及水工、地質、水力機械、電氣、建筑等專業模型基于統一軸網、原點坐標系在Revit 中統一，形成一個全專業的完整模型，各專業在建模過程中可將相關專業模型鏈接至本專業模型中進行配合檢查[6]，以提前發現設計和配合中的問題，及時修正并完善模型，提高設計質量。利用Revit 系列軟件和Navisworks 軟件將各專業整合后用BIM 模型進行碰撞檢查，以實現自身及專業之間的模型碰撞自動檢測，并出具相應碰撞報告以便設計人員及時進行修改和反饋。

為積極推進并配合三維協同設計工作，勘測設計院所屬部門金屬結構所多次展開三維設計交流分享活動，研討并落實本專業三維協同設計推廣應用、工作目標和具體實施方案。三維協同設計正式啟動以來，金屬結構所相繼完成一系列國內、國外水利水電工程的三維建模前期配合，充分利用SolidWorks 軟件優勢和已經逐步積累的參數化設計成果，取得了較好的成效（見圖9～11）。

圖9 某樞紐工程三維協同模型圖

圖10 金屬結構設備模型整體布置圖

圖11 引水流道金屬結構設備模型布置圖

三維協同設計配合過程中，金屬結構設備采用SolidWorks 建模，通過三維設計軟件Inventor 將模型轉化為Revit 族文件與水工三維模型部分進行配合。金屬結構專業模型將根據不同需求提供不同建模深度的三維模型，以適應本專業及配合專業在項目不同階段、不同深度的三維設計需求。

4 結論及展望

金屬結構所充分利用并發揮SolidWorks 軟件強大的三維造型能力、二維工程圖編輯能力及設計表達能力，提高了專業設計效率、設計質量以及可視化程度，參數化建模更是大大縮短了設計周期。三維協同設計的開展與推進是勘測設計單位市場競爭力的有力體現，在勘測設計院全面啟動三維協同設計工作之際，金屬結構所基于已有三維設計基礎和研究成果，充分發揮三維設計優勢，將在以下幾個方面持續推進：

（1）充分發揮已有的三維設計成果，積極配合三維協同項目和編制專業標準指導書的同時保持與配合專業間的有效、及時反饋與溝通；

（2）做好示范項目的推廣、總結工作，盡可能安排條件成熟的項目采用三維設計，逐步實現設計人員、設計項目的高比例覆蓋；

（3）發揮三維軟件平臺設計優勢，逐步促成金屬結構各專項設備的標準化、通用化、系列化，實現本專業三維設計常態化，形成閘門、啟閉設備的BIM 族譜；

（4）逐步在工程實踐中推廣二維出圖，協調出圖管理系統，流暢完成透明圖打印、歸檔等管理工作；

（5）針對三維協同項目配合，金屬結構所將在工程設計建設過程中進一步實踐和探索，積極探討并解決BIM 設計和三維協同設計配合中的問題。