三維信息模型在變電站構(gòu)架設(shè)計(jì)軟件中的應(yīng)用

徐　志　劉小云　芮繼東　劉建秋　余學(xué)霜　商文念

(1.北京筑信達(dá)工程咨詢(xún)有限公司，北京　100043; 2.山東電力工程咨詢(xún)?cè)河邢薰荆瑵?jì)南　250013)

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三維信息模型在變電站構(gòu)架設(shè)計(jì)軟件中的應(yīng)用

徐志1劉小云2芮繼東1劉建秋2余學(xué)霜1商文念2

(1.北京筑信達(dá)工程咨詢(xún)有限公司，北京100043; 2.山東電力工程咨詢(xún)?cè)河邢薰荆瑵?jì)南250013)

目前通用有限元計(jì)算軟件比較成熟，但針對(duì)特定行業(yè)的高效實(shí)用軟件還比較欠缺。本文介紹了三維信息模型在變電站構(gòu)架設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用方法，闡述了利用SAP2000的API功能實(shí)現(xiàn)自主研發(fā)特種結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)軟件的整體思路。詳細(xì)介紹了利用三維信息模型生成二維施工圖的方法以及施工圖的聯(lián)動(dòng)修改、材料表的統(tǒng)計(jì)、撤銷(xiāo)重做操作的實(shí)現(xiàn)等關(guān)鍵技術(shù)。本文對(duì)于進(jìn)一步開(kāi)拓SAP2000的應(yīng)用范疇具有實(shí)際意義，為特種結(jié)構(gòu)定制專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)軟件提供了良好的指導(dǎo)作用。

三維信息模型； 變電站； 構(gòu)架設(shè)計(jì)； 施工圖； SAP2000； API

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.04.20

1　概述

變電站構(gòu)架設(shè)計(jì)軟件是由山東電力工程咨詢(xún)?cè)河邢薰竞捅本┲胚_(dá)工程咨詢(xún)有限公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)、專(zhuān)門(mén)針對(duì)變電站構(gòu)架設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)。軟件分為快速建模、計(jì)算分析和施工圖繪制三大功能模塊，利用SAP2000提供的API技術(shù)將自行研發(fā)的建模和施工圖模塊無(wú)縫集成，構(gòu)建了變電站構(gòu)架快速建模、計(jì)算分析、截面優(yōu)化、詳圖設(shè)計(jì)等功能的一體化應(yīng)用平臺(tái)。

2　軟件整體架構(gòu)

變電站構(gòu)架結(jié)構(gòu)特殊，荷載計(jì)算繁瑣，傳統(tǒng)的有限元計(jì)算軟件存在建模效率低，后處理功能不能滿(mǎn)足行業(yè)需求等問(wèn)題。軟件針對(duì)這些問(wèn)題提供了可視化的快速建模工具和交互式編輯的施工圖處理工具。在快速建模模塊(以下簡(jiǎn)稱(chēng)前處理)中，用戶(hù)只需要簡(jiǎn)單的輸入構(gòu)架的幾何尺寸、荷載參數(shù)即可快速拼裝成正確的計(jì)算模型，然后利用SAP2000的分析功能快速得到桿件的內(nèi)力信息，并生成施工圖需要的三維信息模型。在施工圖處理模塊(以下簡(jiǎn)稱(chēng)后處理)中，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)、施工圖自動(dòng)生成等功能。用戶(hù)只需要利用軟件提供的豐富交互編輯功能簡(jiǎn)單修改即可達(dá)到施工圖的深度要求。軟件操作整體流程如圖1所示。

圖1　軟件總體流程圖

3　軟件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

變電站構(gòu)架設(shè)計(jì)軟件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括兩大部分，一部分是描述真實(shí)構(gòu)架的三維信息模型數(shù)據(jù)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)三維信息模型)，另一部分是描述施工圖圖塊的二維信息數(shù)據(jù)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)施工圖模型)。三維信息模型記錄所有桿件、節(jié)點(diǎn)板、連接板、螺栓、鋼筋以及其它組合構(gòu)件(如法蘭、支座等)的信息，施工圖模型記錄了圖塊的位置、繪圖比例、圖層、顏色以及與之關(guān)聯(lián)的模型數(shù)據(jù)信息。

