基于3DE平台的水工钢闸门建模及工程量自动统计研究

刘闽豫

黄河勘测规划设计研究院有限公司,河南 郑州 450000

0 引言

水工钢闸门是保障水利水电工程正常运行的重要组成部分。由于工程的独特性,闸门承受的工况各异、闸门自身的结构形式不同,目前钢闸门采用的是非标设计方法[1]。钢闸门的非标设计一直沿用着手工计算结合二维制图软件绘制的方式[2],这种设计方法存在出图工作量大、图纸修改繁琐、极易出错等问题。随着BIM技术的不断发展与进步,三维设计手段被广泛的接受。模型是三维设计的基础,但是当前钢闸门的BIM模型大多是对已有图纸进行逆向翻模得到,模型大多数情况下用于展示和方案汇报,且模型和图纸之间并没有系统的关联性。这种“先图纸,后模型”的逆向设计方法,使三维设计不能很好地与实际生产相融合,模型的使用效率不高。

当前水工钢闸门BIM设计软件主要有Inventor、Bentley、Catia等几款,各具特点。Inventor由Autodesk研发,兼容性强,易于上手;Bentley在建筑、结构方面设计功能强大;Catia的优势则在曲面设计。本文应用的3DExperenice(3DE)平台是法国Dassault System公司CATIA V5软件的升级版本,结合了多种模块的综合设计平台[3],在水利水电行业设计工作中取得了一定的应用成效。针对钢闸门的建模而言,3DE平台尚无相关的专用模块,目前使用较多的是通用的“Part Design”零件设计模块和“Assembly Design”装配设计模块。

STR是3DE平台中专用的结构设计模块,该模块在船舶与海洋工程、建筑行业、能源行业有着较为成熟的应用。STR主要包含两大部分：结构基础设计模块(structure function design,SFD)和详细设计模块(structure detail design,SDD)[4]。SFD设计过程中,零件的厚度在模型的信息中赋予,而视图上不显示;SDD设计更加详细全面,可以达到模型制造精度的要求。船舶行业常规的做法是利用SFD模块确定设计方案后,由SFD模型转化为SDD模型,防止由于前期模型过大造成计算机运行卡顿与报错。

与船舶结构相比,钢闸门体型相对较小,结构相对简单。因此,本文直接以STR中的SDD模块进行闸门的正向建模,减少设计环节,提高建模效率。设计步骤主要有以下几部分：资源库构建、闸门门体焊接件建模、机械零部件调用、工程量自动统计。

1 平面钢闸门正向建模

1.1 平面钢闸门资源库构建

平面钢闸门的资源库是指在建模过程中,将需要重复调用的板材、型钢、预定义的加筋板、开口等形成标准数据表格,从而构建数据资源库。将表格解析生成一系列标准件后,可在结构建模时提取有效资源数据,完成三维建模[5]。钢闸门的资源库由两部分构成：通用资源库和结构资源库。通用资源库主要完成闸门建模所需的平面、坐标系、板等基础资源的定制,如图1所示;结构资源库完成面板、型材、开口、端切、焊接、颜色与命名规则等定制,如图2所示。在存放设计资源的合作区,以领导角色的身份,进入Data Setup模块中完成资源库的配置工作。

图1 钢闸门通用资源库

图2 钢闸门结构资源库

1.2 基于SDD的水工钢闸门门体焊接件建模

水工平面钢闸门门叶焊接件是钢闸门的重要组成部分,包括面板、边梁、主梁、垂直梁、水平梁、吊耳等,这也是三维建模的重点。在建模之前,需要明确闸门的设计方案,通常先根据上游专业的提资,明确荷载情况、孔口尺寸、运用方式等设计边界条件,然后按照SL74—2019《水利水电工程钢闸门设计规范》[6]和相关设计手册进行分析计算,确定闸门结构布置形式。闸门的结构布置形式大体可以由梁高、主次梁的间距、构成面板及各主次梁板材的长、宽、高等参数表示,由此可以构建闸门的数字模型。将数字模型中的参数以Excel表的形式列出,修改参数便可得到不同的闸门结构布置方案。因此,水工钢闸门的设计具有明显的参数化设计过程。水工钢闸门的正向设计过程就是将参数化设计与SDD设计相结合,便于闸门结构设计方案快速确定以及三维模型的建立与修改,提高模型的重复利用率,以实现“先模型,后图纸”的正向设计。

1)创建控制骨架。面板、主梁、边梁、垂直次梁等组成门叶焊接件的零件,大多由规则的矩形钢板焊接而成,零件的定位与限制边界可用平面控制。因此,建模时首先创建控制骨架。由于1个轴系包含了3个轴向与3个平面,相比于3D形状中缺省状态下的xy、xz、yz平面,具有高度的集成性,能减少结构树的长度,故选用轴系做为骨架平面。根据设计习惯,将迎水面板上游面底缘的中点作为轴系的基准点,以竖直向上作为z轴正方向,水流方向作为y轴正方向,根据右手准则,水平向右作为x轴正方向。将钢闸门看作是以yoz面为对称中心的轴对称模型,基础轴系的xoy面、xoz面、yoz面按照参数表中相关数值进行偏移,得到一系列控制平面,控制平面用不同颜色加以区分,方便下一步建模。

