三维设计在水工金属结构专业中的应用和展望

　　摘要:文章根据水利工程金属结构专业设计工作的内容和特点，以上海地区典型泵闸水闸工程为例，阐述了三维设计在该专业非标设备参数化设计等方面的应用，解释水工金属结构专业三维设计应用和建筑信息模型应用之间的区别和联系。阐述三维设计软件从用户输入到模型显示的流程，总结不同软件在在几何层面上数据交互存在的问题和解决思路。最后对本专业三维数字模型在计算机辅助制造和工程施工、运维管理中的延伸应用提出展望。

　　关键词:计算机辅助设计;水工金属结构;三维设计应用;建筑工程和施工行业;建筑信息模型;几何建模内核;数据交互

　　随着计算机技术的发展，传统的水利工程也走上了数字化的转型之路。水利工程属于建设工程行业，而在建设工程行业最先提出三维数字技术概念的是建筑业，即建筑信息模型(BIM-BuildingInformationModeling)[1]。BIM这个英文缩写从字面上来看和三维没有必然关联，但众多学者和建筑、工程和施工[2]行业的相关从业人员将其含义扩展，创造出了不同覆盖面的新解释。目前在水利行业内多以BIM来表达相关三维数字化工作。

　　水利工程的专业组成不仅仅包括了传统BIM概念里的建筑结构、建筑机电等，在泵闸、水闸工程中还包含了一个特殊的专业，即水工金属结构。水利工程金属结构专业的设计工作不同于常见的设备专业如给排水、暖通空调、电气等，其专业设计包含了和其他设备专业相似的标准设备选型设计部分(即选择满足功能要求的设备等)，还包括了非标准设备设计(如闸门、拦污栅等)，涵盖了钢结构和机械专业设计，接近并略低于传统意义上的产品设计，其施工阶段的图纸设计深度要满足设备制造的要求。

　　水工金属结构和土建专业三维设计工作的最大区别是其模型构建需要装配操作(不同于土建专业的“组装”-简单堆叠)。在专业内，模型的构建要考虑其在工程不同阶段的传递，模型设计的最终深度要满足制造的要求，而不是仅创建用于展示、投标等的示意模型。当专业模型整合到BIM中时，根据产权保护的要求，同时考虑到软件的承载力和应用场景等，在无特殊要求的情况下，一般输出的是简化模型，用于土建结构配合展示、设备吊装净空检查、管路布置优化等。

　　1金属结构专业三维设计应用

　　1.1三维参数化设计

　　金属结构专业的常用非标设备如闸门和拦污栅等的主要组成部分是由不同规格的型钢、钢管和非标焊接件等组成的平面或空间桁架结构，适合通过参数化骨架建立模型。而相配套的传动、支承、止水等组件一般随主结构变化较少，一般是按标准系列选择再进行微调，组件还含有不同数量的标准紧固件，适合建立为模块化库[3]。参数化模型建立的关键是要对整体结构有清晰的理解和划分，对建模过程和装配关系的组成要有全局性的规划，几何约束的设置优先级要高于尺寸约束，参数的设置要考虑关联性和传递性。

　　通过经验总结和测试，建立全参数关联模型。借助产品数据管理[4]、产品生命周期管理[5]软件，专业间还可以实现共享、协同设计，专业成果数据可以实现较好的继承和展现。金属结构专业设备的设计在部分多模块软件中还可以和应力分析、结构件分析、运动仿真模块同步进行，参数的调整可以直接反馈为结果，省去了模型导出、处理、导入过程，节省了时间，一定程度上提高了效率。通过对软件相应模块接口的二次开发，将应力分析结果提取并和结构件尺寸有机关联，可以实现结构的优化设计。通过组合相关土建结构模型进行运动仿真分析，可以判断部分设备(如闸门)的启闭过程能否达到预期要求。通过输出结构件的网格几何模型(STL文件)，可以实现设备模型的3D打印，模型可以用来单独或配合土建结构进行展示，或用于专业内的样机分析。

　　1.2部件装配模拟和埋件展示

　　在金属结构设备的设计中，部分部件内部结构复杂，通过二维图纸难以表达其全部内容，这个时候就可以通过爆炸视图工具来展现分解到零件级别的结构。在金属结构常见闸门设计中，门槽的埋件图纸的表达往往通过不同平面上的横剖图来表示，结构关系不直观，且工程量统计易出错，通过构建预埋件的三维参数化数字模型，能很好的解决埋件设计中的相关问题，同时包含埋件的二期混凝土模型还可以转移给土建专业用于一期混凝土配筋。

　　1.3工程量统计

　　金属结构专业设备的工程量统计主要分为专业内和专业间传递，对专业内部又按工程阶段有所区分，在早期阶段主要是非标设备的定位尺寸、预估重量以及标准设备(启闭机、清污机等)的关键参数，在施工图阶段非标设备要给出详细的材料(零件)组合明细表用于招标采购和制造。