軟件通過(guò)建立構(gòu)架三維信息模型，實(shí)現(xiàn)構(gòu)架構(gòu)件信息的統(tǒng)一管理。施工圖模型根據(jù)三維信息模型數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)更新，有效的解決了施工圖的聯(lián)動(dòng)修改、材料表的歸并統(tǒng)計(jì)以及用戶(hù)撤銷(xiāo)重做功能等技術(shù)難題。

軟件數(shù)據(jù)流程如圖2所示。

圖2　軟件數(shù)據(jù)流程圖

3.1構(gòu)架三維信息模型的建立

構(gòu)架的信息模型是通過(guò)面向?qū)ο蟮腃++編程語(yǔ)言建立的。軟件定義了零部件基類(lèi)CIS_BaseEnt，基類(lèi)描述了零部件的類(lèi)型、位置、歸并時(shí)優(yōu)先等級(jí)、編號(hào)、以及對(duì)應(yīng)的二維圖形實(shí)體CIS_DrawEnt等信息。構(gòu)架中所有零部件類(lèi)均由CIS_BaseEnt派生。

圖3　構(gòu)架三維信息模型示意圖

3.2二維施工圖模型的建立

二維施工圖模型是在三維構(gòu)架信息模型的基礎(chǔ)上創(chuàng)建的。二維信息模型的基類(lèi)是二維圖形實(shí)體CIS_DrawEnt。CIS_DrawEnt中描述了圖形實(shí)體類(lèi)型、對(duì)應(yīng)的零部件CIS_BaseEnt、所屬圖紙、所屬圖塊、圖層、線型、字體等繪圖信息。施工圖上所有圖形單元類(lèi)都是基于CIS_DrawEnt派生。

3.3三維信息模型到施工圖模型的轉(zhuǎn)換

三維信息模型中完整地記錄了構(gòu)架的設(shè)計(jì)信息，包括所有桿件及零部件的空間位置、材料屬性、受力狀態(tài)等信息。在進(jìn)行施工圖繪制時(shí)需要從三維信息模型中提取相關(guān)信息，生成二維施工圖模型。

生成二維施工圖模型的步驟一般如下：

(1)規(guī)劃設(shè)計(jì)圖紙CIS_DrawPaper上需要繪制的所有圖塊CIS_DrawBolck；

(2)確定每個(gè)圖塊的位置比例，圖塊在三維信息模型中的位置(投影面)；

(4)在三維信息模型中提取需要在圖塊中繪制的所有零部件CIS_BaseEnt；

(5)經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等步驟創(chuàng)建CIS_BaseEnt在圖塊中的圖形實(shí)體CIS_DrawEnt，并建立關(guān)聯(lián)關(guān)系。

