CAD三維建模技術(shù)在水工建筑中的應(yīng)用

趙付鵬，李海龍，馬春艷

(中國水利水電第三工程局有限公司四川分局，成都，610045)

1 概述

隨著社會的發(fā)展和時(shí)代的進(jìn)步，各領(lǐng)域的辦公自動化已經(jīng)提升至一個較高的水平，隨之工程領(lǐng)域的辦公自動化水平也取得了較大的突破和進(jìn)展，各工程項(xiàng)目的結(jié)算系統(tǒng)也由過去的純?nèi)斯ぶ票斫Y(jié)算方式轉(zhuǎn)型為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)算方式，不但大大提高了各環(huán)節(jié)的工作效率，同時(shí)也減少了由于人為因素導(dǎo)致的誤差。但計(jì)算機(jī)結(jié)算系統(tǒng)要求預(yù)先將設(shè)計(jì)圖紙中的工程量分單元輸入系統(tǒng)，通過實(shí)際完成的工程量與之對比進(jìn)行結(jié)算，這就要求設(shè)計(jì)圖紙工程量的計(jì)算要準(zhǔn)確無誤，才能在最大限度內(nèi)達(dá)到設(shè)計(jì)與實(shí)際平衡。但在水工結(jié)構(gòu)中，一些呈曲線變化的結(jié)構(gòu)體型是無法采用常規(guī)計(jì)算方式將其工程量計(jì)算得準(zhǔn)確無誤。CAD三維建模技術(shù)可以發(fā)揮其強(qiáng)大的功效和優(yōu)越性，能夠精確計(jì)算一些結(jié)構(gòu)物采用常規(guī)計(jì)算方法無法計(jì)算出的工程量。

CAD三維建模技術(shù)是隨著建模技術(shù)的需要在二維建模技術(shù)的基礎(chǔ)上衍生出來的產(chǎn)品，是在二維制圖的基礎(chǔ)上完成的。通過二維建模及技術(shù)事先完成某施工部位的平面圖或剖面圖，通過拉伸命令來形成其主要框架，再按某些特定部位的體型要求，通過布爾運(yùn)算來達(dá)到設(shè)計(jì)者想要完成的特殊形狀和想要達(dá)到的目的。

CAD三維模型不但可以準(zhǔn)確顯示結(jié)構(gòu)物的體型變化規(guī)律，多方位的觀察結(jié)構(gòu)物的各部位形狀，計(jì)算結(jié)構(gòu)物的體積、質(zhì)量，而且還可以計(jì)算結(jié)構(gòu)物的質(zhì)心、慣性矩、慣性積以及回轉(zhuǎn)半徑等;以此為基礎(chǔ)則可以進(jìn)一步進(jìn)行結(jié)構(gòu)物的應(yīng)力應(yīng)變分析、構(gòu)件質(zhì)量屬性分析、運(yùn)動分析、裝配干涉分析等，為建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、構(gòu)件吊裝等領(lǐng)域提供更有力的技術(shù)指導(dǎo)和理論支持。

2 CAD三維建模

CAD的三維建模技術(shù)與二維建模計(jì)算基本相似，不同之處只是增加了一些特定的三維建模命令，簡單結(jié)構(gòu)物的三維建模都可以在二維建模的基礎(chǔ)上通過拉伸命令來完成。而在水工建筑物中，像尾水管、蝸殼、漸變段等不規(guī)則體型的建模，采用常規(guī)的三維建模方式很難完成，為此下面就以某水電站尾水管的三維建模實(shí)例，簡要介紹不規(guī)則體型的三維建模過程。

2.1 尾水管單線圖斷面尺寸

尾水管單線圖斷面尺寸見表1

表1 尾水管斷面尺寸

2.2 坐標(biāo)尺寸位置

尾水管單線圖坐標(biāo)尺寸見圖1，尾水管典型剖面見圖2。

2.3 建模

熟悉二維建模的設(shè)計(jì)者想必都清楚圖層的建立在CAD建模過程中的重要性，在這里不再詳述。但初接觸CAD建模的設(shè)計(jì)者，建議應(yīng)至少建立兩個圖層:一個輔助圖層和一個主繪圖圖層。做好建模輔助線后，將輔助線圖層鎖定，以方便后期建模過程中快速選取。另外，因繪圖習(xí)慣不同，筆者在三維建模時(shí)習(xí)慣將繪圖區(qū)劃分為四個視口進(jìn)行繪圖，分別為俯視、主視、左視和動態(tài)觀察區(qū)。此四個視口顯示的繪圖內(nèi)容均為同一內(nèi)容，只是觀察角度不同，這樣可以減小在建模過程中因線條過多造成的視覺誤差。