　　对于专业间传递，主要是将金属结构标准设备的相关参数以及非标设备的主要型式、尺寸和重量移交给造价专业。通过构建非标设备在不同阶段的三维实体模型(按实际情况可以继承阶段模型再设计也可以单独参数化阶段模型)，可以精确统计非标金属结构设备的重量(还可以计算整体密度如浮箱闸门，计算并显示设备重心位置等)，在专业内部通过软件内部的物料清单功能(根据需要定制)可以直接生成材料表，并同步在工程图纸上，通过计算机统计生成的清单数量准确，出现常见的漏项、漏数错误的概率低。

　　1.4工程图生成

　　金属结构专业的工程图纸主要分为非标设备的设计图纸和全部设备的布置图(含设备主要参数)，其中非标设备的设计图纸一般可以通过三维机械设计软件直接投影生成，根据需要添加剖视图、局部放大视图、重叠视图、尺寸、公差配合、表面处理要求、焊接要求等信息，模型的更改和图纸上相对应的信息是同步的，所以修改模型后不需要花费大量的时间用来修正相关图纸。对于已实现全参数关联-界面化/表单化的模型，图纸处理的过程更为轻松。设备布置图需要参考土建结构的有关图纸复合生成，可以选择从土建三维模型切分导入或在本软件中参数构建相关土建模型加工生成，亦或是综合本专业已生成的和土建专业传递来的二维图纸。

　　需要注意的是，通过投影生成的图纸和传统的二维CAD图纸在某些表达上可能会有所区别，比如原二维图纸的部分表达可能以示意为主，并非真实投影;还存在为了节约图纸幅面，部分零件没有单独的图纸，只在装配图上有部分尺寸标注的情况;部分三维设计软件的工程图模块只使用操作系统内置的TTF字体而非AutoCAD中常用的SHX字体，导致不同专业的图纸字体不能统一。在完成二维向三维的过渡期间，需要根据相关制图规范对软件进行定制，同时相关的公司规定和专业习惯也要修订和统一。

　　1.5设备布置

　　金属结构专业的设备布置在项目的前期阶段，可以使用简化模型配合土建结构用于展示。在施工图阶段，可以融合设备和土建模型，并借助土木工程三维设计软件进行启闭机-液压管路布置等精细化设计工作，有助于优化相关土建结构和管路布置。

　　1.6设备编码和管理

　　在工程项目的施工和运维阶段，可以参照相关标准和需求，制定设备的编码清单，通过软件赋予设备编码，再导入相关管理平台，可以实现数据集成、资产和信息管理等功能。

　　2几何建模内核和模型交换

　　上文中描述的金属结构设备和土建结构模型融合应用，不可避免的涉及到不同三维设计软件间的数据传递。数据传递的方向包括提供方内部上下游应用间(可以为同专业不同应用场合或不同专业不同应用场合)，以及项目参与各方间。数据在传递的同时就可能带来不同程度的丢失，丢失是否会影响传递方使用，关键在于丢失的内容、丢失率以及应用对数据丢失内容的接受度。一般来说，通过文件格式的传递包含了几何和非几何信息，在现有技术条件的约束下(软件接口、文件格式和规范性)，从设备专业的三维设计向土木工程三维设计主要传递的是几何信息(可以为简化的)，非几何信息的传递目前意义不是很大，对于在管理平台中的设备模型，其非几何信息(技术，维护参数等)可以通过后期添加。

　　一般来说，在三维设计数据传递的过程中首先要保证的是几何信息的有效转换，在此基础上再扩展到其他数据信息。在实际操作中，模型在传递过程中会存在几何信息不同程度的丢失。比如在软件A显示为完整圆形的面，在B软件中显示为由多个等边小三角组成边缘的圆面;在软件A中显示正常的曲面，在B软件中破了一个洞。丢失的主要原因是不同软件使用的内核对点线面描述不同，实体模型构建的顺序和经过布尔运算不同(和GPU的硬件规格和计算精度以及所使用的驱动也有一定关联)。从三维设计软件的操作到显示器上的模型展现，在几何层面上经历了图形库和几何建模内核的调用。

　　2.1图形库的概念

　　图形函数库(GL-GraphicsLibrary)是一个设计用来帮助完成从计算机图形到显示器过程的库，通常包括处理常见渲染任务的函数。它可以只调用中央处理器，在软件中计算完成，常见于嵌入式系统;或者由图形处理单元硬件加速，在个人计算机中较常见。通过采用这些函数，程序可以合成要输出到显示器的图像。这种方式减少了程序开发人员创建和优化输出图像的工作，使其专注于构建图形程序本身。常见的图形库有OpenGL、DirectX、Vulkan等，应用在计算机、手机等平台中，有些图形库还有2D和3D版本之分，如Direct2D和Direct3D。在常用CAD/CAE软件中使用的是OpenGL和Direct3D。公开图形函数库是用于渲染2D、3D矢量图形的跨语言、跨平台的应用程序编程接口[6]，可以完全用软件实现(完全由CPU运算)，但通常用于与图形处理单元(GPU)交互，以实现硬件加速渲染。Direct3D是在Windows操作系统上基于C++开发的3D绘图编程接口，是DirectX的一个组件。