圖4　施工圖模型模型示意圖

圖5　坐標(biāo)轉(zhuǎn)換示意圖

圖6　格構(gòu)梁三維效果圖

圖7　格構(gòu)梁施工圖

3.4圖形的編輯和聯(lián)動(dòng)修改

三維信息模型中構(gòu)架上的每一個(gè)部件都是唯一的一個(gè)CIS_BaseEnt，在施工圖模型中可能會(huì)出現(xiàn)在多個(gè)圖塊中，創(chuàng)建出多個(gè)圖形實(shí)體CIS_DrawEnt。當(dāng)用戶(hù)在施工圖某個(gè)圖塊中修改構(gòu)件實(shí)體參數(shù)時(shí)，應(yīng)該保證每一個(gè)與之相關(guān)的圖形實(shí)體都能修改。程序中建立了三維信息模型中的部件CIS_BaseEnt與施工圖模型中各圖塊中的圖形實(shí)體CIS_DrawEnt之間的相互關(guān)聯(lián)關(guān)系。當(dāng)用戶(hù)在視圖中選中某個(gè)圖形實(shí)體CIS_DrawEnt后，程序?qū)棾鲈搱D塊對(duì)應(yīng)部件CIS_BaseEnt的的編輯對(duì)話框，通過(guò)編輯參數(shù)，用戶(hù)實(shí)際更改的是三維信息模型中的部件參數(shù)。修改完參數(shù)后，程序會(huì)根據(jù)修改部件的類(lèi)型判斷是否需要修改關(guān)聯(lián)構(gòu)件的參數(shù)。比如修改格構(gòu)梁主桿截面尺寸后，與之連接的斜桿回退長(zhǎng)度會(huì)相應(yīng)修改，同時(shí)這也會(huì)導(dǎo)致連接主桿和斜桿的節(jié)點(diǎn)板尺寸修改。當(dāng)三維信息模型修改后，程序會(huì)重新計(jì)算相關(guān)構(gòu)件在各個(gè)圖塊中的繪圖位置并完成圖形的更新。

例如避雷針頂部，用戶(hù)只需要在圖紙任一圖塊上(例如避雷針示意圖(圖8a)或柱頂詳圖(圖8b))中選中該部件，都會(huì)彈出編輯對(duì)話框(圖8c)，將柱帽類(lèi)型從包裹式修改為插入式后(圖9a)，對(duì)應(yīng)參數(shù)如柱帽直徑、端部長(zhǎng)度都會(huì)自動(dòng)修改，用戶(hù)也可人工干預(yù)。應(yīng)用修改后，所有相關(guān)圖塊都會(huì)自動(dòng)重新繪制，如圖9-b和圖9-c所示。

3.5材料表的統(tǒng)計(jì)

每一個(gè)實(shí)際的構(gòu)件(如一根桿件或者一塊節(jié)點(diǎn)板)在圖紙上可能會(huì)出現(xiàn)在不同的圖塊中，但是其在三維信息模型中只對(duì)應(yīng)一個(gè)CIS_BaseEnt，因此在材料表統(tǒng)計(jì)中我們只需要統(tǒng)計(jì)三維信息模型中CIS_BaseEnt對(duì)象的數(shù)量即可。在每一種構(gòu)件對(duì)應(yīng)的CIS_BaseEnt基類(lèi)中，都指定了排序優(yōu)先級(jí)和歸并條件。最終生成的材料統(tǒng)計(jì)表中將會(huì)把排序優(yōu)先級(jí)高的類(lèi)型排在前面，如材料表的一般規(guī)則是先統(tǒng)計(jì)桿件，然后再統(tǒng)計(jì)板材，最后統(tǒng)計(jì)螺栓。當(dāng)我們交互式修改圖紙后，只需要利用軟件的重新歸并功能即可重新對(duì)所有構(gòu)件進(jìn)行歸并編號(hào)并生成新的材料表，避免了人工統(tǒng)計(jì)容易出錯(cuò)的問(wèn)題。

在模型數(shù)據(jù)中，每一個(gè)構(gòu)件實(shí)體都包含編號(hào)、規(guī)格名稱(chēng)、長(zhǎng)度、單位重量、數(shù)量以及排序優(yōu)先級(jí)等變量。對(duì)所有的構(gòu)件歸并后將得到相同構(gòu)件的總數(shù)量。最終生成的材料表如圖10所示。

3.6Redo和Undo的實(shí)現(xiàn)

要實(shí)現(xiàn)撤銷(xiāo)和重做功能，必須記錄用戶(hù)的每一次操作對(duì)程序內(nèi)部數(shù)據(jù)的影響。軟件通過(guò)CIS_Transaction類(lèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)過(guò)程。用戶(hù)的每一次操作將通過(guò)CIS_Transaction類(lèi)在系統(tǒng)中產(chǎn)生一條記錄，CIS_Transaction類(lèi)中記錄了用戶(hù)操作的索引號(hào)以及三維信息模型操作前數(shù)據(jù)狀態(tài)PreData和操作后數(shù)據(jù)狀態(tài)LastData。當(dāng)系統(tǒng)中存在用戶(hù)操作記錄時(shí)，用戶(hù)可以使用撤銷(xiāo)和重做功能。當(dāng)用戶(hù)需要執(zhí)行“撤銷(xiāo)”命令時(shí)，程序?qū)⒂肞reData中的數(shù)據(jù)對(duì)三維信心模型中的數(shù)據(jù)進(jìn)行還原； 當(dāng)用戶(hù)需要執(zhí)行“重做”命令時(shí)，程序?qū)⒂肔astData中的數(shù)據(jù)進(jìn)行還原。撤銷(xiāo)和重做操作對(duì)應(yīng)三維信息模型中的數(shù)據(jù)變化如圖11所示。

