平面鋼閘門三維數字化設計綜合應用研究

鄒今春，郭天佑，李 崗，趙春龍

（中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065）

0 引言

鋼閘門是水工建筑物中用于開啟、關閉或局開過水孔口的動設備，在引水、擋水、沖沙、泄洪、防淤、發電控制等方面擔當重要任務，直接關系電站整體可靠運行。由于承受工況復雜，結構類型豐富，目前均采用非標設計方式。據統計水工鋼閘門出圖量占整個樞紐出圖量比例可達15%[1]。而工程建設方面對縮短設計周期、加快出圖速度的要求日益強烈，因此采用先進設計手段和技術，提高設計自動化水平和質量變得越來越重要。

三維數字化設計是解決這一突出問題的重要途徑。它不僅具有傳統三維可視化帶來的優點，還能通過尺寸約束和幾何約束來定義和控制幾何模型，支持在產品開發的不同階段對產品結構進行快速修改。這恰好滿足了水電工程各建設階段對結構方案反復調整和優化的實際需要。目前應用于水工鋼閘門設計的三維平臺主要有Autodesk公司的Inventor[2～4]以及達索公司的CATIA[6～8]。何玉新、李敬澤將Inventor應用于鋼閘門的設計，介紹了產品虛擬樣機、干涉檢測、模型與工程圖關聯等功能[2]。李勝、李敬澤以具體實例對參數分類、參數精簡及通用性、零部件純數字關聯方式等問題進行了深入剖析，提出了一種融合Excel設計計算、Inventor三維建模和Inventor自動生成工程圖的設計模式[3]。徐慶總結出一條從總體到局部、從上至下的設計思路，利用閘門結構零部件之間主從關系，優化了零部件之間裝配關系和模型庫的管理[4]?；趯IM技術的深入理解，魏群等提出綜合利用Inventor的多層次資源，充分利用其用戶交互、圖形數據等技術的深層分析方法，為以Inventor為基礎平臺的深度二次開發提供了理論支撐，并開發出設計、分析、制作于一體的鋼結構設計軟件[5,6]。此外，CATIA平臺下的參數化設計應用也得到了廣泛關注。王可、陳相楠、賈剛、余迎賓等介紹了CATIA平臺上閘門建模、出圖的詳細流程，提出建立組件庫以提高設計效率的方法，為CAITA的工程應用積累了經驗[7,8]。

Inventor或CATIA平臺自帶功能均不能同時解決好閘門高效建模、準確出圖、自動計算的問題。本文在以往研究者基礎上，以平面閘門為研究對象，利用Inventor平臺的二次開發，采用多種語言混合編程及Windows API技術，在綜合三維參數化建模、計算分析、二維工程圖模塊功能，實現了建模中零部件快速裝配、二維圖生成中底層數據的獲取與尺寸自動標注、計算過程與三維模型的交互，為鋼閘門三維數字化綜合設計應用做出一些嘗試。

1 建模模塊

閘門分為門葉、門槽，是最高層級的兩個模型組件，并將其作為父級模型。以孔口尺寸、封水寬高、支承跨度、最大外廓尺寸及各分節高度為依據，建立門葉、門槽三維模型總體網格軸線，對門葉門槽的總體布局其進行整體控制。門葉門槽這兩級父級模型之下的是各門葉節（含主梁、次梁、隔板、邊梁等）、主反滑塊、充水閥、吊耳以及水封等零部件子集模型。為了進一步規范零部件安裝位置，在單節門葉結構建模層級也引入了單節軸線網格。

按照分類原則及出圖的要求，對于父級建模層建立的總體網格軸線，操作對象為單節門葉或與單節門葉具有相同出圖等級的零部件，如充水閥、水封。對于單節門葉結構建模層的單節軸線網格，操作對象為主梁、次梁、邊梁、隔板。高效的建模功能依賴于閘門零部件參數化模型庫中參數的合理設置[3]。

圖1 總體軸線布置

總結平面鋼閘門結構特點，對閘門各部件進行分類，分析圖形結構的拓撲關系，提煉出圖形的幾何關系參數，將閘門各個部件進行參數化建模，并采用數據庫進行數據管理應用。在參數設置過程中充分利用零部件之間的連接關系，建立相互接觸的圖形要素之間重合、平齊、共面等幾何關系，實現參數間數學關系與對應零部件圖形要素幾何關系的一一映射。比如等截面主梁高度一般與邊梁高度一致、門葉結構支承跨度決定了滑塊水平安裝間距。在結構更新（實質為參數更新）時依據主從關系，使對應參數保持相應的數值關系。對一些非承力的結構件部分尺寸進行統一規范，或設成固定值或進行系列化，在參數修改時可進行參數傳遞實現聯動更新，從而精簡了獨立參數數量，也提高了零部件裝配和結構修改的效率。

圖2 截面數據庫

2 二維工程圖模塊

二維工程圖與三維模型的強關聯性是Inventor相比其他三維軟件的優勢，但相比水利水電行業出圖習慣需做較大調整和修改。用三維軟件自身出圖模塊完成一張完整圖紙需手動逐步完成，尤其是視圖、標注和材料表的表示更是繁瑣易疏漏，自動化程度低。本文提出按照平面鋼閘門圖紙表達習慣和要求，通過Inventor的API接口將圖紙生成中用到的眾多Inventor零散操作命令通過命令流方式進行串聯運行，并獲取圖形數據以對視圖、標注、材料表進行詳細定制。