2)骨架零件建模。建模时将构成闸门的所有板材分为两类,一类是骨架零件,其利用骨架平面与Excel表中的参数完成建模;另一类是构造类零件,其建模时需要利用已建成零件来完成建模。闸门的面板是典型的骨架零件,其建模操作如图3所示。利用SDD的“面板”命令,支持面选择xoz面,在限制区域中,L1、L2为面板宽度方向的限制,L3、L4为面板高度方向的限制,这4个限制均为第一步创建的骨架平面。面板的材料与厚度已提前在平面钢闸门结构资源库中部署了一系列的数值,此处依据设计方案分别选择Q235B与16 mm。闸门门叶结构中,面板、边梁下翼缘、主梁下翼缘可按照骨架零件的方式进行建模设计。

图3 闸门面板的建模

3)构造零件建模。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为部分限制。如边梁腹板在建模时,高度方向的限制可与面板相同,而腹板宽度方向的限制面则分别为面板顺水流方向的下表面、边梁下翼缘顺水流方向的上表面。闸门门叶结构中,边梁腹板、主梁腹板、主梁上翼缘、垂直次梁下翼缘、垂直次梁腹板等可按照骨架零件的方式进行建模设计。

4)水平次梁建模。通常选用标准型钢做为水平次梁,利用SDD中“加强肋”的命令,确定所需的型钢截面,选择骨架平面中水平次梁的定位平面做为支持面,以两边梁的骨架平面为限制,可完成水平次梁建模,如图4所示。

图4 水平次梁建模过程

5)细节设计。通过以上4个步骤,可以得到较完整的门焊接件体模型,然而要达到LOD300[7]级别以上的高精度模型,还需要对门体焊接件进行细节设计。依据平面钢闸门设计规范,门叶焊接件中的水平次梁应连续不能断开,为满足制造工艺要求,在建模时水平次梁与纵梁腹板相交处需要设置过焊孔。根据定制的结构资源库中“Opening Table”项,利用“面板和平板上开口”的命令对已创建的水平次梁和纵梁自动识别,实现自适应过焊孔创建,如图5所示。焊接件中通常需要布置加筋板来增强结构的稳定性,其中包含了一些非矩形的筋板。通过定制不规则筋板的模板创建模型,如图6所示。最终利用正向设计完成门叶焊接件如图7所示。

图5 自适应过焊孔创建

图6 不规则筋板创建

图7 门叶焊接件模型

1.3 机械零部件的调用

水工钢闸门的机械零部件主要包括行走支承装置、止水装置、冲水阀、吊耳及锁定装置。机械零件大多结构形式相对固定,通常只是外形尺寸和细节部分不同,因此利用3DE平台的Catalog目录功能,将常用机械零部件做成系列化模型(见图8),构建相应的零件库,方便闸门建模进行调用。

图8 闸门常用机械零件模型

2 钢闸门工程量自动统计

2.1 门叶焊接件自动命名

由于制造加工的要求,需要确定门叶焊接件中各板材的外形尺寸并以“长度×宽度×厚度”进行命名。常规做法是人工进行测量确定,此方法费时费力且极易出错。3DE在缺省状态下,结构树的名称是模型类型和数字组合形成的唯一编号。若3DE能识别板材的外形尺寸,并将该尺寸直接赋予在模型结构树上,不仅可以在三维环境中更加直观地查看模型,更能减少人工出错与耗时。通过底层代码编写,在缺省状态下,能自动识别板材的外形轮廓尺寸,并将其在结构树中命名。

2.2 基于知识工程的工程量自动统计

知识工程是3DE快速协同设计的核心,指在通过一定的知识规则,定义对象的参数和属性,从而来驱动几何模型。模板是知识工程中的重要组成部分,通过“Quality Rules Reuse”模块定制如图9所示的工程量自动统计模板,识别SDD设计的模型类型,选取名称、长度、宽度、厚度、材料、重量、数量的属性,在Drafting模块中利用视图命令,投影出模型的三视图,并根据需要生成剖面图与局部放大图等辅助视图,减少绘图工作量。调用工程量统计模板,利用BOM表格的命令,一键生成门叶焊接件工程量统计。

图9 工程量自动统计模板

3 结论

本文基于3DE平台,摆脱了传统三维软件利用草图生成模型的方式,实现了水工钢闸门的无草图建模方式,符合行业数字化发展的要求;基于底层代码编程与知识工程模板定制,实现了闸门门叶焊接件工程量自动统计,解决了实际生产中的难题,提高了工作效率。未来通过对BIM制图工作的进一步研究,可减少制图工作对数字化设计的束缚,促进数字化设计朝着高质、高效发展。