圖8-a　　　　　　　　　　　　　圖8-b　　　　　　　　　　　　　圖8-c

圖9-a　　　　　　　　　　　　　圖9-b　　　　　　　　　　　　　圖9-c

圖10　材料表

圖11　撤銷(xiāo)和重做數(shù)據(jù)變化示意圖

3.7其他相關(guān)技術(shù)

變電站構(gòu)架設(shè)計(jì)軟件作為一款變電站設(shè)計(jì)一體化應(yīng)用平臺(tái)軟件，集成了豐富的功能，也使用了多種計(jì)算機(jī)技術(shù)。比如利用三維圖形引擎vtk實(shí)現(xiàn)快速建模中的三維模型顯示，利用XPTable實(shí)現(xiàn)表格數(shù)據(jù)的編輯，利用二維圖形引擎QCAD來(lái)實(shí)現(xiàn)施

工圖中圖形的捕捉、選擇以及導(dǎo)出dxf功能。

4　結(jié)語(yǔ)

隨著SAP2000的API功能的不斷完善，利用SAP2000開(kāi)發(fā)個(gè)性化定制軟件將會(huì)越來(lái)越普遍。利用三維信息模型技術(shù)開(kāi)發(fā)的變電站構(gòu)架設(shè)計(jì)軟件，是將計(jì)算機(jī)技術(shù)和行業(yè)軟件相結(jié)合的一次成功嘗試。軟件將解決通用有限元軟件存在的建模繁瑣、參數(shù)調(diào)整復(fù)雜以及傳統(tǒng)施工圖繪制中構(gòu)架統(tǒng)計(jì)困難，修改圖紙繁瑣等問(wèn)題，極大地提高工程師的工作效率。

[1]DL/T 5457-2012 變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社， 2012.

[2]中南電力設(shè)計(jì)院. 變電站構(gòu)架設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].湖北：湖北科學(xué)技術(shù)出版社， 2006.

[3]中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院.SAP2000中文版使用指南(第二版)[M].北京：人民交通出版社， 2011.

[4]SAP2000_API_Documentation.chm[M].Computers and Structures Inc.，2015.

[5]Computers and Structures Inc. 北京筑信達(dá)工程咨詢(xún)有限公司.CSi分析參考手冊(cè)[M].2015.

The Application of 3D Information Model in Substation Gantry Design Software

Xu Zhi1，Liu Xiaoyun2，Ru Jidong3，Liu Jianqiu4，Yu Xueshuang5，Shang Wennian6

(BeijingConstructionInformationSolutionEngineeringConsulting,Beijing100043,China;2.ShandongElectricPowerEngineeringConsultingInstituteCo.，Ltd.,Ji′nan250013,China)

At present, the general finite element software has become more mature, but there is few efficient practical software for specific industry.This article introduces the 3D information model applied in substation gantry design software and expounds the using of SAP2000 API function to realize the independent research and development of special structure of professional design software. It also introduces the use of 3D information model to generate the linkage of the two-dimensional construction method and construction drawing modification, material tables of statistics, the realization of the undo redo operation.This article has practical significance for further development of SAP2000 application, and provides a good guidance of professional custom design software for special structure.

3DInformation Model; Substation; Gantry design Software; Construction Drawing; SAP2000; API

徐志(1989-)，男，研發(fā)工程師，主要研究方向：建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件研發(fā)。

TU27;TU201.4;TU3

A

1674-7461(2016)04-0109-05