　　2.2几何建模内核的概念

　　几何建模内核(GMK)是三维设计软件中程序组件，用于定义和存储三维实体对象的核心数学函数库[7]。不同软件产品使用的GMK不同，实体模型构建的步骤也不同，可建模的范围和精度也有差异，这是不同三维CAD软件在图形层面转换时存在丢失的根本原因。常见商业GMK有Parasolid、ACIS(Alan，Charles，Ian'sSystem)、C3D、ShapeManager等，常用的机械工程和土木工程CAD软件所使用的几何建模内核以及图形函数库。

　　用户通过输入界面进行操作，软件使用几何建模内核完成建模后，再通过调用图形函数库完成最终的桌面端显示功能。几何建模内核决定了软件建模的效率和能力，而软件使用的图形函数库影响了最终图形的显示效果(是否支持调用GPU加速，即软件使用的图形函数库和GPU支持的是否匹配)，如果计算机中的GPU不支持OpenGL或者支持的版本低，而三维CAD软件只使用了OpenGL，那么就可能会切换为纯CPU运算模式，在一定程度上会降低用户端使用的流畅感和显示效果。

　　2.3文件格式和模型交换

　　工程人员通过CAD软件完成建模后，通常会直接根据文件类别保存为软件设置好的原生格式。一般来说该原生格式的内部功能划分、编码方式取决于软件公司，但文件内对用户有价值的主要是几何和部分非几何信息。当用户需要在不同软件或者软件版本间传递文件数据时，为避免数据冗余，传递前应根据需求对数据进行整理和清理。数据交互包含两个层次:①数据提供方内部。②数据提供方和外部接收方之间。

　　数据交互应基于一定的目的性(纯几何交互或复合交互)，参与方应根据需求和实际情况，评估确定交互采用的方式。在实际操作中，主要有两种方式:①原生格式转换。这种方式最为理想，包括输出对方软件的原生格式或者对方直接接受本方的原生数据，由于各软件的几何建模内核不同，大部分为私有或者授权使用，所以一般需要不同软件厂商相互授权并特殊定制或者通过专业的服务提供商转换。②中间格式转换，即输出由国际组织定制的标准格式如产品设计领域的STEP[8](产品模型数据交互规范)，它是国际标准化组织制定的描述整个产品生命周期内产品信息的标准(ISO10303);IFC(工业基础类，以STEP为基础)，其中IFC-SPF的文件扩展名为.ifc，是由ISO10303-21[9]定义的文本格式，IFC-XML的文件扩展名为.ifcXML，是由ISO10303-28[10]定义的XML文件，适合XML工具。

　　IFC是AEC-BIM领域里国际标准格式，用于描述整个建设工程全生命周期内信息[11-13];或使用符合某种几何建模内核的纯几何交换格式，如符合Parasolid内核建模规则的XT格式。理论上，不同软件之间的数据转换不可避免地要产生数据丢失。鉴于现阶段各软件输出为中间格式或原生格式文件的能力有差异(还有文件版本的差异)，在实际应用中也存在不同文件格式、版本导致转换偏差等情况，应在正式交互前对拟采用格式进行测试，采取相应措施确保数据满足一致性、适用性的要求[14-15]。

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　　3结语

　　长期以来，水工金属结构的专业设计有较大比例是以经验图纸为基础，进行更新和修改，设计水平的提高受到一定的限制。在机械制造行业广泛推广使用计算机进行三维设计的年代，金属结构专业三维数字化设计和分析工具的使用并不普遍，这和行业间的交流以及建设工程行业承包类型的选择以及建设程序有关。本文仅从专业角度，介绍通过三维计算机辅助设计和分析技术的应用，提高水工金属结构专业的的设计水平，减少重复绘图工作，实现计算分析和设计修改的无缝连接。如何建立健全技术和管理流程，有机结合产品信息模型和土建结构信息模型，为机电设备在工程建设全生命周期内的应用发挥更大的效益，还有待深入研究和实践。

　　参考文献

　　[1]EastmanC，TeicholzP，SacksR，etal.BIMhandbook:Aguidetobuildinginformationmodelingforowners，managers，designers，engineersandcontractors[M].JohnWiley&Sons，2011.

　　[2]EastmanC，SacksR，LeeG.Strategiesforrealizingthebenefitsof3DintegratedmodelingofbuildingsfortheAECindustry[J].NistSpecialPublicationSP，2003:9-14.

　　[3]李国宁，王雪岩，阿木古楞，等.水工钢闸门三维参数化设计理论基础与工程实践[J].水利规划与设计，2018(2):117-119，159.

　　[4]GaoJX，AzizH，MaropoulosPG，etal.Applicationofproductdatamanagementtechnologiesforenterpriseintegration[J].InternationalJournalofComputerIntegratedManufacturing，2003，16(7-8):491-500.

　　[5]MingXG，YanJQ，WangXH，etal.Collaborativeprocessplanningandmanufacturinginproductlifecyclemanagement[J].ComputersinIndustry，2008，59(2-3):154-166.

　　作者：于尧