CAD三維技術在寧朗水電站中的應用

侯彥君，翟翔超

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概述

隨著科技的不斷創新與發展，往日常用的手工繪圖的時代離我們已漸行漸遠，取而代之的是計算機繪圖，使用的工具變成了各種各樣的繪圖軟件。其中，應用最為廣泛的當屬Auto CAD繪圖軟件。它除具有強大的二維繪圖功能外，還具備了三維造型能力，Auto CAD自2000版以來，在三維繪圖功能方面增強了很多，用戶不但可以對三維實體進行編輯，還能以動態、旋轉等方式觀察三維模型。在后期處理中，還可通過與其它相關軟件(3DMAX或Photoshop等)的轉換，完成實物的效果圖和動畫制作。在此，筆者介紹了Auto CAD 2009三維制圖技術在寧朗水電站建設中的應用。

2 實例

近年來，我國CAD三維技術的開發和應用取得了長足的發展，其繪圖方法在結構設計、配件模型、電子航空和輕工化工等諸多領域中得到了更加廣泛的應用與提高。在以下實例中，分別列舉了Auto CAD 2009版三維模型在寧朗水電站發電廠房工程中的應用，包括副廠房基礎、尾水渠擋墻、主廠房尾水管及整個發電廠房結構混凝土三維模型的建立。

2.1 尾水渠擋墻三維模型

寧朗水電站尾水渠擋墻底寬由9.3 m漸變至4.73 m，高度由 21.67 m 漸變至 10.23 m，反坡段還包括圓心角 a=31.8°，半徑 R=26.92 m，坡度為1∶2的圓弧段。如按常規的計算方式，在施工放樣、計量過程中，需逐個計算斷面面積;另外，當圓弧段作為計算間距時，重心的取舍也難確定，整個計算過程相對復雜。因此，選擇繪制尾水渠三維模型圖能夠很好的解決以上問題。繪圖步驟為:主視圖中多段線畫出擋墻起始端和末端的閉合斷面a和b;俯視圖中，輸螺旋(Helix)命令，按照提示分別將“半徑”、“圈數”設 置 為26.92和0.0883，通過計算，在其特性欄中指定“高度”即得到一段螺旋線c;調整UCS視圖窗口，利用移動命令，將a、b、c三者相對位置擺放正確;輸入放樣(loft)命令，依次選擇a和b兩個橫截面，然后輸入G(導向)，拾取螺旋線段c作為放樣路徑，按回車鍵即可(圖1)。

圖1 尾水渠擋墻三維模型繪制過程示意圖

利用Auto CAD三維繪圖功能制作尾水渠擋墻操作簡單，易學易懂。我們還可以通過“剖切”(slice)命令查看任意樁號上的斷面形式，也可通過“質量特性”(massprop)命令查詢所畫實體的質心、慣性矩、體積等特性，此方法不但簡化了計算過程，數據的準確性也得到了保證，而且在三維實體模型中，可藉助其完整的造型結構，精確的尺寸和幾何約束，提取詳細的參數，針對不同的工作環境和技術要求進行應力、強度等一系列的有限元分析和計算。

2.2 主廠房尾水管三維模型

在寧朗水電站工程建設中，有很多體型較大的結構部件和(金屬)預埋件，而且有些埋件由于其自身結構特點，需要分層分塊組合安裝，有些需要立模扎筋后澆筑成型。例如主廠房尾水管、蝸殼以及壓力鋼管支、岔管等。以上部件的結構形式多為不規則體，漸變突變，大小不一。在計算混凝土時，其體積的大小依據不同的計算斷面、間距或計算方式會有相當的數值差異，這無疑也將成為施工、監理和業主各方矛盾的焦點。為平衡關系，使各方都易于接受和認同而決定采用三維模型計算。

寧朗水電站主廠房尾水管三維模型的制作步驟:主視圖中，按設計圖紙提供的參數，將18個斷面分別畫出;左視圖中，結合θ角度的不同，將每個斷面調整至相對位置;使用放樣(Loft)命令，依次選擇18個斷面后按回車鍵(此操作過程中，放樣設置一般為默認即可);鍵入質量特性(massprop)命令，可提取尾水管體積，在計算外包混凝土時將其減去即得所求方量。同理，利用查詢面積(area)命令，可提取實體表面積，施工過程中對周轉性材料的預算、投入也提供了有效保障(圖2)。

圖2 主廠房尾水管三維模型繪制過程示意圖

2.3 進度計劃三維模型

圖3 施工進度計劃中三維模型圖的應用

目前，進度計劃最常用的方法是橫道圖法和網絡圖法，它們在表達各工序間相互關系、關鍵工序的確定以及先后次序和工藝流程方面具有簡明、形象、易懂的優點，但在反映具體工程形象面貌時，總是顯得不盡如人意。按以往慣例，我們首先需要弄明白進度計劃的工期安排、主要工作內容等，然后，通過自己的理解來想象計劃完成后的工程實體是個什么模樣。倘若在比較復雜的工程建設當中，僅憑一己之力想要記住所有分部、分項工程的完成情況和計劃安排，著實有些吃力。

采用繪制三維模型圖并輔以簡要文字說明可以解決以上問題(圖3)。相比之下，三維模型圖在反映工程進度和形象面貌時更加生動形象，在表達思想、傳遞信息時內容更加直觀且一目了然，既使是非本專業人員，也只需稍微加以了解，便可掌握工程建設的基本情況。

2.4 發電廠房結構混凝土3D模型

水電工程建設中，發電廠房結構形式多變，預留空洞、機電安裝埋件較多，結構也最為復雜多變。通過創建3D實體及表面模型(圖4)，我們能夠直接提取準確的計量數據，簡化計算過程，提高工作效率，還能創建多個窗口，切換不同視角或采用動態觀察器，核實各結構部件(零件)間的相互關系是否正確，保證施工過程中各埋件、預留洞口結構尺寸的準確性。

圖4 發電廠房結構混凝土三維模型圖

我們也可采用渲染(render)命令，給實體模型穿上一件光鮮的“外衣”，讓其更加豐富多彩。渲染圖極具真實感，能清晰地反映模型的結構形狀。渲染模型的一般過程是添加光源、設定光源特性、指定模型附著材質和渲染背景、最后設置渲染器并渲染模型。模型經過渲染處理后，其表面能顯示出明暗色彩和光照效果，形成非常逼真的圖像。此外，還可把渲染圖以多種文件格式輸出保存，后期利用其它應用軟件(如3DMAX或PHOTOSHOP等)做出更加完美的效果圖。

3 結語

從以上實例我們不難發現，將CAD三維技術與工程建設有機結合，具有其獨特的作用和意義。具體歸納為以下幾點:更加直觀、形象的表達思想、傳遞信息，更好的進行施工分析并指導施工生產;能提供精確的計量數據和詳細參數，從而大大簡化了計算過程;方便檢查各結構部件(零件)之間的相互關系，減少了產品設計、加工和生產過程中的錯誤;降低了技術難度，減輕了勞動強度，從而提高了工作效率。

總的來說，CAD三維應用軟件多種多樣，也各有千秋，不管我們選擇其中的哪一款，CAD三維技術的深化應用和普及都將是企業現代化技術的發展要求。