2.3.1 輔助線繪制

輔助線在輔助圖層中繪制，繪制輔助線主要為了方便查找建模原型的移動基準(zhǔn)點(diǎn)。輔助線是在繪圖區(qū)內(nèi)畫一條任意尺寸的短直線或點(diǎn) (建議采用短直線，點(diǎn)在繪圖區(qū)視覺效果較差，如果點(diǎn)的相對式樣較大，又容易選取到點(diǎn)的邊界)，將輔助線繪制好后，新建坐標(biāo)圓點(diǎn) (UCS)在短直線端點(diǎn)處。上述過程結(jié)束后將輔助圖層鎖定。

2.3.2 二維建模

二維建模在主繪圖圖層繪制，可選則鍵盤輸入命令，也可選擇快捷鍵繪制。現(xiàn)以輸入命令為例，具體繪制過程如下:

①繪制斷面1

在俯視圖內(nèi)繪制半徑為6491的圓:

輸入:circ1e(c)↙

輸入:0，0↙

輸入:6491↙

將在主視圖內(nèi)將繪制的圓向下移動12587

輸入:move(m)↙

選取繪制好的圓↙

輸入:0，0↙

輸入:0，-12587↙

就此完成斷面1的二維建模。

②繪制斷面2

在俯視圖內(nèi)繪制半徑為6526的圓角矩形

輸入:rectang(rec)↙

輸入:0，0↙

輸入:@13052，13816↙

輸入:fi11et(f)↙

輸入:r↙

輸入:6526↙

選取矩形一個角的兩邊，將其倒成圓角。

重復(fù)上述命令，將矩形各角倒成圓角。

在主視圖內(nèi)將繪制好的圓角矩形移動至指定位置:

輸入:1ine(1)↙

輸入:0，-14084↙

輸入:138，-14084↙

將繪制好的圓角矩形拾取中心點(diǎn)后移動至上步繪制直線的末端，步驟同上。

將繪制好的圓角矩形旋轉(zhuǎn)指定角度，以達(dá)到建模要求:

輸入:1ine(1)↙

輸入:6565，0，↙

輸入:6565，-12950↙

輸入:rotate(ro)↙

選取圓角矩形↙

輸入:138，-14084↙

輸入:6565，-12950↙

就此完成斷面2的二維建模。

2.3.3 三維建模

三維建模是以二維建模為基礎(chǔ)的，具體操作步驟如下:

輸入:1oft↙

拾取已繪制好的兩個二維模型↙

輸入:c↙↙

就此完成斷面1和斷面2之間的三維建模。

重復(fù)上述步驟，完成剩余所有斷面的二維建模，進(jìn)而完成整個尾水管的三維建模。整個尾水管三維建模完成后的效果見圖3。

圖3 尾水管三維建模效果圖

注:上述步驟中括號內(nèi)符號為該命令的簡捷命令，回車可以用空格代替。

3 三維建模技術(shù)的推廣和應(yīng)用

3.1 三維建模技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

(1)表達(dá)直觀 (所見即所得)，將有效提高設(shè)計(jì)質(zhì)量;

(2)一個數(shù)據(jù)源，可用作多種用途，為協(xié)同并行工作提供條件，提高團(tuán)隊(duì)工作效率;

(3)可有效集成設(shè)計(jì)知識，包括規(guī)則性知識和過程性知識，促進(jìn)知識重用，減輕設(shè)計(jì)工作量，為自動設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ);

(4)模型關(guān)聯(lián)，有效保證數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性和準(zhǔn)確性;

(5)參數(shù)化設(shè)計(jì)的主題是關(guān)系和大小，先確定各構(gòu)件的裝配關(guān)系，之后驅(qū)動他們到要求的大小。

3.2 針對特殊體型的效果

三維建模技術(shù)不但從直觀上展現(xiàn)了構(gòu)件的表觀特性以及體型變化規(guī)律，還可以從任意角度、任意方位觀察構(gòu)件內(nèi)部特性和變化規(guī)律，更重要的是像水工建筑物中尾水管這種體型變化特殊的建筑，其周邊鋼筋布置同樣體現(xiàn)出了變化的不規(guī)則性，給鋼筋的下料和加工帶來了較大施工難度。但采用CAD三維建模技術(shù)作出三維模型后，則可以截取任意位置、任意角度的截面，同比例放大后即可得到該斷面鋼筋的布置形式，給鋼筋的下料和加工提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)指導(dǎo)。另外，三維建模技術(shù)還可以進(jìn)行倉面設(shè)計(jì)，采用三維立體模型作出倉內(nèi)所有埋件及鋼筋的位置，能很直觀地看出各構(gòu)件的相互關(guān)系和干擾狀況，防患于未然。