基于3DE平臺的水工鋼閘門建模及工程量自動統計研究

劉閩豫

黃河勘測規劃設計研究院有限公司,河南 鄭州 450000

0 引言

水工鋼閘門是保障水利水電工程正常運行的重要組成部分。由于工程的獨特性,閘門承受的工況各異、閘門自身的結構形式不同,目前鋼閘門采用的是非標設計方法[1]。鋼閘門的非標設計一直沿用著手工計算結合二維制圖軟件繪制的方式[2],這種設計方法存在出圖工作量大、圖紙修改繁瑣、極易出錯等問題。隨著BIM技術的不斷發展與進步,三維設計手段被廣泛的接受。模型是三維設計的基礎,但是當前鋼閘門的BIM模型大多是對已有圖紙進行逆向翻模得到,模型大多數情況下用于展示和方案匯報,且模型和圖紙之間并沒有系統的關聯性。這種“先圖紙,后模型”的逆向設計方法,使三維設計不能很好地與實際生產相融合,模型的使用效率不高。

當前水工鋼閘門BIM設計軟件主要有Inventor、Bentley、Catia等幾款,各具特點。Inventor由Autodesk研發,兼容性強,易于上手;Bentley在建筑、結構方面設計功能強大;Catia的優勢則在曲面設計。本文應用的3DExperenice(3DE)平臺是法國Dassault System公司CATIA V5軟件的升級版本,結合了多種模塊的綜合設計平臺[3],在水利水電行業設計工作中取得了一定的應用成效。針對鋼閘門的建模而言,3DE平臺尚無相關的專用模塊,目前使用較多的是通用的“Part Design”零件設計模塊和“Assembly Design”裝配設計模塊。

STR是3DE平臺中專用的結構設計模塊,該模塊在船舶與海洋工程、建筑行業、能源行業有著較為成熟的應用。STR主要包含兩大部分：結構基礎設計模塊(structure function design,SFD)和詳細設計模塊(structure detail design,SDD)[4]。SFD設計過程中,零件的厚度在模型的信息中賦予,而視圖上不顯示;SDD設計更加詳細全面,可以達到模型制造精度的要求。船舶行業常規的做法是利用SFD模塊確定設計方案后,由SFD模型轉化為SDD模型,防止由于前期模型過大造成計算機運行卡頓與報錯。

與船舶結構相比,鋼閘門體型相對較小,結構相對簡單。因此,本文直接以STR中的SDD模塊進行閘門的正向建模,減少設計環節,提高建模效率。設計步驟主要有以下幾部分：資源庫構建、閘門門體焊接件建模、機械零部件調用、工程量自動統計。

1 平面鋼閘門正向建模

1.1 平面鋼閘門資源庫構建

平面鋼閘門的資源庫是指在建模過程中,將需要重復調用的板材、型鋼、預定義的加筋板、開口等形成標準數據表格,從而構建數據資源庫。將表格解析生成一系列標準件后,可在結構建模時提取有效資源數據,完成三維建模[5]。鋼閘門的資源庫由兩部分構成：通用資源庫和結構資源庫。通用資源庫主要完成閘門建模所需的平面、坐標系、板等基礎資源的定制,如圖1所示;結構資源庫完成面板、型材、開口、端切、焊接、顏色與命名規則等定制,如圖2所示。在存放設計資源的合作區,以領導角色的身份,進入Data Setup模塊中完成資源庫的配置工作。

圖1 鋼閘門通用資源庫

圖2 鋼閘門結構資源庫

1.2 基于SDD的水工鋼閘門門體焊接件建模

水工平面鋼閘門門葉焊接件是鋼閘門的重要組成部分,包括面板、邊梁、主梁、垂直梁、水平梁、吊耳等,這也是三維建模的重點。在建模之前,需要明確閘門的設計方案,通常先根據上游專業的提資,明確荷載情況、孔口尺寸、運用方式等設計邊界條件,然后按照SL74—2019《水利水電工程鋼閘門設計規范》[6]和相關設計手冊進行分析計算,確定閘門結構布置形式。閘門的結構布置形式大體可以由梁高、主次梁的間距、構成面板及各主次梁板材的長、寬、高等參數表示,由此可以構建閘門的數字模型。將數字模型中的參數以Excel表的形式列出,修改參數便可得到不同的閘門結構布置方案。因此,水工鋼閘門的設計具有明顯的參數化設計過程。水工鋼閘門的正向設計過程就是將參數化設計與SDD設計相結合,便于閘門結構設計方案快速確定以及三維模型的建立與修改,提高模型的重復利用率,以實現“先模型,后圖紙”的正向設計。

1)創建控制骨架。面板、主梁、邊梁、垂直次梁等組成門葉焊接件的零件,大多由規則的矩形鋼板焊接而成,零件的定位與限制邊界可用平面控制。因此,建模時首先創建控制骨架。由于1個軸系包含了3個軸向與3個平面,相比于3D形狀中缺省狀態下的xy、xz、yz平面,具有高度的集成性,能減少結構樹的長度,故選用軸系做為骨架平面。根據設計習慣,將迎水面板上游面底緣的中點作為軸系的基準點,以豎直向上作為z軸正方向,水流方向作為y軸正方向,根據右手準則,水平向右作為x軸正方向。將鋼閘門看作是以yoz面為對稱中心的軸對稱模型,基礎軸系的xoy面、xoz面、yoz面按照參數表中相關數值進行偏移,得到一系列控制平面,控制平面用不同顏色加以區分,方便下一步建模。