以閘門門葉總圖為例，它包括上游視圖、下游視圖、頂視圖、底視圖、側視圖等基本視圖，以及門葉門槽關系圖、主反滑塊、吊耳孔等局部視圖和節間連接、水封連接等剖視圖。主視圖由上游視圖與下游視圖拼接而成，俯視圖由頂視圖和底視圖拼接而成，需要對圖形進行裁剪和對齊拼接。對圖形的裁剪實際是判定構成圖形的基本元素是否包含在指定窗口區域內的過程。本文先將帶有數據的三維模型由模型空間向圖紙空間投影生成完整的上游視圖，通過定位視圖橫向中心線并以此作為上游拼接視圖的一個參考點，通過獲取其余三個方向最外沿零部件位置信息確定上游拼接視圖的窗口區域。同理得下游拼接視圖區域，在選定的區域顯示視圖即達到視圖裁剪的效果，再對齊兩個帶拼接視圖即實現了視圖的拼接。

尺寸標注的定制包含選定待標注的尺寸、確定尺寸標注位置以及標注樣式。由于圖紙空間的點線面與三維模型中零部件是對應的，每一個尺寸數值均由模型的一個或多個參數組合而成。利用點的位置坐標選定標注的起點和終點即完成所選尺寸的標注。如下圖中AB兩點距離實際由邊梁后翼緣板寬度參數值的一半AC與中間隔板陣列間隔與數量參數運算組合得來。標注樣式定制可通過Inventor開放的用戶樣式修改實現。

圖3 門葉尺寸標注

材料表自動生成是由三維模型生成二維工程圖的重要工作。本文采用圖形數據方法獲取模型中各個零件的編號和各種屬性信息（幾何尺寸、材料、數量、質量等），并將這些信息存儲起來。在生成表頭后提取材料表所需信息，按要求進行重構后填入相應的明細表的單元格中，再利用Inventor API在設定位置創建數據。整個圖紙生成過程的實現依賴于通過Inventor API獲取視圖（帶數據的三維模型的投影）在圖紙空間中的坐標，實現三維模型數據庫數據（數值、屬性）與圖紙空間之間的交互。

3 計算模塊

當前水電水利鋼閘門的計算分析采用平面許用應力分析為主，本文依據現行鋼閘門設計規范，以XML作為中心存儲文件調用EXCEL的應用程序接口以之作為計算工具，對面板、主次梁、吊耳、主軌強度和剛度進行計算集成。實現了參數輸入、計算分析與結果輸出的簡潔操作。

為保證計算模塊與整體模型的一致性，在參數輸入環節可通過直接讀取三維模型獲取諸如主梁、次梁、面板截面尺寸數據，從而保證了計算與模型的強關聯關系和結構設計的準確性。利用Office開放的API規范要求的計算項目在經EXCEL表格公式計算分析的結果，可以WORD文檔的方式進行集中呈現。需要指出的是本文采用的計算模塊與三維模型之間的數據傳遞仍是單向的，即計算所需的參數可通過讀取三維模型得到，但計算出來的參數不能直接反饋給三維模型而對模型進行修改。

4 結論

圖4 計算用XML文件

在總結借鑒以前研究者經驗的基礎上，采用二次開發的方式，以Inventor、Office軟件為基本工具對水電水利常用的平板鋼閘門三維參數化建模、二維出圖、結構計算進行綜合應用。通過精簡、優化參數設置和搭建兩級網格軸線的方式以提高三維建模效率。由Inventor API獲取視圖（帶數據的三維模型的投影）在圖紙空間中的坐標，進行三維模型數據庫數據（數值、屬性）與圖紙空間之間的關聯應用，實現了材料表底層數據的獲取與尺寸自動標注。在計算模塊的前端參數輸入環節通過直接讀取模型數據，實現計算與建模的數據交互。綜合應用過程中建模、出圖、計算模塊的運行都有統一的數據庫支撐，圖形、尺寸、物理特性等屬性均由各類數據驅動，這與以協同、高維、全生命周期為特點的BIM技術應用[11]要求是一致的。

[1]楊錫階.平面鋼閘門參數化設計CAD軟件研制與開發[D].昆明：昆明理工大學,2006.

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[3]李勝,李敬澤.平面閘門三維參數化建模應用探討[A].水工機械技術2011年論文集[C].北京：中國水利水電出版社,2012：287-291.

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[5]魏群,姬廣坤,尹偉波.基于深層分析方法的Inventor二次開發[J].華北水利水電學院學報,2010,31(5)：1-5.

[6]魏群,魏魯雙,孫凱.BIM技術在平板鋼閘門三維設計軟件研發中的應用[J].華北水利水電學院學報,2013,34(3)：5-8.

[7]王可,陳智海,等.基于CATIA鋼閘門參數化建模技術研究設計[J].人民長江,2016,47(2)：32-35.

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