2)骨架零件建模。建模時將構成閘門的所有板材分為兩類,一類是骨架零件,其利用骨架平面與Excel表中的參數完成建模;另一類是構造類零件,其建模時需要利用已建成零件來完成建模。閘門的面板是典型的骨架零件,其建模操作如圖3所示。利用SDD的“面板”命令,支持面選擇xoz面,在限制區域中,L1、L2為面板寬度方向的限制,L3、L4為面板高度方向的限制,這4個限制均為第一步創建的骨架平面。面板的材料與厚度已提前在平面鋼閘門結構資源庫中部署了一系列的數值,此處依據設計方案分別選擇Q235B與16 mm。閘門門葉結構中,面板、邊梁下翼緣、主梁下翼緣可按照骨架零件的方式進行建模設計。

圖3 閘門面板的建模

3)構造零件建模。零件的限制平面不完全是骨架平面,需要待骨架零件建模完成后,利用骨架零件的表面做為部分限制。如邊梁腹板在建模時,高度方向的限制可與面板相同,而腹板寬度方向的限制面則分別為面板順水流方向的下表面、邊梁下翼緣順水流方向的上表面。閘門門葉結構中,邊梁腹板、主梁腹板、主梁上翼緣、垂直次梁下翼緣、垂直次梁腹板等可按照骨架零件的方式進行建模設計。

4)水平次梁建模。通常選用標準型鋼做為水平次梁,利用SDD中“加強肋”的命令,確定所需的型鋼截面,選擇骨架平面中水平次梁的定位平面做為支持面,以兩邊梁的骨架平面為限制,可完成水平次梁建模,如圖4所示。

圖4 水平次梁建模過程

5)細節設計。通過以上4個步驟,可以得到較完整的門焊接件體模型,然而要達到LOD300[7]級別以上的高精度模型,還需要對門體焊接件進行細節設計。依據平面鋼閘門設計規范,門葉焊接件中的水平次梁應連續不能斷開,為滿足制造工藝要求,在建模時水平次梁與縱梁腹板相交處需要設置過焊孔。根據定制的結構資源庫中“Opening Table”項,利用“面板和平板上開口”的命令對已創建的水平次梁和縱梁自動識別,實現自適應過焊孔創建,如圖5所示。焊接件中通常需要布置加筋板來增強結構的穩定性,其中包含了一些非矩形的筋板。通過定制不規則筋板的模板創建模型,如圖6所示。最終利用正向設計完成門葉焊接件如圖7所示。

圖5 自適應過焊孔創建

圖6 不規則筋板創建

圖7 門葉焊接件模型

1.3 機械零部件的調用

水工鋼閘門的機械零部件主要包括行走支承裝置、止水裝置、沖水閥、吊耳及鎖定裝置。機械零件大多結構形式相對固定,通常只是外形尺寸和細節部分不同,因此利用3DE平臺的Catalog目錄功能,將常用機械零部件做成系列化模型(見圖8),構建相應的零件庫,方便閘門建模進行調用。

圖8 閘門常用機械零件模型

2 鋼閘門工程量自動統計

2.1 門葉焊接件自動命名

由于制造加工的要求,需要確定門葉焊接件中各板材的外形尺寸并以“長度×寬度×厚度”進行命名。常規做法是人工進行測量確定,此方法費時費力且極易出錯。3DE在缺省狀態下,結構樹的名稱是模型類型和數字組合形成的唯一編號。若3DE能識別板材的外形尺寸,并將該尺寸直接賦予在模型結構樹上,不僅可以在三維環境中更加直觀地查看模型,更能減少人工出錯與耗時。通過底層代碼編寫,在缺省狀態下,能自動識別板材的外形輪廓尺寸,并將其在結構樹中命名。

2.2 基于知識工程的工程量自動統計

知識工程是3DE快速協同設計的核心,指在通過一定的知識規則,定義對象的參數和屬性,從而來驅動幾何模型。模板是知識工程中的重要組成部分,通過“Quality Rules Reuse”模塊定制如圖9所示的工程量自動統計模板,識別SDD設計的模型類型,選取名稱、長度、寬度、厚度、材料、重量、數量的屬性,在Drafting模塊中利用視圖命令,投影出模型的三視圖,并根據需要生成剖面圖與局部放大圖等輔助視圖,減少繪圖工作量。調用工程量統計模板,利用BOM表格的命令,一鍵生成門葉焊接件工程量統計。

圖9 工程量自動統計模板

3 結論

本文基于3DE平臺,擺脫了傳統三維軟件利用草圖生成模型的方式,實現了水工鋼閘門的無草圖建模方式,符合行業數字化發展的要求;基于底層代碼編程與知識工程模板定制,實現了閘門門葉焊接件工程量自動統計,解決了實際生產中的難題,提高了工作效率。未來通過對BIM制圖工作的進一步研究,可減少制圖工作對數字化設計的束縛,促進數字化設計朝著高質、高效發展。